基于内聚单元的复合材料层合板低速冲击损伤的数值模拟

建立了一套有限元模型来预测复合材料正交层合板由低速冲击载荷引起的层间应力及损伤。采用连续壳单元模拟层合板的各个单层,在复合材料层合板的可能损伤区域设置内聚单元模拟面内基体裂纹和层间分层损伤的起始和扩展。引入层间摩擦力模型模拟层间压缩应力对分层损伤的抑制作用。对于正交层合板,有限元模型准确的模拟了低速冲击载荷引起的分层损伤的面积和形状。数值模拟结果也表明面内基体裂纹与层间分层存在着相互作用关系,基体裂纹影响着分层损伤预测的准确性。有限元模拟结果和试验结果的对比表明,基于内聚单元的有限元模型可以用在复合材料正交层合板低速冲击损伤的数值模拟中。     

疲劳载荷下复合材料分层损伤扩展的数值模拟方法

为了研究复合材料层合结构在疲劳载荷下的分层扩展行为,开发了复合材料层间疲劳损伤数值计算模型。定义层间材料模型包括层间材料本构关系、损伤判据以及疲劳损伤演化法则。疲劳损伤通过定义内聚力单元损伤变量的演化规律来表示。通过有限元商用软件,考虑到疲劳问题的特点,运用加速算法和疲劳载荷等效原理,并结合自定义材料子程序实现了疲劳损伤的模拟。最后,运用该模型模拟了层状复合材料双悬臂梁的疲劳分层扩展,并将数值模拟结果与实验数据对比,表明该模型在模拟层间裂纹的形成和扩展的有效性。     

缝合复材层板损伤后压缩强度的数值计算方法

缝合复合材料在复合材料的厚度方向加入了缝线,不仅提高了层板的层间强度,抑制了分层的扩展,而且提高了受冲击后的压缩强度。采用开口等效法来模拟层板的初始损伤,用三维实体单元模拟层板,空间三维杆单元模拟缝线的增强作用,采用三维Hashin判据作为压缩时层板渐近损伤的失效判据,模拟缝合复合材料层板受冲击损伤后的压缩过程;得到层板的剩余压缩强度,与试验结果吻合较好。     

含分层复合材料层合板剪切稳定性数值模拟研究

对含单一分层的复合材料层合板在纯剪切情况下的稳定性进行了数值模拟研究,分析了分层损伤对于层合板稳定性的影响,并引入内聚力模型(Cohesive Zone Model,CZM),进一步分析了层合板后屈曲过程中的分层扩展行为。通过对不同尺寸的分层损伤的模拟分析,发现层合板的屈曲模式和屈曲临界载荷与分层直径密切相关。随着初始分层损伤区直径的增大,层合板屈曲临界载荷随之减小,且层合板屈曲模式由整体屈曲转变为混合屈曲模式。另外,在初始分层区直径达到一定大小后,层合板在后屈曲过程中会发生分层扩展破坏。     

复合材料层合板低速冲击后压缩破坏的数值模拟

采用软化夹杂法来模拟低速冲击后层合板的压缩破坏。笔者用ABAQUS软件建立冲击损伤的有限元模型,模型将损伤区等效成一个圆形的软化夹杂,研究了不同的损伤深度对冲击后剩余压缩强度的影响;分析了层合板在压缩过程中,各单层的载荷分配情况;并且模拟了复合材料层合板从损伤开始到完全失去承载能力的压缩破坏全过程。计算结果表明:复合材料层合板冲击后的压缩破坏,损伤最早发生在冲击损伤区周围的±45°铺层,主要发生基体压缩损伤;在压缩载荷下,0°铺层主要的损伤形式是纤维的屈曲;90°铺层发生的主要损伤形式也是基体压缩损伤,但损伤的面积较小。     

