基于黏聚区模型的Z-pin增强复合材料T型接头分层损伤研究

复合材料T型接头Z-pin增强就是将直径非常细的金属或复合材料pin针植入筋条-蒙皮截面,通过Z-pin的桥接牵引提高接头力学性能。采用ABAQUS有限元软件分别建立了T型接头与Zpin增强T型接头的三维数值计算模型。基于黏聚区模型,采用新的简化后Z-pin桥接牵引关系模拟Z-pin增强作用过程。模拟了T型接头的拉伸失效模式,计算了其拉伸强度和总耗散能,对比分析了有无Z-pin增强2种接头的载荷-位移曲线和损伤耗散能-位移曲线。数值计算结果与文献中数据符合较好。结果表明:Z-pin增强T型接头的极限载荷与极限位移相比于无增强T型接头分别提高了66%和304%;2种接头的载荷-位移曲线斜率相同,初始损伤载荷一致;Z-pin增强T型接头在拉伸破坏过程中相比于无增强接头吸收能量多13.74倍。     

基于内聚力行为的复合材料L型胶接接头分层扩展研究

复合材料胶接接头是飞机结构中常用的典型结构之一,分层损伤是复合材料胶接结构最重要的损伤形式。以L型胶接接头为研究对象,开展静力和疲劳试验,分析其静力和疲劳分层的扩展规律与失效模式。基于内聚力本构关系,发展了复合材料静力和高周疲劳分层本构模型。采用有限元软件建立了复合材料L型胶接接头的静力和疲劳数值模型,对其应力分布、变形模式和分层扩展规律进行系统研究,数值结果和试验结果吻合良好。结合试验和数值计算方法,共同揭示L型胶接接头在静态和疲劳载荷作用下的分层起始、扩展和失效机理,为复合材料胶接结构的强度和疲劳寿命分析提供理论和工程指导。     

复杂载荷作用下的三维编织复合材料力学性能分析

基于螺旋型单胞几何模型和多相有限元理论,建立了三维四向编织复合材料在复杂载荷作用下的力学性能分析模型。通过对代表体积单胞施加不同的复杂载荷比,数值预报了三维四向编织复合材料在双向拉伸和拉剪载荷作用下的破坏点,得到了材料的破坏包络线。结果表明,编织角对三维四向编织复合材料在复杂载荷作用下的破坏影响较大,编织角比较小时,应重视复杂载荷之比对材料破坏的不利影响。此方法为三维编织复合材料在复杂载荷作用下的力学性能分析提供了有效方法。     

复合材料层合板斜切型挖补修理试验

为研究拉伸载荷作用下不同挖补角和附加层数对复合材料胶接挖补修理接头刚度、强度、失效模式及关键位置应变变化的影响,开展了复合材料层合板斜切型挖补修理接头拉伸试验.采用一种碳纤维织物增强树脂复合材料作为母板与补片材料,一种改性环氧树脂胶膜作为胶层材料,设计了斜切挖补角分别为1.8°、2.6°、3.5°、4.4°,附加一附加层或二附加层的斜切型挖补修理试验件.拉伸试验结果表明,在1.8°至4.4°挖补角范围内,所研究的接头刚度和强度随挖补角的增大而减小.附加层数的增加能够有效提升接头的刚度及强度.接头的失效可以概括为四种模式,与挖补角及附加层数目相关。接头关键位置点的纵向应变变化能够动态反映接头的失效过程.     

