含损伤复合材料加筋板强度分析及修补研究

对含损伤复合材料加筋板进行了强度分析及修补研究。建立了复合材料层合加筋壁板的有限元分析模型,该模型采用界面单元以有效模拟筋条和壁板之间的连接界面及层板分层界面,连接界面和复合材料层板分别采用Quads和Hashin失效准则作为失效判据,引入材料刚度退化模型,采用非线性有限元方法,研究了复合材料加筋壁板在压缩载荷下的破坏过程。建立了筋条脱粘面积、层板分层面积与结构承载能力之间的关系,对不同损伤加筋板进行了修补研究,研究结果可为合理制定复合材料构件缺陷验收标准和结构修理容限提供分析依据。     

考虑厚度方向压缩影响的复合材料加筋壁板筋条-蒙皮界面失效表征方法

筋条-蒙皮界面失效对复合材料加筋壁板在后屈曲阶段的承载能力具有重大影响。研究表明,厚度方向的压缩会对复合材料加筋壁板的筋条-蒙皮界面性能产生影响。在前人研究的基础上,本文以数学方法推导出一种考虑厚度方向影响筋条-蒙皮界面失效表征方程。建立单元表征试验的有限元模型,利用虚拟试验确定了各项待定系数,给出了失效包面。该方法可用于指导单元表征试验的实施。     

复合材料帽型加筋板界面应力与失效模拟

基于内聚力模型,采用界面单元模拟筋条和蒙皮之间的粘接界面,建立了复合材料帽型加筋板结构的有限元模型,探究了复合材料帽型加筋板在四点弯曲载荷作用下的界面应力和脱粘失效问题。结果表明,胶层脱粘是复合材料帽型加筋板的主要失效形式,脱粘失效主要受剪应力的影响,脱粘导致加筋板承载能力下降,加剧了整体结构的损伤。     

含初始脱粘缺陷复合材料加筋壁板渐进压溃过程的数值模拟

建立了预测含初始脱粘缺陷复合材料加筋壁板渐进压溃响应的数值分析模型。该模型综合考虑了复合材料层合板的纤维失效、基体失效和纤维-基体剪切失效三种典型的面内损伤模式,并通过编写用户自定义材料子程序VUMAT实现面内失效类型的判断和相应材料性能的折减;在壁板和筋条连接界面应用虚裂纹闭合技术(VCCT)计算层间裂纹前缘的应变能释放率,并结合B-K混合模式准则控制缺陷的起裂以模拟脱粘的扩展演化过程;采用显式动力学方法准静态分析结构在压缩载荷下的屈曲、后屈曲直至最终压溃的响应过程。数值分析结果与文献试验、数值结果吻合良好,验证了模型的合理性和有效性,并详细研究了复合材料脱粘加筋壁板的损伤演化过程和渐进压溃行为。     

含槽口复合材料Ω型加筋壁板渐进损伤分析

对含不同角度槽口的复合材料Ω型加筋壁板受轴向压缩载荷作用下承载强度和失效模式的研究具有重要意义。通过编写VUMAT子程序将选择的三维Hashin失效准则及刚度退化模式加入渐进损伤模型分析中。首先研究0°槽口模型的位移-载荷曲线、面外位移及失效模式,并将结果与实验及已有文献进行对照,验证建立模型的正确性,进一步研究不同角度槽口对加筋壁板的影响。结果表明:具有90°槽口的加筋壁板模型在轴向压缩下的承载能力最强,45°槽口模型承载能力次之,0°槽口模型承载能力最弱。0°槽口模型纤维压缩失效出现在模型的下侧,45°和90°槽口模型均出现在槽口两侧,且三种模型失效均沿与载荷垂直方向扩展。     

