铺层方式对CFRP-铝合金单搭接胶接接头低速冲击损伤及剩余拉伸性能的影响

采用热压罐成型方法制备铺层方式为[+45/-45]_4s、[0/+45/-45/90]_2s和[0/90]_4s的碳纤维复合材料层合板,通过胶黏剂与铝合金板进行粘接获得异质材料单搭接胶接接头。利用落锤冲击试验机和万能电子试验机分别对三种接头进行低速冲击与冲击后静态拉伸测试,获得接头接触力-时间曲线和拉伸强度。通过CT扫描技术和数字图像相关(DIC)方法表征接头冲击损伤模式及表面应变演化过程,研究了铺层方式对接头抗冲击性能、冲击损伤模式以及剩余拉伸性能的影响。结果表明,复合材料铺层方式为[+45/-45]_4s时,接头在冲击载荷作用下具有较高的抗冲击性能,但胶层界面脱粘损伤较为严重。与胶层界面脱粘相比,接头剩余强度对层合板分层损伤更为敏感。相较于[+45/-45]_4s,[0/+45/-45/90]_2s和[0/90]_4s铺层方式接头的胶层界面脱粘范围与冲击后失效载荷退化程度较小,同时接头冲击后拉伸载荷主要集中于临近胶层的0°铺层且失效模式较为复杂...     

飞机用复合材料斜胶接修补结构的冲击损伤

高传力效率的斜面式胶接在飞机复合材料传力接头和修补中被广泛使用,但该结构的低速冲击损伤阻抗和损伤容限未在飞机结构设计中考虑。本文研究了低速冲击下的较厚的复合材料斜胶接板的力学性能及损伤失效。在胶接区域布置不同冲击点,寻找最敏感位置,在该位置进行冲击能量变化研究,通过冲击响应（冲击载荷、挠度、能量等）及冲击损伤两个方面获取其规律和失效机制。小能量和大能量冲击结果表明,胶接区域5个典型冲击位置中,中心位置冲击损伤最大,冲击敏感性最高,因此中心点为冲击损伤阻抗最小位置。中心点不同能量冲击时,冲击响应研究揭示了冲击过程中冲击载荷具有典型的4阶段行为。冲击载荷还具有双峰值力的现象。冲击后沿试样中心线切开的显微损伤图揭示了该结构有两种损伤模式,包括复合材料损伤及胶层损伤。复合材料的损伤包含90°和45°层基体的开裂和0°与90°层之间的层间损伤。胶层损伤出现在试样冲击点正下方背部的复合材料斜接尖端部位。进一步通过考虑复合材料层内、层间损伤及胶层损伤的渐进损伤模型对试验进行仿真研究,找出导致第Ⅱ阶段冲击载荷突降的主要原因为复合材料层间损伤,第Ⅳ阶段冲击载荷再一次突降是由于胶层出现了损伤。     

CFRP层合板的二次低速冲击及剩余压缩强度试验研究

以碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)层合板为研究对象,在结构的相同位置进行二次低速冲击,考察二次冲击时结构的动力响应和冲击后的剩余压缩强度,并与单次冲击的结果进行对比。在总冲击能量相同的前提下,采用落锤法对CFRP层合板进行冲击试验,得到结构单次和二次冲击的动力响应、能量吸收规律。采用超声波C扫描技术观测CFRP层合板内部的冲击损伤后,对CFRP层合板进行剩余压缩强度试验。系统研究和对比了单次和二次冲击对CFRP层合板在结构动力响应、能量吸收、损伤情况和剩余强度的影响。结果表明:总冲击能量分别为20 J、30 J、40 J时,二次冲击层合板试件吸收的总能量分别是单次冲击的52.50%、67.56%、81.41%,损伤总面积分别是单次冲击的60.58%、64.59%、80.60%;单次冲击后结构的剩余压缩强度分别是二次冲击的76.76%、78.65%、92.40%。此外,CAI-冲击能量、CAI-吸收能量和CAI-损伤面积曲线均在20 J的冲击能量下存在拐点。     

圆孔对GLARE层合板抗冲击性能的影响

为获得圆孔对玻璃纤维增强铝合金（GLARE）层合板抗冲击性能的影响规律,采用40 J的冲击能量对无孔和含圆孔GLARE层合板进行了落锤低速冲击试验,获得了冲击载荷、挠度和能量-时间曲线。应用ABAQUS/Explicit有限元分析软件对试验进行模拟,并预测了圆孔直径对GLARE层合板抗冲击性能的影响。结果显示:在低速冲击下,GLARE层合板纤维层的失效模式以分层损伤和纤维断裂为主;随着圆孔边缘至冲击中心距离的增加,层合板的冲击载荷峰值提高,而挠度峰值减小;数值模拟结果与试验结果的比较验证了模型的合理性;随着圆孔直径的增大,GLARE层合板的抗冲击性能逐步劣化。      

基于超弹性特性的SMA复合材料层合板低速冲击损伤数值模拟方法

基于ABAQUS有限元软件结合VC++6.0程序设计,建立了含不同铺层角度、不同排列密度形状记忆合金(SMA)纤维的复合材料层合板有限元模型。将基于Brinson本构模型的SMA分段线性超弹性模型以及判断复合材料层内失效的三维HASHIN失效准则编译至ABAQUS/VUMAT子程序,使用界面单元模拟复合材料层间区域,建立了SMA复合材料层合板的低速冲击损伤及冲击后剩余强度数值模拟方法。对比了不含SMA纤维层合板、含SMA纤维层合板、含普通金属丝层合板在不同冲击能量下的损伤响应。进一步分析了SMA纤维体积分数和直径变化对冲击响应的影响。冲击后剩余压缩强度模拟结果表明:冲击能量为16J时,含体积分数25%、直径0.5mm的SMA纤维层合板的冲击后剩余压缩强度相比不含SMA纤维层合板提高5.78%、相比含普通金属丝层合板提高4.69%。随着SMA纤维体积分数提高,层合板的抗低速冲击能力增强,当体积分数一定时,较细的(0.3mm)SMA纤维比粗的(0.6mm)SMA纤维对层合板的抗低速冲击能力增强效果更好。     

