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。     

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。     

复合材料低速冲击损伤研究及等效模型的应用

复合材料低速冲击损伤的特殊性及危害性使得对航空复合材料冲击损伤的评估尤为重要。该文通过建立数值计算模型并结合实验数据解决了4个方面的应用问题:1)在ABAQUS子程序VUMAT中引入损伤模式及损伤演化,结合层间连接单元对层合板低速冲击损伤进行了模拟;2)损伤容限设计方法要求对含缺陷结构的极限强度做出正确的评估,通过ABAQUS子程序USDFLD引入损伤模式及材料折减方案,得到了含圆孔的层合板极限拉压强度;3)通过ABAQUS子程序UMAT引入损伤模式及刚度折减方案,结合层间连接单元,模拟了含预制分层的层合板压缩失效问题;4)针对共用铺层结构的工程有限元计算问题,提出了力学等效模型,将该模型应用到结构级的静力实验模拟并拓展至结构冲击模拟。     

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。      

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。      

基于连续介质损伤力学的复合材料层合板低速冲击损伤模型

基于连续介质损伤力学（CDM）方法,建立了分析复合材料层合板低速冲击问题的三维数值模型。该模型考虑了层内损伤（纤维和基体损伤）、层间分层损伤和剪切非线性行为,采用最大应变失效准则预测纤维损伤的萌生,双线性损伤本构模型表征纤维损伤演化,基于物理失效机制的三维Puck准则判断基体损伤的起始,根据断裂面内等效应变建立混合模式下基体损伤扩展准则。横向基体拉伸强度和面内剪切强度采用基于断裂力学假设的就地强度（in-situ strength）。纤维和基体损伤本构关系中引入单元特征长度,有效降低模型对网格密度的依赖性。层间分层损伤情况由内聚力单元（cohesive element）预测,以二次应力准则为分层损伤的起始准则,B-K准则表征分层损伤演化。分别通过数值分析方法和试验研究方法对复合材料典型铺层层合板四级能量低速冲击下的冲击损伤和冲击响应规律进行分析,数值计算和试验测量的接触力-时间曲线、分层损伤的形状和面积较好吻合,表明该模型能够准确地预测层合板低速冲击损伤和冲击响应。     

T300/QY8911层合板低速冲击试验及有限元模拟

对T300/QY8911复合材料层合板进行了低速冲击试验研究及数值仿真模拟。通过自由落体装置对层板进行冲击,并使用超声C扫描技术检测了层板冲击后的损伤状态,获得了不同能量下层板内部的损伤面积。建立了用于预测复合材料层合板在低速冲击作用下损伤演化的3D有限元模型,模型包含了用于模拟分层损伤的界面元和用于模拟纤维断裂、纤维挤压、基体开裂、基体挤裂等面内损伤形式的3D实体单元。该模型考虑了面内基体损伤对层间强度的影响。本文中的数值仿真结果和试验结果的对比验证了模型的合理性和有效性,文中还分析了影响低速冲击后层板内部分层面积的主要因素。     

低速冲击作用下碳纤维复合材料铺层板的损伤分析

建立了一个有效计算模型, 以分析碳纤维复合材料层合板在低速冲击作用下的层内和层间失效行为。针对铺层板的层内损伤, 在基于应变描述的Hashin 失效准则的基础上, 建立了单层板的逐渐累积损伤分析模型;针对铺层板的脱层损伤, 建立了各向同性脱层损伤模型, 通过结合传统的应力失效准则和断裂力学中的能量释放率准则定义了界面损伤演化规律, 并在潜在产生脱层的区域模拟为粘结接触, 并将脱层损伤模型作为界面的接触行为。该计算模型通过商用有限元软件ABAQUS/ Explicit 的用户子程序实现。使用该计算模型对碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板在横向低速冲击作用下的损伤和变形行为进行预测分析。数值仿真的结果与试验结果进行了比较, 取得了满意的结果, 验证了该模型的正确性。      

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。      

铺设角度与铺层顺序对层合板稳定性的影响

以层合板结构的临界屈曲载荷系数最大化为优化目标,基于改进型模拟退火算法对层合板结构铺设角度和铺层顺序进行优化。由于层合板结构的铺层角度是离散变量,模拟退火算法适合求解离散变量的优化问题。利用模拟退火算法优化层合板铺层,在算法内采用并行计算、引入记忆功能同时设置双阈值终止准则,有效地提高了优化过程的收敛速度,同时避免优化过程中出现局部最优解。以临界屈曲载荷系数作为目标函数,选取复合材料层合板的铺设角度顺序为设计变量,采用改进的模拟退火算法得出复合材料层合板的最优铺设角度以及铺层顺序。     

Macroscale assessment of low-velocity impact on hybrid composite laminates

Composites are usually brittle materials and have low impact properties. Structural dimensions, stacking sequence, ply materials, ply thicknesses and ply angles are standard variables that influence composite‘s performance against impact loads. Stacking sequence in hybrid laminates affects the failure and impact resistance. Failure mechanisms at the low-velocity impact of a rigid object in hybrid laminates are complex, and the subsurface damage in a composite laminate cannot be detected directly. However, various simulation platforms make it easy to see the impact damage between the plies of laminate. This paper numerically investigated the effect of stack sequence and hybridization of two fiber types against low-velocity impact. The current study adopted four-layer composite laminates of carbon and glass fiber layers with a stacking plan [C/C/C/C], [C/G/C/G] and [G/C/G/C], having lay-up angles as [0°/45°/−45°/90°]. Keeping the impactor mass and the incident velocity constant, the laminates were subjected to low-velocity impact. The damage contours for a failure mode were recorded and compared at the ply level. The numerical study resulted in impact imitations showing comparisons of the damage contours using Hashin failure criteria. Hybrid laminates display better performance in absorbing impact energies; however, hybrid laminates experienced more subsurface damage due to more impact energy absorption.     