基于试验设计的复合材料加筋壁板不确定性研究

随着航空结构系统的复杂化、多样化与大型化,结构高承载能力与轻量化的需求日益紧迫。复合材料加筋壁板因其比强度高、比模量高以及优异的承载性能,在飞机机翼上下壁板、机身曲板等部段得到了大量的应用。但复合材料易受加工精度影响,材料性能表现出极大的分散性,具有不可忽视的不确定性,即使参数发生微小波动,对结构的承载能力影响都是十分严重的。因此,对复合材料加筋壁板的设计必须考虑不确定性的影响。本文针对复合材料加筋壁板开展不确定性的研究,首先基于正交试验设计对不确定性参数进行显著性分析,然后利用少量、关键参数进行中心组合试验设计,从而构建显著参数与结构响应特性之间的响应面,通过蒙特卡洛模拟获得结构响应特性的分布特征,并与试验对比,确定分析流程的可行性。结果表明:对复合材料加筋壁板屈曲载荷有显著影响的参数主要有:壁板单层厚度、筋条腹板高度、筋条间距以及沿纤维方向弹性模量,在显著性参数服从正态分布下,屈曲特性也服从于正态分布。本文所采用的不确定性分析基本流程对有限元模型修正与复合材料加筋壁板设计具有指导意义。     

复合材料T型加筋壁板后屈曲承载能力研究

为了研究飞机复合材料T型加筋壁板结构在轴压载荷下的承载能力,对复合材料T型加筋壁板进行了轴压试验,并使用工程算法和有限元法仿真进行了分析,得到了加筋板的屈曲载荷及破坏载荷、载荷-位移曲线及损伤演化过程。对比两种分析方法与试验结果可以得到:当复合材料加筋壁板屈曲后,还有较强的后屈曲承载能力;相对于有限元分析方法,工程算法误差更大;准静态法可以有效地模拟出加筋板的屈曲及后屈曲行为,但是计算代价相对较大。     

复合材料加筋壁板设计、分析与试验研究

由于复合材料加筋壁板结构具有整体成型性好、承载效率高、连接件数量少等诸多优势,所以在直升机/飞机的结构上获得了广泛的应用。本文主要针对典型纵向加筋壁板开展了设计、分析、工艺及试验研究,采用理论分析和试验研究相结合的方法,对两种典型加筋壁板的承载能力进行分析和验证。研究表明：在质量相同的情况下,T型加筋壁板比泡沫填充帽型加筋壁板有更高的承载能力。研究中开发应用了全新的复合材料非线性屈曲分析方法,为复合材料加筋壁板结构承载能力预测提供了一种新途径。研究成果为复合材料加筋壁板的设计提供了依据,为复合材料在未来中、重型直升机主承力结构上的应用储备了技术。     

复合材料加筋层合板准静态压痕实验研究及数值分析

利用ABAQUS有限元程序所建立了一种基于用户子程序USDFLD和Hashin强度准则的复合材料损伤计算模型,用该模型对复合材料加筋层合板在静压痕力作用下主要发生的纤维拉伸破坏、纤维微屈破坏、基体拉伸破坏、基体压缩破坏、层间拉伸破坏、层间压缩破坏这几种基本损伤模式进行分析。对复合材料加筋层合板在静压痕力作用下进行损伤全过程数值研究,利用该有限元模型预测复合材料层合板静压痕力作用下的荷载-位移曲线以及凹坑深度与静压痕力的关系曲线。数值仿真与实验结果吻合较好,表明该损伤模型方法的可行性。复合材料层合板加筋后拐点处的凹坑深度明显加大,达到0.84mm。通过对加筋板的刚度和强度失效规律的分析,为进一步的复合材料格栅加筋结构(如飞机结构中复合材料后压力框)的性能分析提供参考。     

含不同类型分层缺陷层合板的屈曲失效性能

对含分层缺陷的层合板材料在压缩载荷下进行分层屈曲试验,研究中央分层及边缘分层两种缺陷下的屈曲失效模式,同时结合厚度、分层深度、位置等因素,对两种分层类型进行综合对比分析。结合有限元方法,运用界面元研究了层间的分层缺陷的损伤行为,有限元模拟得到了与实验吻合度较好的数值结果,并进一步研究了分层尺寸及试样尺寸效应的影响。     

