复合材料层合板的固化残余应力和变形分析

本文采用非线性有限元方法研究了复合材料层合板在固化后期降温过程的残余应力和变形问题。考虑了材料的热物理与力学性质随温度的变化以及变化率和应力间耦合的影响。给出了一些有意义的结果。     

复合材料层合板固化压实过程有限元数值模拟及影响因素分析

根据有效应力准则和达西定律建立了描述复合材料固化压实过程层合板压缩和树脂流动的二维有限元方程, 节点自由度为位移和树脂压力, 采用向后差分方法直接耦合积分求解以提高收敛速度。数值计算结果表明: 随着层合板厚度的增加, 厚度压缩率减小, 固化压实所需时间增加, 树脂在厚度方向的不均匀性逐渐增加。对于厚度较大的层合板, 采用提高固化压力和双面吸胶两种工艺对比情况说明, 后者可以显著提高压实程度并得到相对均匀的树脂含量分布。      

模具对复合材料层合板固化成型影响的数值分析

针对复合材料层合结构与模具在固化工艺中的相互作用进行研究以提高制备精度。考虑摩擦力和粘结力在模具和制件接触界面间的共同作用,改进一种复合材料层合结构固化应变及应力情况的数值计算模型并与已有实验结果进行比较。引入弹簧单元建立固化工艺有限元模型,并对解析模型进行验证。最后通过解析模型对固化变形的影响因素进行探究。结果表明:所建立的解析预报模型具有较高的计算精度及一定的实用性;考虑模具作用的有限元模型可以更好地对层合板的变形趋势进行预报和分析。通过解析模型探究发现层合板长度、模具材料和表面情况均会对固化过程中的层间滑移产生影响,对工艺条件制定具有更好的指导意义。      

纤维增强复合材料层合板分层破坏的研究

本文对纤维增强复合材料层合板的分层破坏进行了大量的试验,同时用三维有限元进行应力分析。试验和分析结果表明此类层合板的分层总是发生在θ/90界面上,该界面上不仅层间剪应力大而且层间正应力也大。通过对不同θ/90界面的临界能量释放率的测定表明,对层合板不同的θ/90分层界面的G_ⅠC和G_ⅡC是随θ角的变化而变化。文中对一个Ⅰ型,Ⅱ型耦合型能量释放率分层判据的应用作了改进,试验结果表明此改进是有效的。     

对称层合板复合材料的屈曲变形解析

提出了如何利用2 元多项式位移函数来分析层合板复合材料的屈曲问题。在解析中同时 考虑到层合板的面外剪切变形。解析表明屈曲载荷在多项式项数大于20 以上时趋于稳定, 可得到 高精度的解。本文并对对称角铺设层合板进行了系统地数值解析, 明确了在各种边界拘束条件下 材料的工程弹性系数, 层合板长宽比, 铺层数, 层合角对屈曲载荷的影响, 从而以达到优化设计。同 时, 验证了本解析法对任意边界条件下的层合板的屈曲解析是非常有效的。      

基于一阶剪切变形理论的新型复合材料层合板单元

基于一阶剪切变形理论(FSDT),本文构造一种新型的20自由度(每结点5个自由度),四边形复合材料层合板单元,适合于任意铺设情形的层合板的计算。它是按如下方式构造的:(1) 单元每边的转角和剪应变由Timoshenko层合厚梁理论来确定;(2) 对单元域内的转角场和剪应变场进行合理的插值;(3) 引入平面内双线性位移场来体现层合板面内与弯曲的耦合作用。本文单元,记为TMQ20,不存在剪切闭锁现象,在计算单层的各向同性板时可以退化为文[1]中优质的中厚板单元TMQ。在文[2]中将给出本文单元对于层合板问题的详细数值算例。     