纤维/镁合金混杂层合板低速冲击响应及损伤模拟

为了研究新型纤维增强镁合金混杂层合板在低速冲击下的力学响应,分别对由玻璃纤维、碳纤维和二者混杂增强的AZ31B镁合金层合板在不同冲击能量下的落锤低速冲击试验进行了数值模拟。基于镁合金各向异性塑性本构和指数关系界面脱粘内聚力本构模型,同时纤维复合材料层采用三维Hashin失效准则且引入刚度折减,编写了复合材料层板损伤的VUMAT子程序,并将该子程序嵌入ABAQUS/Explicit中实现对层合板冲击过程的模拟。研究了该纤维层合板在不同冲击能量下的动态冲击响应以及脱粘与损伤演化规律,分析了冲击载荷、形变和能量吸收随时间的变化规律。模拟结果表明:在冲击能较小时,首先在冲击背面出现基体开裂,随着冲击能的增加,层合板受冲击面出现由无明显损伤到出现基体开裂和纤维断裂的现象;与单一碳纤维增强的镁合金层合板复合材料相比,单一玻璃纤维增强的镁合金层合板在冲击载荷作用时能够吸收更多的能量,碳纤维层内混杂合适的玻璃纤维铺层能够提高碳纤维增强镁合金层合板的抗冲击性能。     

复合材料层合板低速冲击逐渐累积损伤预测方法

针对复合材料层板在冲击载荷下,各种损伤的产生和扩展是一个随载荷、时间和空间而演变的过程,发展了复合材料层合板低速冲击逐渐累积损伤预测方法.采用刚度退化技术和改进的Chang-Chang失效准则、显式有限元法来模拟复合材料层合板受到低速冲击下逐渐损伤过程.使用所发展的方法分析了[0m/90n/0m]铺层的复合材料层合板在低速冲击过程中的逐渐损伤扩展,结果表明本文的方法能较好地模拟复合材料层板在低速冲击下的损伤扩展及变形过程,计算结果与实验结果吻合较好;对不同冲击能量下层合板损伤扩展研究表明,冲击能量与分层损伤面积成线性关系.     

碳纤维复合材料层合板低速冲击损伤应力分析

目的 为掌握碳纤维复合材料板在低速冲击载荷作用下的损伤规律,延缓失效破坏,对其冲击损伤的应力状态进行研究。方法 基于ABAQUS平台,建立碳纤维复合材料层合板低速冲击有限元模型,采用Hashin失效准则和VUMAT用户子程序,对碳纤维复合材料层合板的冲击过程进行数值模拟,同时考虑层合板层内与层间失效,以此来研究低速冲击条件下复合材料的损伤机理,分析冲击损伤过程中的应力变化趋势,讨论应力的分布状态。重点研究铺层角度及铺层距离冲头远近对应力的影响。结果 不同角度铺层的应力传播轨迹均沿着纤维方向和垂直于纤维方向同时扩展,应力均先增加至极限值而后迅速下降;铺层角度越大,板料的承载能力越弱,0°铺层的极限应力为1 432 MPa,而90°铺层的极限应力降至1 206 MPa;离冲头越远的铺层应力越小,达到峰值的时间更早且率先下降,说明远离冲头的铺层更早发生失效。结论 揭示了碳纤维层合板在低速冲击载荷作用下的应力状态及其对损伤的影响规律,能够为复合材料层合板零件设计提供参考。     

基于微观力学失效理论的CFRP多向层合板低速冲击行为预测

基于微观力学失效(MMF)理论对碳纤维增强复合材料(CFRP)多向层合板在低速冲击载荷下失效机制及损伤过程进行分析和预测。建立基于MMF理论的层合板结构冲击损伤行为分析方法。首先, 使用MMF理论对冲击过程中组分的失效类别进行判别; 然后, 根据组分失效的类别制定出相应的材料性能退化方案来实现对复合材料在低速冲击下的逐步失效分析;在ABAQUS平台上开发了基于显示分析的用户材料子程序(VUMAT), 即基于MMF理论的层合板冲击损伤分析程序;最后, 利用MMF理论冲击损伤行为分析方法, 对UTS50/E51碳纤维增强复合材料多向层合板在小能量低速冲击情况下的失效机制和损伤形貌进行预测, 并将预测结果与试验结果进行对比, 分析了利用MMF理论预测冲击损伤这一方法的准确性。结果表明理论预测的凹坑直径与试验测试的凹坑直径误差为4.8%, 预测的失效机制和损伤形貌与实际观察的一致。      

基于激光三维雕刻的CFRP多梯层挖补胶接接头加工技术研究

在航空飞行器的碳纤维复合材料(CFRP)结构件损伤修复时,挖补胶接技术是获得高性能的CFRP层合板接头的理想工艺.本文提出一种CFRP层合板的多梯层挖补胶接接头设计策略,设计了挖补胶接接头阴阳膜构建和分层切片激光三维雕刻扫描工艺代码生成算法,探索了CFRP梯层界面的激光烧蚀成型工艺规律和粘结性能改善机理,验证了胶接接头...