填充物对RTM复合材料T型接头拉伸性能影响

分别采用干态碳纤维单向机织物(以下简称单向机织物)和三维编织物作为三角区填充物,制备了RTM成型复合材料T型接头,进行了拉伸破坏对比试验。结果表明,填充物为单向机织物的T型接头拉伸初始破坏发生在三角填充区内部,而填充物为三维编织物的T型接头拉伸初始破坏发生在三角填充区与腹板的圆弧界面处,且后者的拉伸破坏载荷较前者提高了35.6%,但最大破坏载荷未有明显提高。     

搅拌摩擦点焊接头拉伸-剪切行为的等效建模

针对车身焊点最主要的拉伸-剪切载荷的仿真,提出了内聚力焊点模型(CZWM)的等效建模方法。通过单焊点接头的剪切和多角度拉伸对焊点的初始损伤和断裂能进行测定,建立接头的等效模型。该模型与单焊点接头的拉伸-剪切过程相吻合。同时,通过3种双焊点接头对CZWM的有效性进行了验证。结果表明:CZWM在拉伸-剪切失效载荷(TSFL)和失效位移(FD)的最大偏差分别为9.3%和7.1%;双焊点接头的焊点分布与外载荷方向平行时接头承载最强,垂直时承载最差,斜交居中。该模型为车身FSSW焊点力学行为的数值模拟提供了一种选择。     

复合材料天线罩螺栓连接结构损伤失效分析

针对复合材料天线罩螺栓连接结构的损伤失效问题,采用试验和渐近损伤分析方法对复合材料天线罩螺栓连接结构的损伤失效进行了研究,分析了螺栓连接结构在等效风载压力和拉力作用下的失效过程和失效强度,并对天线罩连接结构折角位置玻璃钢蒙皮的过渡方式对其力学性能的影响进行了分析。试验和数值研究结果表明,连接结构试件的初始破坏均表现为玻璃钢蒙皮与泡沫芯材间的层间开裂,初始开裂载荷为0.7倍左右的结构失效载荷,玻璃钢蒙皮采用隔层断开过渡的加工工艺可显著提高天线罩连接结构的强度,数值预测的结构失效强度与试验结果吻合较好。     

表面微沟槽对Al/CFRP胶结性能的影响

以光洁表面和带有沟槽形貌特征的Al/CFRP(碳纤维增强复合材料)单搭接头胶结强度为研究对象,建立了相关的数值模拟模型。对比分析了光洁表面与微沟槽表面对胶结强度的影响,且进一步探讨了不同深度微沟槽对胶结强度的影响。数值模拟结果表明:带有微沟槽表面的5052板材与CFRP的胶结强度优于光洁表面与CFRP的胶结强度;增加微沟槽的深度能提高胶结强度,且随着微沟槽深度的增大,胶结强度逐渐增大。最后进行了试验验证,结果与数值模拟结果一致,即随着沟槽深度的增大,胶结接头破坏载荷不断升高,然而随着沟槽深度的进一步增大,破坏载荷增大趋势放缓。     

开孔三维编织复合材料强度预测及应力分析

由缺陷引起的应力集中是复合材料结构件使用时需要考虑的工程问题。三维编织复合材料相对于传统复合材料具有优异的损伤容限性能。首先对含缺陷前后三维(3D)编织复合材料的拉伸性能进行试验研究,并通过FGM(fabric geometry model)对其他方向材料性能进行预测。然后基于Abaqus有限元对开孔后孔周边应力分布进行分析,并和Lekhnitskii理论进行了对比,同时对沿孔垂直于在载荷方向应力分布进行了观察。分别基于传统平均应力准则和点应力准则以及基于不同失效准则的渐进失效理论对含开孔三维编织复合材料强度进行预测,并与试验结果进行了对比。结果表明,点应力准则可以很好的预测3D编织复合材料含缺陷拉伸强度,而渐进失效分析可以模拟拉伸过程中的损伤起始,损伤扩展和最终破坏模式。     

含孔边套筒的厚截面复合材料接头耳片强度分析

为研究含孔边防护套筒的厚截面复合材料层合板耳片连接件孔边层间应力分布规律及接头强度,提出了采用层合板子层和界面胶层相结合的有限元建模方法,在验证了建模方法对厚截面层合板应力求解的有效性的基础上,分析了承受轴向载荷的厚层合板耳片连接件孔边三维应力分布及接头失效情况。结果表明:套筒胶层的破坏应力和破坏位置主要集中在孔轴非接触区;当套筒胶层发生断裂时,厚截面层合板并未发生失效,限制了厚板接头耳片整体强度性能的提高。     

