基于失效机制的单向纤维增强树脂复合材料退化模型基于失效机制的单向纤维增强树脂复合材料退化模型

基于复合材料力学理论和失效机制,建立了一种新的适用于单向纤维增强树脂基复合材料的突降退化模型,用于描述复合材料基本材料性能在不同模式失效发生后的衰减行为。在模型中不仅考虑了复合材料拉伸和压缩弹性模量的差别,还考虑了损伤后材料拉伸和压缩性能退化的不同,以及裂纹闭合效应和侧向约束对压缩失效后性能的影响。另外,该模型只需要基本材料参数作为输入,便于应用。为了验证所提出的模型,建立了T800碳纤维增强X850环氧树脂基复合材料的退化模型,并对典型复合材料螺栓连接结构的拉伸失效行为进行渐进损伤分析。数值模拟获得的结构破坏载荷、破坏形式及载荷位移曲线与试验结果有较好的一致性,验证了所提出模型的计算精度和有效性。      

复合材料帽型加筋壁板的失效机制分析与改进设计

为了准确预测复合材料帽型加筋壁板的后屈曲承载能力,针对压缩载荷下筋条端头斜削的复合材料帽型加筋壁板结构的失效机制及失效载荷进行了研究。首先利用物理试验,研究了端头斜削的复合材料帽型加筋壁板失效过程,然后构建了考虑蒙皮/缘条胶接界面以及复合材料层板失效的非线性损伤分析模型,详细地研究了损伤起始、扩展和失效的全过程。在此基础上,提出了包覆层对蒙皮/缘条界面进行增强的设计方案,并基于数值仿真和试验研究了包覆层对复合材料帽型壁板的破坏模式和承载能力的影响。数值分析和试验结果表明,包覆层设计能够明显提高结构的屈曲载荷和后屈曲承载能力,分析结果与试验值吻合良好,且预测的破坏模式也与试验结果一致。     

复合材料胶接修补件力学性能的实验研究与数值模拟

进行复合材料修补的铝合金板的静强度实验,测定载荷-位移曲线,分析破坏机理,并讨论了胶层材料性能、复合材料补片性能与厚度等因素对修补件静强度的影响;建立了修补件的三维有限元模型,模拟修补件的载荷-位移曲线和应力分布,验证了模型的有效性;根据应力分布计算结果和失效准则,预测初始损伤及裂纹产生的位置,并估算破坏强度,预测结果...     

复合材料层板开孔压缩损伤分析

针对纤维增强复合材料层板开孔压缩, 将复合材料层板的失效分为层内失效和层间失效, 建立了复合材料层板开孔压缩损伤分析模型。该模型基于逐渐损伤分析, 对不同复合材料开孔层板进行了失效预测, 并与文献中试验结果进行了对比, 破坏强度和失效模式均与文献试验结果非常吻合。结果表明, 本文中所建立的层板开孔压缩损伤分析模型能够模拟含孔层合板压缩过程中的损伤起始、损伤扩展和最终破坏, 并最终预测含孔层合板压缩失效模式和破坏强度。     

三维复合材料层合板渐进损伤非线性分析模型

为有效反映复合材料层合板层间相互作用和材料损伤非线性,建立了中等尺度的三维复合材料层合板渐进损伤分析模型。非线性渐进损伤分析过程包括应力求解、材料损伤失效判据及材料性能退化方案3个方面。讨论了损伤材料性能退化方案,引入与材料损伤模式相对应的损伤变量表征材料点的损伤状态,材料的刚度矩阵按损伤变量退化。基于该模型可成功预测复合材料层合板损伤起始、扩展直至最终失效的整个过程和极限强度。经文献试验数据验证,12种不同铺层顺序层合板的计算强度与试验数据均吻合较好,表明该模型在复合材料层合板极限强度预测上的有效性。     

