基于Zinoviev理论的含孔复合材料层合板三维有限元渐进失效分析

建立了含孔复合材料层合板的三维有限元模型,以二维Zinovie理论为基础,结合改进的三维Hashin准则,对二维Zinoviev理论进行了简化和拓展,提出了适用于三维模型的刚度退化方案,完成了对层合板的渐进失效分析。从纤维失效、基体失效、分层失效三个方面讨论了层合板在拉伸载荷作用下的失效过程,并预测了层合板的拉伸极限强度及破坏模式。数值模拟结果与试验基本吻合,验证了所提出退化模型的正确性。     

基于ANSYS的复合材料层合板的拉伸失效模拟

基于ANSYS的APDL语言开发复合材料层合板的拉伸失效模块,实现有限元分析的参数化建模和累积失效分析.采用Solid64宴体单元建立复合材料层合板的三维模型,依据改进的三维Haisin失效准则对结构单元进行失效判断,并对失效单元进行刚度退化.当失效单元贯穿所有单层时,复合材料层合板结构彻底失效.通过对铺层方式为[0/45/-45/90]s复合材料层合板结构拉伸模拟,探讨其拉伸破坏形式,得到层合结构的最终拉伸强度,并把其拉伸强度与文献实验结果进行对比,得到的结果与实验一致.该方法简便直观,便于工程运用.     

对在层合板最大强度计算中刚度退化的探讨

本文讨论了纤维增强复合材料层合板在发生有铺层失效后的刚度变化情况,引入了刚度退化系数的概念,并将由此计算得到的层合板在发生有铺层失效后的刚度和强度与实验值作了比较。实验发现,用刚度退化系数来研究复合材料层合板在有铺层失效后的刚度变化情况是可行的。     

含预置分层复合材料层合板低速冲击损伤分析

以T300/QY8911碳纤维复合材料层合板为研究对象，利用三维Hashin失效准则对层内损伤进行预测，引入Cohesive界面单元模拟层间分层破坏，使用Camanho刚度退化准则确定材料参数退化方案，并编写了用户材料子程序Vumat，利用ABAQUS软件对预置不同分层损伤复合材料层合板低速冲击过程进行了数值仿真模拟。在冲击载荷作用下研究层合板的动力学响应，得到不同预置分层对层合板总分层损伤面积的影响，同时分析了冲击过程中冲击点位移随时间变化的规律。结果表明：预置分层位置离层合板中间层越远，层合板抵抗冲击承载能力越弱。预置分层的分层数目越多，层合板的刚度越低，层合板抵抗冲击承载能力越弱。在预置分层的两侧，层间分层损伤面积呈塔状分布。含预置分层层合板受到冲击时，预置分层对分层损伤的扩展具有一定的抑制作用。     

复合材料层合板贴补修理失效模式分析与修理参数选择

在对复合材料层合板进行渐进失效分析时,Zinoviev刚度退化模型是最常用的刚度退化模型之一,但是该模型涉及的参数较多并且只能用于二维问题,对其进行简化和改进后,不仅参数减少而且可以扩展至三维,基于此改进的Zinoviev刚度退化模型,结合Shokrieh改进的三维Hashin准则,采用INTER205单元对胶层进行模拟,利用ANSYS软件建立了承受面内拉伸荷载的含圆孔缺陷的复合材料层合板双边贴补修理渐进失效三维有限元模型。此有限元模型的结果和试验结果拟合得比较好,验证了改进的Zinoviev退化模型和有限元模型的有效性。利用此有限元模型分析了承受面内拉伸荷载的双边贴补修理复合材料层合板的失效模式,发现主要破坏模式为胶层的脱胶加速了母板中的纤维失效,导致结构最终失效。最后分析了主要修理参数对修理效果的影响,结果表明:增大补片尺寸可以明显提高修补结构的强度;当补片刚度与母板刚度相同时,修补效果较好;当补片厚度为母板厚度一半时,修补效果最好。     

