考虑纤维损伤的大孔口层合板缝合补强等效力学模型

针对含大孔口层合板（层合板宽度D与开孔半径R的比例D/R<6）缝合补强,考虑缝合线对面内纤维造成弯曲、断裂及针脚处夹杂和富树脂区的影响,利用有限元软件建立了大孔口层合板缝合补强模型。在拉伸载荷作用下,计算了不同缝合参数（针距、行距、边距、缝合线直径、缝合线张力）对层合板力学性能的影响。并将不同缝合参数对面内纤维造成的损伤等效为孔径的扩展,建立其等效开孔无边缘效应层合板有限元模型,得出了缝合补强时不同缝合参数对层合板整体承载能力的影响规律。针距越小,层合板承载能力越低;当针距小于3.14 mm时,随着边距的增大,层合板承载能力单调减小;当针距介于3.14 mm与6 mm之间时,随着边距的增大,层合板承载能力呈现出类似于正弦函数的变化形式,且整体趋势增大;当针距大于6 mm时,随着边距的增大,层合板承载能力单调增大;当中心圆孔的0°与90°位置存在针脚缺陷时,易造成层合板提前破坏。      

复合材料层合板冲击后压-压疲劳寿命预测方法

针对冲击后复合材料层合板, 发展了含冲击初始损伤层合板的压-压疲劳寿命预测方法。该方法基于无损单向板的力学性能和疲劳特性, 对不同铺层参数、 不同几何尺寸以及不同冲击条件下层合板的疲劳寿命进行预测。为消除人为假设冲击损伤造成的误差, 对层合板在冲击载荷及冲击后疲劳载荷作用下的破坏进行全程分析, 即把冲击后层合板的实际损伤状态直接作为疲劳分析的初始状态。同时基于逐渐损伤思想, 推导了含冲击初始损伤层合板的应力分析过程, 建立了相应的三维逐渐累积损伤模型, 开发了参数化的复合材料层合结构冲击及冲击后疲劳破坏模拟程序, 为复合材料层合结构的抗冲击设计及其疲劳损伤扩展行为研究提供了较好的技术平台。      

拉伸载荷下贴补复合材料层合板的渐进损伤分析

基于连续介质损伤力学和粘聚区模型建立了贴补复合材料层合板的渐进损伤分析模型,计算了拉伸载荷下修补结构的极限强度。数值仿真结果和实验结果吻合较好,验证了该模型的有效性。基于建立的模型研究了贴补复合材料层合板的损伤演化过程,并讨论了补片参数对修补结构拉伸性能的影响。研究结果表明:补片参数对贴补复合材料层合板的破坏模式与损伤演化过程有显著影响;不同破坏模式下,补片参数的改变对修补结构极限强度的影响效果不同。研究结果可为复合材料层合板的贴补设计提供部分理论参考。     

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。     

复合材料层合板接触损伤问题的分析

将连续介质损伤力学的分析计算方法与复合材料层合板无损伤接触问题的分析相结合, 分析了层合板在接触载荷作用下的损伤问题。采用逆解法得到复合材料层合板无损伤接触问题的解。在进行接触损伤分析时, 考虑到实际应用中层合板的层间相对容易发生损伤, 同时为了简单起见, 不计复合材料铺层的损伤演化, 只计层间胶层的损伤, 并将层间胶层的损伤演化视为各向同性。通过胶层材料的疲劳性能实验曲线拟合得到损伤演化参数。采用附加载荷法与迭代法求解层合板接触损伤分析时应力场与损伤场的互耦问题, 得到了层间胶层的损伤度分布及应力分布。计算结果显示, 该方法收敛性好, 求解简单。      

复合材料层合板机械连接结构累积损伤模型和挤压性能试验研究

建立了三维累积损伤有限元模型, 采用扩展拉格朗日乘子法对螺栓表面和复合材料层合板孔壁间的接触行为进行了模拟。对复合材料层合板中纤维断裂、基体开裂和纤维2基体剪切3 类基本损伤类型的产生、扩展以及它们之间的关联性进行了研究。计算得到了复合材料层合板单钉连接结构的载荷2位移曲线, 预测了它们的初始挤压破坏载荷。同时, 进行了T300 帘子布/ Q Y8911 双马来酰亚胺树脂层合板单钉单搭螺栓挤压强度试验,验证了不同铺层类型和结构尺寸对复合材料层合板机械连接挤压性能的影响。试验结果和计算结果吻合较好, 证明了该模型和算法的有效性。      

复合材料层合板准静压损伤的数值模拟

从层合板准静压损伤机制出发, 根据渐进累积损伤原理, 建立了复合材料层合板准静压损伤的有限元模型, 合理地描述了复合材料层合板内部不同形式的损伤及其累积过程, 进而讨论了在相同的层合板厚度下, 单向铺层厚度对层合板准静压损伤的影响。结果表明, 单层厚度的增加会加大层合板的基体开裂损伤以及分层损伤的程度, 但有利于抑制纤维断裂的发生。     

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.     