RTM工艺制备碳纤维复合材料的力学性能

本文选用树脂传递模塑成型(RTM)工艺制备(3K-T300,3312)碳纤维/环氧树脂复合材料,分别采用拉伸实验和弯曲实验研究复合材料的力学性能;并对样件的拉伸断口进行SEM观察,分析其失效形式。结果表明:碳纤维/环氧树脂复合材料的拉伸强度和弯曲强度分别为459.17MPa和576.82MPa;断口微观形貌表明环氧树脂充分浸润到碳纤维编织布层状界面和丝束之间的界面中,断口中碳纤维和环氧树脂脆性断裂以及碳纤维与环氧树脂界面裂纹萌生扩展并断裂是试样失效的机制,说明RTM具有较好的工艺应用性。     

复合材料加筋板极限承载能力分析

加筋板在出现屈曲之后并未完全失效,仍然具有较高的承载能力。本研究利用ABAQUS软件建立由shell-solid单元组合的复合材料加筋板极限承载能力分析模型。复合材料层合板和界面材料的破坏通过子程序判断,子程序中编写了Hashin和Quads失效判据,并引入材料刚度退化准则。通过有限元模拟方法分析复合材料加筋板在轴向压缩载荷下的极限承载能力,并详细给出3种失效模式的破坏过程,仿真结果与试验结果相比误差较小,说明所建立模型及USDFLD程序是正确的。     

FRP增强混凝土缺口梁破坏模式的数值模拟

为了探讨纤维增强复合材料(FRP)加固混凝土缺口梁的缺口高度(a0)和FRP片材长度(Lz)对破坏模式及其极限承载力的影响,对缺口梁在集中载荷作用下的内部裂纹扩展、破坏模式及极限承载力进行了数值模拟,并从极限承载力和声发射信号方面入手探讨了FRP片材对混凝土梁的加固机理.数值模拟给出了载荷-位移曲线、声发射-位移曲线和...     

各向异性导电胶膜损伤破坏试验与数值分析

各向异性导电胶膜粘接结构是微电子封装中广泛应用连接形式.粘接结构在外载荷的作用下,粘接界面容易出现损伤与破坏从而使得结构失效.运用内聚力模型(cohesive zone model))用有限元方法模拟了各向异性导电胶膜粘接结构在剥离测试中的粘接界面损伤与破坏的过程.通过与相应的试验数据比较,验证了内聚力模型对于导电胶膜粘接界面损伤破坏数值模拟的可行性.模拟计算分析了粘接界面损伤破坏与界面张开位移的关系,计算结果表明,粘接界面在剥离力的作用下,出现损伤后将很快达到破坏进而引起粘接界面的失效.     

基于连续介质损伤模型的复合材料连接件失效分析

对4种不同铺层顺序的复合材料销钉连接件进行了挤压试验,得到复合材料销钉连接件的挤压强度和弦向挤压刚度,分析了载荷方向偏角对失效模式、挤压强度和弦向挤压刚度的影响规律。基于连续介质损伤力学理论,建立了复合材料销钉连接件在挤压载荷下的三维非线性数值模型,其中,采用最大应变准则预测纤维损伤的萌生,损伤演化规律则采用双线性损伤本构关系。基于物理失效机制的Puck准则对基体损伤的起始进行判定,根据断裂面内的等效应变表征基体损伤的扩展。该模型还考虑了剪切非线性和就地强度效应对挤压强度和损伤扩展的影响。基于此模型分析了销钉连接件在挤压载荷下的失效模式、挤压强度和弦向挤压刚度。试验结果和计算结果较好吻合,验证了模型的准确性和适用性。     