形状记忆合金混杂复合材料层合板变刚度调控机制

形状记忆合金混杂复合材料(SMAHC)是一种能够主动变化刚度的智能复合材料。为了研究形状记忆合金(SMA)对SMAHC层合板刚度调控的影响，对分布式、模块化地植入SMA的层合板进行三点压弯实验。以SMA数量、单层中SMA排布位置与SMA预应变作为3个独立变量进行正交实验设计，测试了不同试样在不同温度下的刚度值，以研究如何有效地实现刚度调控。采用等效热膨胀法建立SMAHC层合板的有限元模型与实验结果进行对比，总结了SMAHC层合板的变刚度调控机制。分析结果表明，SMA非对称排布的层合板比SMA对称排布的层合板平均刚度提升16.67%；植入8段SMA的层合板比植入4段SMA的层合板平均刚度提升15.26%；通过调整SMA的温度，可以精准地实现SMAHC层合板的刚度调控；模块化、分布式的植入方式能够改变SMAHC层合板整体的应力分布，提升层合板刚度调控精度、降低SMA纤维用量，而且能保证个别SMA失效后层合板整体仍然有一定的变刚度能力。     

复合材料加筋层合板准静态压痕实验研究及数值分析

利用ABAQUS有限元程序所建立了一种基于用户子程序USDFLD和Hashin强度准则的复合材料损伤计算模型,用该模型对复合材料加筋层合板在静压痕力作用下主要发生的纤维拉伸破坏、纤维微屈破坏、基体拉伸破坏、基体压缩破坏、层间拉伸破坏、层间压缩破坏这几种基本损伤模式进行分析。对复合材料加筋层合板在静压痕力作用下进行损伤全过程数值研究,利用该有限元模型预测复合材料层合板静压痕力作用下的荷载-位移曲线以及凹坑深度与静压痕力的关系曲线。数值仿真与实验结果吻合较好,表明该损伤模型方法的可行性。复合材料层合板加筋后拐点处的凹坑深度明显加大,达到0.84mm。通过对加筋板的刚度和强度失效规律的分析,为进一步的复合材料格栅加筋结构(如飞机结构中复合材料后压力框)的性能分析提供参考。     

一种失效准则在面外载荷下含孔层合板的应用

开孔和面外弯曲会引起层合板局部应力过高,导致局部基体开裂、纤维断裂以及层间分层等失效模式。本文采用解析法和有限元法相结合的方法,对开孔无限大层合板的孔边应力进行研究。基于经典层合板理论和复变函数理论对复合材料平板在面外载荷作用下进行孔边应力分析,通过保角变换,解决应力函数在复杂孔形边界上的问题;引入Puck和Yamada-Sun混合强度失效准则,对层合板刚度进行迭代,研究了带孔复合材料平板孔边真实应力应变分布,并与有限元结果进行了对比,吻合较好。本文工作以期能对开孔层合板的失效预测提供指导。     

有拧紧力矩复合材料单钉接头疲劳寿命预测

通过对有拧紧力矩复合材料单钉接头疲劳加载过程应力分析及材料三维疲劳失效准则损伤判定,并结合建立的疲劳加载材料退化模型、材料性能退化方法及复合材料接头最终失效判据,建立了基于三维累积损伤分析的层合板接头疲劳载荷作用下寿命预测方法。最后,对拉-拉疲劳载荷作用下有拧紧力矩层合板接头的疲劳寿命及破坏模式进行了模拟分析,并与试验结果进行了对比,结果表明,建立的寿命预测方法能够很好地预测有拧紧力矩复合材料单钉接头的寿命以及破坏模式。     

基于渐进均匀化多尺度方法的CFR平纹机织材料冲击后压缩损伤研究

本文针对CFR平纹机织材料层合板低速冲击及冲击后压缩(CAI)响应和损伤问题,提出了一种渐进均匀化多尺度分析方法。基于渐进均匀化方法分别算出微观纤维束和介观子胞的等效强度和刚度,在这个基础上,采用三维Hashin失效准则以及连续损伤力学模型来模拟CFR平纹机织材料层合板的损伤起始和演化,用内聚力模型来模拟层间损伤。研究结果表明:CFR平纹机织材料低速冲击后压缩的仿真结果和试验结果吻合较好,验证了渐进均匀化多尺度方法的可靠性和准确性;随着冲击能量的递增,层合板的剩余压缩强度呈非线性下降。纤维损伤和基体损伤在低速冲击载荷下,随着冲击能量的增加,冲击损伤面积增大。而CAI行为则相反,压缩损伤面积随着冲击能量的增大而减小。     