复合材料波纹梁冲击试验与数值模拟

为了探究复合材料波纹梁的吸能性能,针对铺层形式分别为[(±45)3/(0,90)/(±45)3]、[(±45)8]和[(±45)7]的3种复合材料波纹梁元件,进行了动态冲击试验,得到了吸能载荷-位移曲线,并对其损伤破坏形貌进行了分析。以连续损伤力学为基础,结合改进的Hashin损伤判定准则以及损伤演化规律,提出了针对波纹梁耐撞性损伤分析的刚度退化模型,并基于有限元软件平台开发了适用于波纹梁渐进损伤分析的子程序。对3种不同结构形式的波纹梁进行了渐进失效数值分析,模拟得到了能量评估参数比吸能(SEA)和平均载荷值,并将模拟结果与试验结果进行了对比分析。比较分析了不同薄弱环节复合材料波纹梁的吸能能力。结果表明:波纹梁在冲击载荷作用下发生了渐进压溃失效;平均压溃载荷的相对误差不超过12%,能够满足工程应用要求;薄弱环节的设置需综合考虑复合材料性能和铺层方式等因素。     

含分层损伤缝合复合材料层板的剩余压缩强度

基于渐进损伤方法,研究了含单脱层缝合复合材料层板在压缩载荷下的剩余强度。通过商用软件ABAQUS建立了含单脱层缝合复合材料层板剩余压缩强度计算模型,考虑了子层屈曲和分层扩展对剩余强度的影响。通过UMAT子程序实现了层板失效、层间失效和缝线失效的模拟。通过嵌入式杆单元结构模拟了缝线桥联作用及失效。采用Hashin准则及刚度折减法对纤维拉压、基体拉压失效进行了模拟。通过渐进损伤分析,揭示了缝合情况下含单脱层复合材料层板的失效机理,讨论了缝合参数对剩余压缩强度的影响。所预测的破坏模式和剩余强度结果与实验能较好地吻合。分析表明缝合可以明显提高含分层损伤复合材料层板的子层屈曲载荷,抑制分层扩展,并提高层板的剩余压缩强度。     

剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板试验及有限元分析

为了确定剪切载荷作用下含非穿透损伤复合材料挖补修理层合板的破坏模式和抗剪切能力,进行了复合材料挖补修理层合板的剪切试验,并与未损伤复合材料层合板进行对比。试验结果表明,复合材料挖补修理后的层合板具有较高的强度恢复率,且不影响层合板的后屈曲承载能力。同时,建立了剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板的有限元分析（FEA）模型,复合材料母板和补片采用了三维Hashin准则来判定材料失效,母板层与层之间采用零厚度界面单元以有效模拟剪切载荷作用下复合材料母板上、下子板之间的分层。该模型得到的破坏模式与试验结果基本相符。由于挖补修理的设计与工艺复杂性,理论模拟的破坏载荷与试验结果虽不能完全吻合,但其最大15%左右的差异能够满足修理设计的需要。以上结果说明,该模型对剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板的破坏模式和破坏载荷能够进行工程适用的预测。     

基于多尺度方法的蜂窝夹层复合材料结构轴向压缩稳定性

为有效预测蜂窝夹层复合材料结构压缩失稳载荷和破坏模式,本文基于层压板宏细观多尺度数值分析模型,研究蜂窝夹层复合材料结构在轴向压缩载荷下的屈曲稳定性。基于改进的通用单胞理论模型,并结合ABAQUS用户自定义子程序接口,建立蜂窝夹层复合材料结构宏细观数值模型,预报蜂窝夹层复合材料结构失效载荷和破坏模式,并与试验结果对照,验证了模型的有效性。结果表明:通过本文建立的数值模型可以有效预测蜂窝夹层复合材料结构在压缩载荷下的失稳载荷和破坏模式,其一阶失稳载荷为128.12 kN,与试验结果误差为4.58%,蜂窝夹层复合材料结构破坏模式为先发生屈曲失稳,然后迅速破坏。      

复合材料跨尺度失效准则及其损伤演化

提出了一种新的基于物理失效模式的复合材料跨尺度失效准则, 从细观层面分别对纤维和基体的失效模式进行了表征, 将纤维失效分为拉伸失效和压缩失效, 将基体失效分为膨胀失效和扭曲失效。建立了相应的失效准则及损伤演化方法。通过正方形和六边形的代表体积单元(RVE)模型, 计算了宏观应力到细观应力的机械应力放大系数和热应力放大系数。以IM7/5250-4复合材料拉伸试验作为算例对失效模型进行了验证。计算结果与试验结果吻合较好, 表明跨尺度失效准则能够准确预测复合材料层合板的破坏。     