一种改进的内聚力损伤模型在复合材料层合板低速冲击损伤模拟中的应用

针对传统内聚力损伤模型(CZM)无法考虑层内裂纹对界面分层影响的缺点,提出了一种改进的适用于复合材料层合板低速冲击损伤模拟的CZM。通过对界面单元内聚力本构模型中的损伤起始准则进行修正,考虑了界面层相邻铺层内基体、纤维的损伤状态及应力分布对层间强度和分层扩展的影响。基于ABAQUS用户子程序VUMAT,结合本文模型及层合板失效判据,建立了模拟复合材料层合板在低速冲击作用下的渐进损伤过程的有限元模型,计算了不同铺层角度和材料属性的层合板在低速冲击作用下的损伤状态。通过数值模拟与试验结果的对比,验证了本文方法的精度及合理性。     

平面编织复合材料层合板低速冲击后的拉伸性能

对两种不同铺层形式的平面编织复合材料层合板低速冲击后拉伸性能进行了实验研究,在此基础上建立了有限元损伤扩展仿真模拟。在所建立的有限元模型中,将低速冲击损伤等效为形状规则的软化夹杂,并针对两种铺层形式采用不同的损伤判据和模量衰减准则。研究结果表明:该有限元模拟结果与实验结果符合,说明该模型能够准确地预测低速冲击后平面编织复合材料层合板的损伤扩展规律和剩余拉伸强度;不同铺层形式的平面编织复合材料层合板在低速冲击后拉伸的损伤扩展规律不同;它们的冲击后拉伸强度降均>50%,在复合材料结构设计中应该受到重视。      

面内线性变化载荷作用复合材料层合板的振动与屈曲优化

采用广义微分求积（GDQ）法开展了不同边界条件下承受面内线性变化载荷作用复合材料层合板振动与屈曲的分析与优化。针对GDQ法求解面内线性变化载荷工况复合材料层合板屈曲问题存在计算振荡、不收敛现象,提出载荷扰动策略实现了GDQ法对复合材料层合板屈曲问题的稳定高效求解。基于基础圆频率和临界屈曲载荷系数的归一化指标,分析了铺层角度对复合材料层合板综合性能的影响,并结合直接搜索模拟退火算法开展了复合材料层合板的铺层顺序优化。结果表明:铺层角度变化对屈曲性能的影响明显强于频率特性;面内线性变化载荷中,以弯曲载荷作用下复合材料层合板的优化综合性能受边界条件变化的影响最小,而优化铺层角度受边界条件变化的影响最大。研究结果为复杂载荷作用下复合材料层合板的设计提供了参考。      

复合材料开口缝合补强结构力学性能实验研究

对复合材料开口缝合补强结构进行了实验研究,测试了不同缝合参数(针距、行距、边距、单重和双重缝合)补强的含孔复合材料层板的拉伸强度,研究了孔边应力集中、应变集中对强度、刚度等力学性能参数的影响,分析讨论了孔边及邻近区域应变集中及应变分布的规律,比较全面地揭示出不同缝合参数补强的试样孔边应变随载荷的变化规律。结合实验结果和分析讨论,给出较为合理的孔口缝合补强设计参数。     

考虑剪切非线性影响的复合材料连续损伤模型及损伤参数识别

在复合材料正交各向异性连续损伤力学的基础上,引入由应变描述的连续综合变量,损伤演化方案采用综合变量的指数函数。考虑复合材料剪切非线性,通过非线性损伤因子在全局损伤出现之前将其引入本构方程。编写了VUMAT实施损伤模型,介绍连续损伤模型中材料参数的取值方法。对无法通过试验获得的损伤参数,采用遗传算法原理,定义个体适应度为试验及模拟载荷-位移曲线误差,通过编写MATLAB程序调用ABAQUS有限元模型实施参数反演方法。选择了常用铺层结构的复合材料带孔层合板进行仿真参数识别分析,验证了基于遗传算法参数识别方法的可行性。     