Effects of shape memory alloys on low velocity impact characteristics of composite plate

The effects of shape memory alloy thin films embedded in composite plates for improving damage resistance of composite structures under low velocity impact were investigated numerically. Analysis model for SMA thin film was developed based on Lagoudas’ model and implemented using the user defined material subroutine of the ABAQUS/Explicit finite element program. Composite damage model based on the Chang–Chang failure criteria was also implemented to consider progressive damage behavior. The finite element simulation of low velocity impact behavior of a shape memory alloy hybrid composite plate was performed using the ABAQUS/Explicit program. Parametric studies were performed to investigate the effect of shape memory alloys for improving damage resistance of composite plate.     

复合材料层合板稳定性的铺层优化设计

提出采用神经网络和遗传算法来优化设计复合材料层合板,建立了满足铺层结构稳定性的优化铺层体系,优化体系分两步进行优化,第一步,当给出总的铺层数时,由已建立的神经网络模型确定规定角度下的铺层数,确立基本的铺层结构,第二步,采用遗传算法优化这种铺层结构下的铺层顺序,最终在同样重量下获得了最佳的结构铺层.     

基于实体-壳耦合模型的复合材料层压板冲击损伤阻抗优化

为优化复合材料层压板的冲击损伤阻抗, 提出了基于实体-壳耦合模型的优化方法。模型以实体单元模拟冲击点区域, 以壳单元模拟周围区域, 采用耦合约束连接实体与壳, 引用渐进损伤材料本构, 提出了冲击下与纤维方向种数相关的损伤变量, 优化过程利用遗传算法。通过算例对冲击阻抗的优化方法进行了验证, 并对复合材料盒段壁板进行了铺层优化。结果表明: 基于实体-壳耦合模型的遗传优化方法, 计算效率高, 收敛速度快, 提高了层压板的抗冲击性能。     

Experimental study of low-velocity impacts on glass-epoxy laminated composite plates

In this investigation, glass-epoxy laminated plates were subjected to crush experimental tests in a SHIMATSU universal traction machine and low-velocity crash impact tests in a drop test IMATEK machine. The results are shown and the dimensions of the damage are evaluated. The characterization of the damage is done in relation to the type of test, the ply stacking sequence, the plate dimensions and the maximum force achieved in the impact. In order to verify if low-velocity impacts can be modelled by crush tests on laminated composites, the results are compared and several relevant ideas are developed.     

Multiobjective stacking sequence optimization for laminated composite structures

A Pareto-based multiobjective evolutionary algorithm is presented for stacking sequence optimization of composite structural parts. Special attention has been paid to engineering design guidelines for stacking sequence design. These guidelines are included into the formulation of the optimization problem as constraints or additional objectives. A new initialization strategy is proposed following mechanical considerations. The method is applied to the optimal design of a composite plate for weight minimization and maximization of the buckling margins under three hundred load cases that make also the originality of this work. It is shown that the introduction of new ply orientations compared to the classical 0°, ±45° and 90° plies can lead to significantly improved optimal designs.     

Determination of Fracture Parameters for Multiple Cracks of Laminated Composite Finite Plate

A predictive method for estimation of stress state at zone of crack tip and assessment of remaining component lifetime depend on the stress intensity factor (SIF). This paper discusses the numerical approach for prediction of first ply failure load (F_L), progressive failure load, SIF and critical SIF for multiple cracks configurations of laminated composite finite plate using finite element method (FEM). The Hashin and Chang failure criterion are incorporated in ABAQUS using subroutine approach user defined field variables (USDFLD) for prediction of progressive fracture response of laminated composite finite plate, which is not directly available in the software. A tensile experiment on laminated composite finite plate with stress concentration is performed to validate the numerically predicted subroutine results, shows excellent agreement. The typical results are presented to examine effect of changing the crack tip distance (S), crack offset distance (H), and stacking fiber angle (θ) on F_L, and SIF .     

纤维增强复合材料层板高速冲击损伤数值模拟

推导了复合材料应变率相关三维本构关系, 并将其用于复合材料层板高速冲击损伤的数值模拟。该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层, 结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别, 引入材料刚度退化, 采用非线性有限元方法, 研究了复合材料层板高速冲击的破坏过程及层板的损伤特性。数值分析结果表明, 剩余速度预报结果与实验结果吻合较好, 层板的主要损伤形式是层间分层、 基体微裂纹和纤维断裂, 减小弹体直径、 增大铺层角度和层板厚度能够有效降低层板损伤面积。