碳纤维层合板弹体冲击仿真方法研究

为了研究碳纤维增强复合材料层合机匣对高速撞击碎片的包容能力,通过LS-DYNA对圆柱弹体撞击BMS8-212层合增强复合材料进行动态仿真计算。有限单元计算模型中,层板材料采用连续损伤材料本构模型,层间采用固连失效接触模式。通过与试验结果的比较,验证了数值仿真方法的可靠性。发现,纤维增强复合材料层合板在弹体的横向高速撞击下主要的失效形式为纤维剪切、纤维和基体挤压、分层破坏、拉伸失效。     

拉伸状态下碳纤维复合材料T型接头的断裂行为

建立了碳纤维复合材料T型接头数值模型,模拟了其在拉伸载荷下的损伤产生、扩展及失效过程,并对碳纤维复合材料T型接头试件进行了静态拉伸试验。结果表明,接头的初始损伤载荷为9.8~12.0 kN,损伤发生后接头的载荷值发生突降（降低约27%~38%）,此时接头仍具有一定承载能力;试件完全脱胶载荷较初始损伤载荷略有降低（载荷范围为8.0~8.6 kN）。数值计算和试验结果吻合,结果均显示填料区是碳纤维复合材料T型接头最薄弱的部位,易发生破坏;填料区破坏后裂纹迅速向填料区周围的胶层扩展,导致胶层的剥离,这是导致碳纤维复合材料T型接头失效的最主要原因。     

基于Puck理论的复合材料层合板横向剪切失效分析

针对复合材料层合板三维失效分析问题,建立了一种基于Puck失效准则的分析模型。针对Puck失效理论中的基体失效,分别采用遍历法和分区黄金分割法（PGSS）的一维搜索算法预测了不同应力状态下基体失效的断裂面角度,并对比分析了两种算法的计算精度和计算效率。研究表明,PGSS具有较高的搜索精度和搜索效率。在ABAQUS有限元分析平台下,编写了基于Puck失效准则的VUMAT显式用户自定义材料子程序,对复合材料层合板横向（G₂₃）剪切性能进行了数值预测和渐进失效分析,并与试验载荷-位移曲线、DIC测得的应变场及破坏模式进行了对比。分析结果表明:当前的分析模型能较好地预测复合材料层合板G₂₃剪切试验的力学响应和破坏模式。      

复合材料跨尺度失效准则及其损伤演化

提出了一种新的基于物理失效模式的复合材料跨尺度失效准则,从细观层面分别对纤维和基体的失效模式进行了表征,将纤维失效分为拉伸失效和压缩失效,将基体失效分为膨胀失效和扭曲失效.建立了相应的失效准则及损伤演化方法.通过正方形和六边形的代表体积单元(RVE)模型,计算了宏观应力到细观应力的机械应力放大系数和热应力放大系数.以IM7/5250-4复合材料拉伸试验作为算例对失效模型进行了验证.计算结果与试验结果吻合较好,表明跨尺度失效准则能够准确预测复合材料层合板的破坏.     

三维机织复合材料在拉压循环载荷下的疲劳性能

为研究三维机织复合材料在拉伸-压缩循环载荷下的疲劳性能,对材料进行了应力比R=-1的疲劳试验。在不同的载荷水平下,分别进行了纬向和经向两类拉压疲劳试验。试验获得了试样在疲劳载荷下的滞回曲线和全过程中剩余刚度比随寿命的变化曲线。结果表明,在拉伸-压缩循环载荷下,三维机织复合材料的疲劳损伤过程主要包含3个阶段,分别发生基体破坏、纱线横向裂纹扩展和纱线的最终断裂。基体的破碎和开胶、垂直于载荷方向排布的纱线撕裂和沿载荷方向排布的纱线断裂是试样内部的主要失效模式。试验还获得了纬向和经向拉压疲劳的拟合S-N曲线,可应用于工程中对该型材料进行疲劳寿命估算。该型材料的疲劳寿命在低应力区和高应力区均显示出较小的分散性,双对数坐标系下的拟合S-N曲线具有较好的线性度。     