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。     

复合材料层合板基体裂纹的协同损伤演化模型

首先,为研究复合材料层合板在准静态载荷下的基体裂纹演化特征,提出了一个基于能量的协同损伤演化模型。然后,通过模型对损伤进行了多尺度分析:从微观角度,采用三维有限元方法求得裂纹表面位移;从宏观角度,结合裂纹表面位移,推导了萌生基体裂纹的能量释放率。最后,根据裂纹萌生准则对基体裂纹的演化过程进行预测。模型考虑了演化过程中损伤的相互影响、残余应力、基体材料非线性、材料初始损伤分布及损伤演化的不均匀性。根据演化分析流程计算了[±θ/904]s铺层玻璃纤维复合材料的基体裂纹演化过程。结果表明:这一模型能够准确地预测准静态载荷下复合材料层合板基体裂纹的损伤演化规律。     

基于低能量冲击损伤阻抗的复合材料薄壁结构铺层顺序设计

建立了有效的复合材料层合板结构冲击损伤分析方法,层合板面内损伤采用改进的Chang/Chang 失效准则做判据,得到面内各类损伤形式。层间损伤采用与Mixed-Mode粘接元等效的TIEBREAK接触模拟。利用此分析方法,从复合材料薄壁结构设计需要出发,研究了在低能量冲击下,铺层的层间角度、铺层方向、铺层重叠对层合板结构冲击损伤阻抗的影响规律,并对它们的综合影响进行了总体分析,得到了能提高层合板结构损伤阻抗的铺层顺序设计指导。最后用该设计指导对某种铺层结构进行了重新设计和有限元模拟,验证了该设计指导的可行性和有效性。     

复合材料层合板胶接贴补修理渐进损伤分析

建立了复合材料层合板胶接贴补修理构型渐进损伤分析的三维有限元模型, 其中层合板和胶层分别采用正交各向异性损伤和各向同性损伤的连续介质损伤力学模型, 整个分析过程中同时考虑层合板和胶层的损伤形成和扩展以及它们之间的相互影响, 单向压缩载荷作用下的层合板贴补修理构型的试验数据验证了该模型的有效性, 采用该模型分析了不同的贴补修理参数对修补强度的影响。 结果表明: 当层合板补片较薄时, 补片损伤是导致修补结构失效的主要原因; 当补片较厚时, 胶层失效是导致修补结构失效的主要原因, 此时补片厚度增加并不能显著增大修补结构的极限强度。在复合材料贴补修理时需要对补片和胶层进行详细优化设计。      

多轴向玻璃纤维增强树脂基复合材料的破坏特性和损伤机制

通过对玻纤增强环氧乙烯基酯树脂(GF/EVE)和玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂(GF/UP)复合材料的多轴向铺层设计试件进行低速冲击、弯曲和剪切破坏性力学试验,分析了不同铺层方式的GF/EVE和GF/UP复合材料冲击、弯曲和剪切载荷作用下产生的损伤及失效模式。结果表明:在铺层设计与工艺相同的情况下,CF/EVE的弯曲强度、冲击韧性均优于CF/UP;[0,90]6试件冲击能量吸收性能优于其他五种铺层方式;铺设角设计、树脂基体类型、铺层厚度对层合板剪切力学性能的影响较小。并基于SEM与超声C扫描成像检测(C-SAM)对复合材料的微观界面脱粘机制及损伤演化行为进行阐释。     

缝合复合材料可用性--环境条件下层合板的冲击后压缩性能

为了解决缝合复合材料在航空航天结构中的应用问题,对国内生产的缝合/树脂膜渗透成型工艺复合材料层合板在三种不同环境条件下的低速冲击后压缩性能进行试验研究.结果表明,缝合改变了含冲击损伤层合板的压缩破坏机理,可以大幅度提高层合板在干态常温下的冲击后剩余压缩强度,但是对湿态高温下层合板的冲击后剩余压缩强度影响不大;缝合方向对冲击损伤面积和剩余压缩强度的影响较小,其中以0°缝合较为有利.     

缝合复合材料面内刚度和强度的神经网络预测

基于神经网络的BP算法,建立了预测缝合复合材料刚度和强度性能的模型。根据试验所得的缝合复合材料的性能参数,训练人工神经网络,拟合出输入参数 (各种缝纫参数与等效未缝纫层合板性能参数)与输出参数(缝合层合板性能参数) 之间的非线性关系,设计完成了缝合复合材料弹性性能与强度分析软件,并以此软件分析计算在新的缝纫参数和等效未缝纫层合板性能参数情况下的缝合复合材料性能。与实验结果对比,两者符合较好。为缝合复合材料刚度强度预测开辟了一条新的有效途径。