层合板低速冲击损伤的数值模拟

为了分析复合材料层合板在冲击载荷作用下,层合板的损伤演化发展情况,结合采用单元失效技术和铺层刚度退化技术建立层合板低速冲击的三维有限元分析模型。在该模型中,当有限元模型中的单元发生某种冲击失效形式时,定义该单元发生部分失效,并将其刚度适当的退化。计算发现冲击背面容易产生基体开裂,并由此导致分层发生,而且靠近冲击背面的界面所产生的分层面积要较靠近冲击正面的界面的分层面积要大;随着冲击能量的增大,分层面积也增大;当冲击能量很高时,铺层内会出现纤维断裂,同时在层合板的边界处也容易出现损伤,计算结果和试验结果吻合。     

碳纤维复合材料低速冲击特性及损伤分析研究

针对碳纤维复合材料汽车保险杠的低速耐冲击性能问题,利用真空辅助树脂扩散成型工艺制备了不同铺层比例与铺层顺序的碳纤维复合材料试样,对其进行了简支梁低速冲击性能试验,根据低速冲击响应特性曲线及损伤模式探究了复合材料能量吸收机理;同时基于ABAQUS/Explicit对典型铺层试样建立了简支梁冲击仿真模型,利用Hashin失效准则进行失效判断,研究了低速冲击响应应力变化及损伤过程并将模拟结果与实验值进行了比较。研究结果表明:碳纤维复合材料简支梁低速冲击主要损伤模式为纤维断裂,通过增加(0,90)铺层能够提高接触力载荷与冲击韧性强度,通过在试样冲击表面铺设(±45)铺层能够缓解结构剧烈破坏。峰值载荷误差为5.1%,峰值位移误差为3.2%,证明了模型的有效性,为碳纤维复合材料保险杠提供了设计基础。     

碳纤维复合材料单向板钻孔分层损伤的数值模拟

基于三维Hashin失效准则,以及双线性Cohesive损伤模型中的二次名义应力准则和BK失效准则,采用ABAQUS/Explicit模块中的VUMAT子程序对碳纤维复合材料单向板钻孔过程中的分层损伤进行模拟,并通过钻孔后的超声C扫结果对模拟结果进行了验证;研究了麻花钻的半径和顶角对分层损伤的影响。结果表明:试验得到钻孔后单向板损伤区域的最大破坏直径为25.6mm,分层因子为2.56,有限元模拟得到的最大破坏直径为25mm,层因子为2.50,试验结果与模拟结果的相对误差仅为2.4%,证明了有限元模型的准确性;与上表面铺层界面和中间界面相比,单向板下表面铺层界面的分层因子最大,分层损伤最严重;分层因子随麻花钻的直径和顶角的增大而增大,分层损伤程度也增大。     

碳纤维复合材料层合板三点弯曲损伤仿真研究

研究碳纤维复合材料在弯曲载荷作用下的失效形式与损伤过程,以预测材料抗外力损伤性能,指导碳纤维复合材料车身结构设计。进行碳纤维复合材料性能试验和三点弯曲试验,获得材料力学性能参数。建立基于Tiebreak算法的碳纤维复合材料层合板三点弯曲有限元模型,与试验对比验证模型的有效性。研究单元划分方式和Tiebreak接触层设置方式对仿真结果的影响规律,实现碳纤维复合材料分层破坏和纤维断裂的复杂失效及弯曲大变形损伤过程模拟。研究结果表明,计算精度与Tiebreak接触层设置相关,层合板弯曲变形的层间裂纹和层内裂纹扩展速度不同且相互影响。     

碳纤维复合材料钻孔工艺与分层损伤研究

针对复合材料层合板层间剪切强度低,钻孔过程中轴向力较大,钻入口纤维层和钻出口纤维层处容易出现分层的问题,采用ABAQUS有限元分析软件,基于Hashin失效准则,以及双线性Cohesive损伤模型中的BK失效准则,对CFRP层合板的分层损伤进行模拟,研究钻头转速及进给量对分层损伤的影响。结果表明：钻削时进给量越大、转速越大,轴向力、扭矩和分层因子越大,分层损伤越严重。     