界面弹性模量对纤维增强复合材料力学性能的影响

研究界面弹性模量对纤维增强脆性基复合材料宏观力学特性和失效破坏机理的影响.从细观角度考虑材料介质力学参数的非均匀分布,对具有不同弹性模量界面的纤维增强复合材料的损伤破坏过程进行了数值模拟.结果表明,柔性界面可显著提高复合材料的宏观韧性;刚性界面不能有效改善材料的脆性.可观察到考虑柔性界面时的界面脱粘、裂纹偏折、纤维桥联和拔出等现象,而刚性界面复合材料的破坏路径表现出完全不同的特性,同时得到相应的声发射模拟结果.     

混凝土四相复合模型的三维细观破坏模拟

考虑到混凝土内部细微裂隙的存在对混凝土强度和变形的重要影响,提出将混凝土视为砂浆、骨料、界面和随机缺陷组成的四相复合材料模型。混凝土细观单元服从应变空间内增量形式的弹塑性损伤本构,采用破坏单元网格消去法模拟混凝土裂纹扩展,数值模拟了三维混凝土单轴压缩和不同均质度试样的单轴拉伸弹塑性损伤破坏过程。结果表明：文中建立的混凝土四相复合材料模型中增加随机缺陷的模拟,一定程度上符合混凝土成形实际情况;随机缺陷的体积百分比是决定弱化混凝土宏观强度程度的主要因素;均质度低的单轴拉伸试样裂纹咬合明显,均质度高的试样断裂更清晰,数值模拟结果与试验结果较吻合。     

双主密封特殊螺纹油管接头密封性能研究

针对超深油气井中对密封性能的严格要求,基于特殊螺纹密封机理,设计一种由锥面对锥面和柱面对球面组成的双主密封特殊螺纹接头结构。采用数值模拟方法分析接头在拉伸、压缩、拉伸和内压、拉伸和内外压4种工况下,双主密封面接触应力、接触长度的变化情况,并对螺纹接头在极限载荷下的密封性能进行研究,得到接头密封能力随不同载荷的变化规律。最后对接头试样进行全尺寸试验,结果表明该双主密封特殊螺纹接头的密封性能满足使用要求。     

翼缘削弱型钢筋混凝土框架梁柱节点受力性能试验

目的试验研究翼缘削弱型钢筋混凝土框架梁柱节点的受力性能,考查翼缘削弱程度以及削弱方式对其受力性能影响.方法在钢筋混凝土梁端翼缘内预埋刚度调节盒,使得梁端塑性铰外移,通过制造6个翼缘削弱型钢筋混凝土框架梁柱节点模型试件,并对试件进行拟静力试验,研究该类型节点的破坏机理;通过改变梁端翼缘内预埋刚度调节盒的数量和方式等参数,考察该类型节点破坏的主要影响因素.结果梁翼缘预埋刚度调节盒对框架梁刚度的调节明显;梁端塑性铰出现在刚度调节盒所处位置,可实现塑性铰外移;试验测得节点的位移延性系数均不小于5.3,抗震性能较好.结论翼缘削弱型钢筋混凝土框架梁柱节点可明显改善普通梁柱节点的抗震性能,通过在梁柱节点翼缘处设置适当数量的刚度调节盒,可更易实现"强柱弱梁"的抗震设防目标.     

硅酸铝短纤维／铝合金复合材料的断口分析

利用ＳＥＭ观察了硅酸铝短纤维／铝合金复合材料的拉伸断口,发现陶瓷增强相主要有三种破坏形式;当纤维沿拉伸方向的有较长径比超过临界值时纤维以断裂破坏为主;（近似）垂直于拉抻载荷的纤维因承受横向拉伸导致界面或纤维开裂而发生脱附;机械损伤及不均匀热收缩在陶瓷颗粒内产生的应力导致大颗粒发生开裂。纤维断裂能效提高复合材料的强度;纤维脱附及颗粒开裂对材料的强度没有贡献。