间隙补偿对单螺栓连接层合板轴向刚度的影响研究

在螺栓连接装配过程中,被连接件的轴向刚度会直接影响夹紧力的形成,以及不同工况下夹紧力的保持与衰退,对装配结构的可靠性与稳定性影响显著。由于受复合材料层合板本身的材料性质和成型工艺方法的限制,在层合板构件螺栓连接中,较小的装配间隙难以避免,飞机装配中一般采用液体垫片对层合板构件之间较小的装配间隙进行补偿。首先,以复合材料层合板单螺栓连接为研究对象,考虑强迫装配(未实施间隙补偿工艺)与采用液体垫片实施间隙补偿两种情况,利用ABAQUS建立有限元模型;其次,设计了层合板单螺栓连接结合面有效接触尺寸测量实验,有限元模型计算结果与实验测量数据的吻合度较好;最后,根据建立的模型,研究了间隙补偿及不同液体垫片参数下,层合板轴向刚度的变化。有限元分析结果表明:相对于强迫装配,随着间隙的增大,液体垫片会愈加显著地提高层合板的轴向刚度;在工艺规范的使用厚度范围内,垫片厚度的增加对层合板轴向刚度的提高具有更加明显的促进作用,同时,使用高弹性模量的液体垫片更有益于提高层合板的轴向刚度;建议0.05 mm及以上的装配间隙必须实施间隙补偿工艺。     

复合材料L型接头的损伤与破坏模式研究

建立了渐进损伤模型模拟接头失效,模型中采用改进的Hashin损伤准则及Apalak刚度退化模拟L筋条及蒙皮的损伤和渐进失效,胶层失效通过内聚力单元进行模拟,并预估L型接头的最终破坏载荷。结果表明:建立的渐进失效模型可以较准确地模拟L型接头的拉伸破坏过程,L型接头的失效主要包括胶层的开裂、填充区底部基体的拉伸破坏和蒙皮层的分层破坏。     

复合材料层合板低速冲击承载能力的细观力学有限元模型

将复合材料细观力学桥联模型与有限元软件ABAQUS结合,用于分析层合板受低速冲击作用的极限承载能力.通过确定组分材料是否破坏来判断单层板是否破坏,对破坏后的单层实施一种常系数刚度衰减.将细观力学本构模型、针对组分材料的破坏判据以及刚度衰减模式编制成用户子程序VUMAT,为ABAQUS求解层合板的极限冲击响应提供一种自定义材料模型.只需要输入纤维和基体的材料参数、纤维体积含量等有限数据并且无须单层板的实验数据,就能顺利实施复合材料层合板结构的冲击承载能力分析.所计算的层合板的挠度-时间曲线以及横向冲击力-时间曲线与实验值吻合良好,说明本文的方法是有效的.     

铺层结构对EP/GF复合材料沉头螺栓连接失效的影响

以环氧树脂(EP)为基体,单层玻璃纤维(GF)布为增强体,利用真空辅助树脂传递模塑工艺制备了具有[0°]_(_(6s)),[45°/–45°]_(_(3s)),[0°/90°]_(_(3s)),[90°]_(_(6s))铺层结构的EP/GF复合材料层合板,通过拉伸失效实验研究了铺层结构对复合材料层合板沉头螺栓连接承载能力的影响,并进一步分析了4种铺层结构的沉头螺栓连接层合板在拉伸时的失效行为。结果表明,[45°/–45°]_(_(3s))与[0°/90°]_(_(3s))铺层结构的层合板均发生了承载失效,具有较高的螺栓连接承载能力,其中[0°/90°]_(3s)铺层结构的层合板最大拉伸载荷最高,为6.7 k N,[45°/–45°]_(3s)铺层结构的层合板具有最大的失效位移,为14.17 mm;[0°]_(6s)铺层结构的层合板发生了剪切开裂失效,其螺栓连接承载能力低于上述两种铺层结构;[90°]_(6s)铺层结构的层合板发生了净张力失效,其螺栓连接承载能力最低。     

修复对含分层损伤复合材料层合板振动特性的影响

本文工作是通过对含不同大小分层层合板结构分析,讨论拉伸和剪切修复刚度对含层间分层损伤复合材料层合板振动特性的影响.基于修补分层损伤结构变形特点,将含损层合板的基板、上子板和下子板采用Mindlin板单元离散,而损伤区修复效应以虚拟连接单元模拟,建立相应的有限元分析模型和计算方法.通过对含损层合板的振动分析,讨论并验证本文提出的修复分层损伤模拟连接单元模型的可能性和正确性,依据拉抻和剪切修复刚度对含损层合板固有频率的分别影响与综合影响,得到对分层损伤复合材料层合板修补的指导性原则.     