利用超声成像分析不同复合材料层压结构冲击损伤行为

复合材料各向异性和吸能的特点,在受到外来冲击作用时容易产生损伤,呈现表里迥然不同的损伤行为和分布规律。为研究不同复合材料层压结构的冲击损伤行为,设计制备树脂传递模型工艺(Resin transfer molding, RTM)缝合和预浸料复合材料层压结构两种不同成型工艺的试样,通过冲击试验模拟复合材料在外力作用下产生的冲击损伤,采用超声反射法,通过点聚焦换能器对试样进行超声B扫描成像,揭示两种复合材料层压结构试样内部断面损伤行为及其扩展规律。试验结果表明,冲击引起的试样内部损伤比表面损伤要大得多;随着冲击能量在试样内部传递,会在不同深度铺层产生新的损伤,而且损伤分布并不仅沿层间界面扩展;冲击点附近和远离冲击点附近的内部损伤具有明显不同的分布规律;RTM缝编与预浸料复合材料结构呈现明显不同的损伤行为,其中RTM缝合复合材料结构中的纵向缝线,对冲击损伤在试样内部沿层间的扩展有显然的阻止作用。研究结果对更好地理解复合材料的损伤行为、寻找新的改进复合材料层压结构损伤行为的机制有非常重要的指导意义和帮助。     

基于PWAS的层合板导波传播特性和损伤响应FEM分析及试验验证

导波无损检测（Non-Destructive Testing, NDT）技术由于适用范围广、检测速度快等优势,已成为结构安全性检测的重要技术手段之一。不过,导波在各向异性介质中的传播表现为频散特性与波传播方向的关联性、多模态特性与各向异性的相互作用以及不同模态与损伤的相互作用。导波在复合材料无损检测应用中的复杂性对检测技术和检测方法提出了更高的要求,所以对碳纤维复合材料层合板中的导波传播特性和损伤响应进行分析具有十分重要的意义。文中采用理论分析、仿真和试验相结合的方法,对不同碳纤维增强聚合物基（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）层合板中的导波传播特性和各模态波与损伤的相互作用进行了分析。首先根据群速度、波长等参数建立有限元模型,并在边界设置阻尼递增吸收区域来弱化边界反射波的干扰;然后分析基于压电晶片有源传感器（Piezoelectric Wafer active Sensors, PWAS）的不同层合板中导波传播差异,之后在结构中引入损伤来分析不同模态波与不同损伤的相互作用;最后通过试验分析和验证有限元仿真的准确性。     

Elasto-plastic damage model considering cohesive matrix interface layers for composite laminates

A three-dimensional (3D) Finite element (FE)-based progressive damage model, which considers the interface matrix layer between two neighboring laminae as a layer of cohesive elements, is proposed to analyze laminated composite plates. An elasto-plastic damage model is integrated with the FE-based program ABAQUS that uses user-defined material subroutine. The present damage model includes fiber failure, matrix failure, and delamination effects. A cohesive zone model, which is available in ABAQUS and uses cohesive elements, is combined with the proposed model to address the delamination damage in the interface layers. 3D solid brick elements are used to model composite layers, and cohesive zone elements are used in between two composite layers to model the adhesive layers. The proposed model has been applied for the progressive damage simulation of AS4/PEEK composite laminates under in-plane and uniaxial tensile loading.     