铺层角度偏差对曲面复合材料结构固化变形的影响分析

本文阐述了铺层角度偏差对某变厚度曲面结构复合材料固化变形的影响。对铺层角度偏差的来源进行了归纳,采用考虑热膨胀和固化收缩的固化变形计算模型,对该变厚度的复合材料曲面层合板结构的固化变形进行了计算,计算结果与试验结果较为吻合,表明了计算模型的准确性。采用均匀试验设计方法,得到了该曲面结构铺层角度偏差在5°以内变化时的实验方案,对实验设计的计算结果进行了回归分析,结果显示,对于该曲面复合材料结构,总体上铺层角度偏差对固化变形的影响不大,相对的,-45°的铺层偏差对固化变形的影响较大,90°的铺层偏差对固化变形的影响较小。     

热固性树脂基复合材料固化变形影响因素分析

采用整体-子模块化方法建立了描述复合材料固化全过程的三维有限元模型。以L 形层合板为例,分析了固化工艺、结构设计和模具等因素对固化变形的影响方式和程度。数值模拟结果表明：升温速率和对流换热系数通过改变峰值温度影响回弹角,固化压力通过改变树脂分布和含量影响回弹角;铺层方向引起的结构力学性能的变化是回弹角差异较大的主要原因,厚度对固化变形的影响需考虑其对峰值温度和结构刚度变化两方面因素的综合影响,拐角半径的变化对固化变形的影响较小;模具形式通过改变树脂分布梯度和模具对结构的作用力位置影响回弹角,模具材料和形式的选择对于固化变形控制具有重要意义。     

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。     

复合材料非对称正交薄层板的固化变形

利用Rayleigh-Ritz 法研究了复合材料非对称正交薄层板的固化变形。建立了考虑几何非线性的固化变形分析模型, 预报了其固化后的变形形状及变形量。利用热压釜工艺进行了实验研究。实验发现, 方板边缘发生了较大的向内卷曲变形, 板边缘附近理论预报值与实验结果差别较大, 在距板边缘一定距离内理论预报值和实验结果吻合较好, 矩形板实验结果与理论预报值吻合良好。      

GFRP厚板制件固化过程固化度分布

采用真空导入模塑工艺(VIMP) 制备了85 mm 厚玻璃纤维增强环氧树脂层合板, 单面刚性模具加热固化, 沿铺层厚度方向设置热电偶, 进行了实时固化温度监测, 发现固化时厚度方向存在明显的温度差异。通过DSC方法得到等温环氧树脂固化度-时间实验数据, 建立了基于自催化反应模型的等温固化反应动力学方程, 模型计算值和实验值符合良好; 提出了时间离散分步计算法, 对非等温固化条件下, 厚度方向的固化度分布进行了计算。结果表明: 固化过程中厚度方向固化度存在差异, 短时间的后固化可以消除此差异。该方法可以模拟出由温度差异导致的固化度的不均匀分布, 用于指导优化固化工艺。      

双稳定矩形非对称复合材料层板的跳变研究

对双稳定矩形非对称复合材料层合板两种稳定构型的跳变行为进行了实验和数值研究。通过实验测得中心加载下层合板两种稳定构型跳变的临界载荷, 建立了两种稳定构型的非线性有限元分析模型, 成功预报了层合板固化后的两种稳定构型, 并进一步预报了两种稳定构型的跳变临界载荷, 预报结果与实验结果吻合良好。实验和有限元模拟结果表明, 中心加载下矩形非对称层合板两种构型的临界载荷相差较大, 并且跳变的过程有所差异。      

复合材料T型整体化结构固化翘曲变形模拟

针对复合材料T型整体化结构固化成型的工艺过程,分析了结构经固化而导致翘曲变形的原因;建立了整体化结构翘曲变形预测的理论模型及分析方法; 运用有限单元法计算了T型结构件的内部温度和固化度的分布,以及由于内部化学反应放热、固化引起的体积收缩和材料各个方向热膨胀系数的不一致而导致的结构翘曲变形量,同时考虑了树脂在固化过程中材料参数随着固化度的变化而变化;并研究了翘曲变形与T型结构件尺寸之间的关系。研究表明,选择合适的角材高度、宽度以及倒角半径可以有效地降低结构的翘曲变形。     