Effect of the aspect ratio of the pre-existing rectangular adhesion failure on the structural integrity of the adhesively bonded single lap joint

Non-linear three dimensional (3-D) finite element analyses (FEA) of the single lap joints (SLJs) having pre-existing rectangular adhesion failure in the interface of the strap adherend and the adhesive have been carried out. The effect of the size, the shape and the aspect ratio of the pre-existing rectangular adhesion failure on (i) the strength, (ii) the interfacial stresses and (iii) the strain energy release rates (SERRs) in the vicinity of the adhesion failure front have been presented in this research work. The SLJ is subjected to uniformly applied tensile load. The adherends are made with very high strength steels and the adhesive is a commercially available AV119. The analyses of the adhesion failure propagation have been carried out by sequentially releasing the constraints of the nodes ahead of the pre-existing adhesion failure front in finite element model. The SERR values in the vicinity of the adhesion failure fronts are computed using the virtual crack closure technique (VCCT) for assessment of the structural integrity of the SLJ. The strength of the SLJ, the interfacial stresses, and the three modes of strain energy release rates (SERRs) have been found to be significantly affected by the shape and size of adhesion failures. The SERRs and interfacial stresses along the rectangular adhesion failure front are compared with the corresponding values around the circular adhesion failure front of same area, pre-existing in the SLJ. It is observed that the circular and rectangular adhesion failures of the same area will have dissimilar growth rate and the mode II is the dominant failure mode. The total strain energy release rate and the failure strength, computed from the 3-D FEA of the SLJ is in good agreement with the experimental fracture toughness of the AV119 adhesive and the experimentally obtained failure loads, respectively.     

正弦波形梁构件的RTM工艺模拟研究

本文采用PAM-RTM软件对航空用正弦波形梁典型构件进行了模拟分析,对构件进行了几何建模及有限元划分,选择构件不同位置采用线注胶或点注胶的注射方式对构件进行了常压力注射下RTM工艺模拟研究,由此确定了最佳注射方式以及注胶口、出胶口位置,根据干斑缺陷可能出现的位置优化了出胶口的设置,得到了无缺陷的构件制品并对预成型体铺放过程中可能出现的边缘效应对树脂流动及干斑缺陷的影响进行了研究。研究表明：合理设置出胶口是一种较好的消除干斑缺陷的方法,计算机RTM模拟为复合材料模具设计及构件制造提供了重要依据。     

蜂窝夹层结构镶嵌件剪切失效模式分析

利用有限元法分析了在板平面内的剪切载荷作用时,镶嵌件及其周边区域各个部分的应力分布情况,得出蜂窝夹层结构镶嵌件主要有两种剪切失效模式,分别为镶嵌件周围面板的压缩破坏和面板皱褶失稳。对于胶接质量好的蜂窝夹层板,面板中应力小于其压缩强度时,面板不会发生皱褶失稳,镶嵌件系统的失效模式是面板首先发生压缩破坏,可以通过局部增大镶嵌件周围的面板厚度与增大镶嵌件直径来降低面板中的应力。蜂窝夹层板有粘接缺陷时,则面板没有达到其压缩强度时就可能发生皱褶失稳。     

夹芯复合材料T型连接结构悬臂弯曲强度特性分析

针对夹芯复合材料T型连接结构,建立了有限元模型,模拟其在悬臂弯曲位移载荷下损伤产生、扩展及失效的过程,进行了悬臂弯曲试验验证模拟结果,进行了结构优化分析。试验结果表明:初始损伤产生时的位移为30 mm~32 mm,对应载荷为7.5 k N~7.7 k N,损伤产生后结构刚度降低,随着位移增加,承载力持续上升,失效强度较初始损伤强度提高了41%~55%;计算结果与试验结果相吻合,且表明初始损伤为复合材料压缩失效,产生于隔板下面板与增强区连接处,随着位移载荷的增加,损伤面积增大最终导致整体结构失效;优化结果表明,提高隔板下面板和芯材厚度,可降低隔板下面板的最大应力和失效因子,缩小上下面板的失效因子差,充分发挥结构性能。     