基于拉伸载荷的碳纤维/环氧树脂层合板疲劳断裂机理

为研究拉伸载荷下碳纤维/环氧树脂层合板的疲劳性能，开展了4种应力水平下的T300/6511碳纤维平纹织物层合板的拉-拉疲劳实验，得到了不同应力水平下层合板的疲劳寿命。采用超声波C扫和扫描电子显微镜（SEM）观察断口形貌及内部损伤，讨论复合材料疲劳损伤发展积累过程和断裂机理。通过复合材料疲劳有限元分析模型，模拟了复合材料织物层合板疲劳损伤积累和失效过程，绘制了S-lg N曲线，分析发现模型预测的疲劳寿命及失效模式与实验结果吻合良好。疲劳加载时，层合板两侧自由边的表面首先出现基体开裂和分层损伤，随后诱发基体与纤维间界面破坏，损伤加剧，并迅速向内侧扩展；最后大量纤维和基体断裂，损伤贯穿整个截面，导致疲劳断裂。     

复合材料层合板雷击损伤数值模拟研究

复合材料导电性差,雷击损伤严重危及到复合材料飞机结构安全。研究建立了复合材料层合板雷击损伤数值模拟的三维有限元模型。首先给出雷击电流作用下复合材料层合板的热-电耦合控制方程,然后建立基于层合板温度分布的单元失效和材料热电性能衰减准则,通过ABAQUS有限元软件的热电耦合分析模块中添加用户子程序USDFLD实现复合材料层合板雷击损伤数值模拟。预测结果与试验结果对比表明,该模型可准确预测复合材料层合板雷击损伤的损伤形状、面积和深度。     

高应力水平下T700/MTM46复合材料层合板拉-拉疲劳性能研究

本文研究了T700/MTM46复合材料层合板在高应力水平下的拉-拉疲劳性能。首先开展了层合板静拉伸试验研究,得到了静拉伸强度、模量和破坏应变,各项静力性能指标分散性小,静力破坏模式以小范围内的脆性断裂为主。然后根据得到的静强度确定疲劳应力水平,开展层合板拉-拉疲劳性能试验研究,各应力水平下疲劳寿命分散性大,且并没有随应力水平高低表现出规律性;疲劳破坏模式以分层失效为主,几乎整个工作段长度内都出现了严重的分层现象;疲劳应力水平越高,破坏时刚度下降程度越小,且归一化刚度退化曲线表现出"快-慢-快"三阶段性;疲劳过程中损伤起源于90°层,且在疲劳过程中该层内的损伤扩展最为严重,0°层的损伤出现最晚,但是0°层纤维断裂预示着即将发生灾难性的疲劳破坏。     

碳纤维复合材料纵横向拉压强度性能预测

复合材料失效准则复杂多样,为提出一个较为高效且通用的强度预测方案,针对复合材料单向板及层合板进行了研究.以试验研究及仿真分析相结合的方法,对基于Tsai-Wu准则及Hashin准则的极限强度计算精度进行了对比分析,并给出了碳纤维复合材料损伤过程中的能量耗散计算的经验公式.结果表明,不区分失效方式的Tsai-Wu准则强度...     

复合材料层合板静压痕试验及全过程数值分析

复合材料层合板在静压痕力作用下主要发生层间分层、基体开裂、基体压缩破坏、纤维断裂和纤维压坏这几种损伤模式。本文利用ABAQUS有限元程序,对在静压痕力作用下的复合材料层合板建立一个基于Hashin强度准则的全过程模型,并对各层各单元进行损伤演判。利用有限元模型对碳纤维NCF材料层合板在静压痕力作用下的荷载-位移曲线进行预测,并模拟层合板的损伤全过程,以及预测凹坑深度与静压痕力的关系曲线。对层合板进行静压痕试验,测试复合材料层合板在静压痕力作用下的荷载-位移曲线,并在试验过程中用凹坑深度仪测量层合板的凹坑深度。将数值模拟与试验结果比较,两者结果较为吻合。