不同铺层转角T700/E44 复合材料拉伸强度有限元分析

碳纤维复合材料的失效行为与复合材料内部的应力状态有关,不同铺层转角的单向碳纤维复合材料层合板的性能具有明显差异。文中利用HyperWorks 商用有限元软件建立了T700/E44 复合材料层合板拉伸模型,基于Chang-Chang 复合材料失效模型对不同铺层转角复合材料层合板的 X 向及 Y 向拉伸性能进行了数值模拟分析。研究结果表明,复合材料层合板以45° 铺层转角对称结构层合时,复合材料有着最佳的综合拉伸性能。这对高性能雷达中复合材料部件的铺层结构设计具有重要的指导意义。     

基于HyperWorks 的不同铺层方式复合材料剪切强度有限元分析

剪切强度和剪切韧性是反映复合材料构件在复合受力状态下承载能力及耗能能力的重要指标,不同铺层方式的单向玻璃纤维与短切玻璃纤维混杂增强复合材料层合板的层间剪切性能有明显差异。文中基于HyperWorks 商用有限元软件建立了精确的复合材料层合板模型,通过数值模拟分析不同铺层方式复合材料层合板的层间剪切性能。研究结果表明,铺层材料对复合材料层合板的层间剪切性能影响较大,而铺层顺序对复合材料层合板的层间剪切性能影响较小。     

Drilling-induced damage in uni-directional glass fiber reinforced plastic (UD-GFRP) composite laminates

Uni-directional glass fiber reinforced plastic (UD-FRP) composite materials are a feasible alternative to structural members that bear loads in only one direction. FRP composite materials have excellent properties in the direction of the fibers. Drilling- induced damage acts as an inhibitor to their application, as the holes act as stress concentration sites for failure under loading. The present study is an attempt to study the influence of drilling-induced damage on the residual tensile strength of uni-directional composite laminates and to propose a mathematical model correlating the residual strength with the drilling parameters. A finite element model (FEM) is also developed to study the drilling-induced damage in composite laminates.     

复合材料层合板冲击损伤影响因素分析

应用三维逐渐累积损伤理论和有限元分析技术对复合材料层合板的低能冲击过程进行了详细分析,研究了不同材料的冲头、不同复合材料体系和不同铺层方式对复合材料层合板冲击损伤的影响规律。研究结果可为更有效地进行复合材料抗冲击结构设计提供一定的指导。     

A study on low-velocity impact damage of Z-pin reinforced laminates

Based on a low-velocity impact test, four main modes of low-velocity impact damage, including matrix cracking, delaminating, fiber failure and matrix crushing, are taken into account. By using the proper failure criterion, the lowvelocity impact damage of z-pin reinforced laminates can be realized. The results of FEM simulation, which indicate that a z-pin makes the area of delamination reduced by approximately 50%, are in good agreement with the experimental C-scan results.     

Experimental characterization and finite element modeling of critical thrust force in cfrp drilling

Composite laminates are used in many applications in ae-rospace/defense industries due to their high strength-to-weight ratio and corrosion resistance properties. In general, composite materials are hard-to-machine materials which exhibit low drilling efficiency and drilling-induced delamination damage at exit. Hence, it is important to understand the drilling processes for composite materials. This article presents a comprehensive study involving experimental characterization of drilling process to understand the cutting mechanism and relative effect of cutting parameters on delamination during drilling of carbon fiber reinforced plastic (CFRP). Thrust force and torque data are acquired for analyzing the cutting mechanism, initiation and propagation of delamination, and identification of critical thrust force below which no damage occurs. An FE model for prediction of critical thrust force has been developed and validated with experimental results. A [0/90] composite laminate is modeled simulating the last two plies in exit condition and a thin interface layer is inserted in between the plies to capture delamination extent. The tool geometry is modeled as “rigid body” with geometric features of twist drill used in experiments. The tool is indented on the workpiece to simulated tool feeding action into the workpiece. The FE model predicts the critical thrust force within 5% of the experimentally determined mean value.     

基于三维CDM的复合材料开口层合板失效分析

建立了复合材料层合板三维连续介质损伤力学模型,并将该模型应用于复合材料开口层合板的损伤破坏分析中。与相关试验中开口层合板强度和损伤破坏情况对比分析表明:本文模型能够有效地模拟开口层合板从初始损伤到完全破坏的全过程,具有较高的计算精度和良好的数值模拟收敛性。基于该模型,详细分析了在单向拉伸载荷作用下开口层合板不同铺层的损伤破坏情况。