三维中空复合材料天线罩的有限元结构分析

某类型天线罩外形尺寸较大,减重要求高,三维中空复合材料可满足该类型天线罩透波和结构高强的要求。针对上述使用要求和实际工况,选择三维中空织物复合材料为主体结构,玻璃纤维增强环氧树脂复合材料为补强面层,制备三维中空结构天线罩,采用有限元分析软件建立三维中空结构天线罩的有限元模型,对该类型天线罩在使用工况下的刚度、强度和稳定性进行分析,其计算结果满足刚度、强度和稳定性的要求,并通过压力试验验证中空夹层天线罩的变形量与有限元分析结果保持一致,从而指导该天线罩的铺层设计、优化及材料的选用。     

复合材料帽型长桁末端结构研究

本文首先利用Abaqus分析了压缩载荷作用下常用复合材料帽型长桁壁板结构的破坏模式,然后通过试验分别研究了不同的长桁末端与加厚蒙皮的位置关系以及不同长桁末端斜削形式对复合材料帽型长桁端头压缩性能的影响。     

A Finite Element Analysis of Cracks in the Region of a Bi-Material Interface

This work was motivated by the fact that the fracture toughness of composite materials is strongly related to the micromechanics of the fracture process. The effects of interfacial bonding, interfacial splitting, fiber pull-out, matrix cracking, fiber failure, etc. on the gross composite strength and toughness have been widely discussed in the literature. This work considers simplified analytical models of some of these mechanisms which permits quantitative evaluations of the roles of material properties as related to microfracture mechanisms.

A micro-model of the interfacial region in a two-phase composite is analyzed. The model is a rectangular region loaded at the boundaries. The region is divided into Phase I and Phase II by a vertical line representing the interface. Several crack geometries are modeled including a crack in Phase I approaching the interface and extending to the interface, a crack extending along the interface and a crack penetrating the interface and extending into Phase 11.

These models are analyzed by the finite element method incorporating a special crack-tip element. The concepts of linear elastic fracture mechanics were incorporated into the analysis and the fracture parameters G and K were determined for each of the crack geometries for a range of modulus ratios. These results are used to discuss the tendencies toward the various modes of crack progression as functions of the material and interfacial Properties.     

埋地城市燃气管道三通失效有限元分析

采用塑性有限元分析软件ANSYS,研究了操作内压和极限面外弯矩作用下埋地城市燃气管道无缺陷三通和外壁局部减薄三通的塑性失效模式。考虑几何非线性和材料非线性,分析了无缺陷三通、缺陷位于主管底部、主管腹部以及主管肩部时三通失效模式,根据三通上应力分布云图,对模型的塑性失效进行了预测,研究结果可为埋地燃气管道三通结构设计和安全评定提供理论依据和数值参考。     

Computer simulation of the damage evolution of fiber‐reinforced polypropylene‐matrix composites with matrix defects

The damage evolution of fiber‐reinforced polypropylene‐matrix composites with matrix defects was studied via a Monte Carlo technique combined with a finite element method. A finite element model was constructed to predict the effects of various matrix defect shapes on the stress distributions. The results indicated that a small matrix defect had almost no effect on fiber stress distributions other than interfacial shear stress distributions. Then, a finite element model with a statistical distribution of the fiber strength was constructed to investigate the influences of the spatial distribution and the volume fraction of matrix defects on composite failure. The results showed that it was accurate to use the shear‐lag models and Green's function methods to predict the tensile strength of composites even though the axial stresses in the matrix were neglected. © 2006 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polym Sci 103: 64–71, 2007