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。     

热固性复合材料固化过程中温度场的三维有限元分析

根据热传导和固化动力学理论, 采用三维有限元方法, 对正交各向异性复合材料层合板固化过程的温度和固化度历程及其变化规律进行数值模拟研究。在有限元分析中节点自由度为温度和固化度, 考虑了两者之间的耦合作用。计算结果表明: 厚度越大, 温度峰值越高, 中心点开始固化越晚; 不同纤维体积含量层合板在固化初期是同步的; 中心点温度超过保温平台(85 ℃) 后, 随着环境温度继续升高, 纤维体积含量越低, 中心点温度峰值越大, 出现时间越早。      

非对称/非均衡复合材料层压板弯曲与扭转耦合变形试验方法

对几种铺层的非对称/非均衡层压板在纯弯载荷下的耦合变形进行了模拟分析, 并进行了板宽、 板厚等参数的影响分析, 在此基础上设计了一套四点弯曲柔性支持装置。采用该装置对两种铺层的非对称/非均衡层压板进行了柔性四点弯曲试验, 并与常规四点弯曲试验进行了对比。柔性四点弯曲装置对非对称/非均衡层压板施加弯曲载荷的同时没有限制试件的扭转变形, 而常规四点弯曲几乎完全限制了非对称/非均衡层压板的扭转变形。柔性四点弯曲加载装置基本上达到了设计要求, 可用于非对称/非均衡层压板弯-扭耦合系数的测试。      

面外波纹对复合材料层合板弹性性能的影响

基于经典层合板理论（CLT）,提出一个多参数解析模型,定量研究了面外波纹缺陷对含波纹缺陷的复合材料层合板弹性模量、剪切模量和泊松比等弹性性能的影响。 结果表明:面外波纹对主弹性模量、Z向弹性模量、X - Z平面剪切模量和面内泊松比都产生了显著影响;对于碳纤维/环氧树脂材料体系算例,在特定波纹比和波纹区域范围内,面内泊松比出现了负值。该建模方法为研究波纹缺陷对复合材料层合板弹性性能影响提供了参考。      

Hyperelastic finite deformation analysis with the unsymmetric finite element method containing homogeneous solutions of linear elasticity

A recent unsymmetric 4-node, 8-DOF plane finite element US-ATFQ4 is generalized to hyperelastic finite deformation analysis. Since the trial functions of US-ATFQ4 contain the homogenous closed analytical solutions of governing equations for linear elasticity, the key of the proposed strategy is how to deal with these linear analytical trial functions (ATFs) during the hyperelastic finite deformation analysis. Assuming that the ATFs can properly work in each increment, an algorithm for updating the deformation gradient interpolated by ATFs is designed. Furthermore, the update of the corresponding ATFs referred to current configuration is discussed with regard to the hyperelastic material model, and a specified model, neo-Hookean model, is employed to verify the present formulation of US-ATFQ4 for hyperelastic finite deformation analysis. Various examples show that the present formulation not only remain the high accuracy and mesh distortion tolerance in the geometrically nonlinear problems, but also possess excellent performance in the compressible or quasi-incompressible hyperelastic finite deformation problems where the strain is large.     

Influence of electrospun Nylon 6,6 nanofibrous mats on the interlaminar properties of Gr-epoxy composite laminates

The present work aims at investigating the influence of electrospun Nylon 6,6 nanofibrous mat to interlaminar strength. Mode I and the Mode II fracture mechanics of virgin and nanomodified laminates are investigated. Nanomodified laminates are fabricated by interleaving an electrospun nanofibrous mats in laminate mid-plane. Double Cantilever Beam (DCB) and End Notched Flexure (ENF) tests are performed on both virgin and nanomodified configuration. Results show that electrospun nanofibrous mat is able to increase by 23.2% the mechanical energy absorbing capability and by about 5% the G_IC. ENF tests reveal that the nanofibrous mats contribute to improve the maximum stress before the material crisis (6.5% of increment) and a measurable increment of (8.1%) the maximum mechanical energy that can be absorbed by the material during the crack propagation is registered. The acoustic emission (AE) technique is used to monitor both DCB and ENF tests. The AE information highlight that the nanofibrous mats mitigate the interlaminar matrix failure on both the fracture modes.