纤维增强复合材料薄壁圆管扭转失效分析

对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）薄壁圆管的扭转屈曲、失效载荷和失效模式进行了试验和数值模拟。试验观察圆管在扭矩作用下的3种失效模式,分析了不同失效模式的特征和机理。考虑圆柱壳的初始缺陷和非线性屈曲等因素,利用ABAQUS建立了圆管屈曲和损伤的有限元模型。结果表明:屈曲诱发圆管表面微裂纹的产生和扩展,对圆管的失效有着加速作用;扭转失效过程中圆管层间应力较低,层间分层主要由管壁突然的破坏产生;圆柱壳的初始缺陷对屈曲和失效载荷的模拟影响较大,本文通过对比计算结果和试验数据确定了圆管的初始缺陷系数;损伤模型的数值模拟结果与试验数据相一致,验证了有限元模型的有效性。      

针刺C/C复合材料面内拉伸强度预测

为研究针刺碳纤维增强碳基体复合材料(针刺C/C复合材料)面内拉伸强度与渐进损伤,建立了针刺C/C复合材料代表性体积单元有限元模型。模型包含无纬布层、网胎层、针刺纤维束、界面4类子区域,并考虑了孔隙的影响。采用基于应变的破坏准则及指数型损伤演化规律研究无纬布层及针刺纤维束损伤,采用弹塑性本构研究网胎层损伤,采用内聚力牵引分离定律和二次应力破坏准则分析界面损伤。通过两步法计算了孔隙对材料性能的折减效果,并得到上述4个子区域的力学性能,通过ABAQUS UMAT预测了材料的面内拉伸应力-应变曲线及各子区域损伤起始、演化与失效过程,非线性趋势及拉伸强度数值与试验数值吻合较好,验证了该模型有效性。      

碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头拉伸失效机制

通过试验及数值模拟对碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头轴向拉伸失效机制进行研究。基于ABAQUS有限元软件,通过连续介质损伤模型及内聚区模型,分别对碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头各部件及界面进行模拟,编写用户自定义材料子程序(UMAT),建立复合材料的渐进损伤模型,最终得到碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头的应力分布和载荷-位移曲线,并与试验结果对比确定结构的失效机制。结果表明:有限元分析所得碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头损伤部位及失效模式与试验吻合,失效载荷与试验值相差较小,证明仿真分析方法的有效性。通过对比失效模式发现,拉伸载荷作用下,链环是主承力部件,其弧形端部是应力集中处,纤维断裂即从此处开始发生并向外扩展,导致链环断裂及整体结构破坏。      

翼肋支撑对复合材料加筋板轴压性能的影响

为确定翼肋支撑对复合材料加筋板轴压性能的影响,对施加翼肋支撑前后的复合材料工型加筋板和帽型加筋板进行压缩试验和数值模拟研究。轴压试验中,通过应变计和影像云纹法实时监测试验件的失稳载荷及失稳模态,通过断面观测分析结构损伤破坏机制。基于ABAQUS软件建立有限元模型模拟加筋板屈曲及后屈曲过程,通过失稳节线及反节线上的应力分布变化分析加筋板破坏机制。计算结果与试验结果相吻合,表明翼肋支撑对不同筋条加筋板失稳模态有影响但均不改变结构失稳载荷,位于节线上的翼肋支撑对工型加筋板破坏载荷影响较小,但位于反节线上的翼肋支撑使帽型加筋板的承载能力提高了26.2%。试验件失稳后应力向反节线上筋条蒙皮界面集中,过高的应力导致界面脱粘,使得结构集中在反节线上破坏。      

复合材料层板开孔拉伸损伤分析

针对纤维增强复合材料层板开孔拉伸, 将复合材料层板的失效分为层内失效和层间失效, 建立了复合材料层板开孔拉伸损伤分析模型。该模型基于逐渐损伤分析, 对不同复合材料开孔层板进行了失效预测, 并与文献试验结果进行了对比, 破坏强度和失效模式均与文献试验结果非常吻合。结果表明本文中所建立的层板开孔拉伸损伤分析模型能够模拟含孔层合板拉伸过程中的损伤起始、 损伤扩展和最终破坏模式, 并最终预测含孔层合板拉伸失效模式和破坏强度。