复合材料梁腹板在弯剪复合载荷作用下的屈曲和后屈曲研究

针对复合材料腹板悬臂梁在弯剪复合载荷作用下的稳定性和破坏强度开展研究。通过试验获得腹板的屈曲载荷与结构破坏载荷,改进了基于试验数据确定屈曲载荷的方法。采用商用有限元软件Abaqus对试验进行数值模拟,研究复合材料梁腹板的屈曲和后屈曲特征,并通过USDFLD子程序实现对复合材料失效过程的模拟。研究表明,复合材料腹板具有典型的屈曲特征和较强的后屈曲承载能力,对其屈曲载荷、后屈曲历程和结构破坏载荷的模拟结果与试验实测结果吻合良好,对复合材料梁腹板损伤模式的模拟结果与结构实际破坏形貌相一致。     

基于连续损伤力学的复合材料多钉连接失效分析和试验研究

针对复合材料多钉连接结构在拉伸载荷作用下的失效和损伤进行数值分析和试验研究。首先,针对纤维、基体和分层三种不同形式的损伤建立不同的失效判据并基于断裂力学推导出考虑原位效应的单层板强度参数,结合刚度幂指数衰减方法,使用有限元子程序编写复合材料单层板的连续损伤力学本构模型。在计算Puck准则中的基体失效断裂面角度时,为了提高计算效率,提出使用区别于传统的Puck遍历法和分区黄金分割法的分区牛顿法进行计算。其次利用上述力学模型对复合材料层合板平板和开孔板进行拉伸性能分析并对比试验结果,验证模型可行性。最后对复合材料多钉连接结构的失效和损伤演化过程进行有限元分析,对比计算结果与试验结果表明：提出的连续损伤力学模型,能够较好的预测碳纤维复合材料多钉连接结构在拉伸载荷作用下的强度和损伤。     

压缩载荷对冷胀孔残余应力的影响

用考虑组合强化、增量理论的有限元法计算了２１２４－Ｔ８５１ 板件开缝衬套冷胀孔的残余应力场及其在压缩载荷作用下的变化情况。结果表明冷胀之后的压载循环将引起冷胀残余应力的衰减。一个足够大的压缩载荷能够使冷胀工艺给疲劳寿命带来的增益完全丧失。文中说明压缩载荷对冷胀的作用可以和超载后半周压载对裂纹的作用相比拟,建议在确定合理胀孔量时应当把它对所承受的载荷谱中压缩载荷的敏感性考虑在内,应当加强有关的疲劳对比试验研究及残余应力场测量研究。     

受面内载荷的层压复合材料的层间应力分析

研究任意多向铺层层压复合材料层间应力的有限元分析方法。分别考虑两种建模方法，一种是采用8结点等参实体单元逐层进行离散化，每个子层都视为正交异性材料；另一种方法是在子层面内采崩4结点板元进行离散化，而在层间采用刚性元和弹簧元进行离散化，称为准三维模型。计算实例为两种不同铺层的T300／QY8911碳纤维／双马树脂层压板条，其中一个板条连续，另一个含圆孔，均受到面内拉伸载衍作用。采用的计算软件为MSc．Nastran。计算结果表明，在受拉板条的自由边和孔口附近存在不能忽视的层间应力。两种建模方法有各自的特点，计算结果可以互相印证，而后一种方法更加灵活和有更广泛的适应性。     

有机玻璃疲劳裂纹超载迟滞效应的试验研究

进行了飞机座舱盖用MDYB-3定向有机玻璃超载迟滞效应的试验研究。疲劳测试和断口观察表明，MDYB-3材料存在明显的超载迟滞效应，但是迟滞扩展的机理不同于一般金属材料。单个拉伸超载循环会引起裂纹前缘撕裂性的加速扩展，然后立即迟滞。结合有机玻璃的特点，提出了基于平均迟滞扩展速率拟合外推的一种试验方案，近似地得到了所测材料的超载截止比γSO。超载导致裂纹前缘严重钝化和不规则，裂纹迟滞扩展的过程实际上是从钝化的裂纹前缘重新萌生裂纹并扩展的过程。     

原位自生TiB2颗粒增强2024-T4铝基复合材料断裂行为数值模拟

利用SEM结合原位观测技术观察了颗粒体积分数为4.17%的原位自生TiB₂颗粒增强2024-T4铝基复合材料（TiB₂/2024-T4）的损伤断裂行为。试验结果表明,TiB₂颗粒偏聚带中的铝合金基体比颗粒稀疏区域中的铝合金基体率先发生断裂。根据这一试验现象建立了三种含随机颗粒偏聚带的二维体胞有限元模型,并施加拉伸载荷和周期性边界条件,推导了平面应力状态下的径向返回算法,结合Rice-Tracey局部失效准则模拟了颗粒偏聚带中微裂纹的萌生及扩展过程。数值分析结果表明：就单个颗粒来说,颗粒两极附近基体损伤最严重。颗粒偏聚导致损伤在颗粒附近基体中迅速累积,并发展成为基体微裂纹,且随着颗粒偏聚程度加剧,材料断裂应变下降。另外,体胞模型应力-应变曲线的非线性部分低于实测曲线,说明除了本文模型反映的载荷传递强化机制外,还需要进一步考虑颗粒对基体的间接强化机制。     

型材筋条裂纹的应力强度因子的工程计算

计算含裂纹筋条的应力强度因子。通过一定假设及工程简化,考虑型材上其余部分的弯曲刚度对含裂纹板条的作用,形成了改进的准三维模型,并编制出相应的有限元分析程序。在假设基础上建立了裂尖下位于拐点处的有限元模型。通过角材筋条的实例计算,获得了裂纹延伸并经过拐点的应力强度因子的连续曲线。本提提出的方法适合于更复杂的型材筋条的分析。     

原位自生TiB2/7050铝基复合材料高周疲劳特性

原位自生TiB₂/Al复合材料是一类新型铝基复合材料,结合了陶瓷材料高硬度、耐高温、耐腐蚀等和铝合金材料良好的韧性和塑性加工特性等的性能特点,具有高比强度、高比刚度、广泛的合金基体选择范围、原材料成本低、制造和热处理工艺多样化等优势。然而,目前原位自生TiB₂/Al复合材料的疲劳研究多侧重于微观机制研究,疲劳特性鲜有涉及应力比和缺口敏感性的讨论。以体积分数为3.67vol%的原位自生TiB₂颗粒增强7050铝基复合材料(in-situ TiB₂/7050-Al)为研究对象,开展了其高周疲劳特性试验研究,并与不含颗粒的7050铝合金进行对比。试验结果表明：在相同的疲劳载荷下,in-situ TiB₂/7050-Al的疲劳强度明显大于7050铝合金;应力比为0.1和0.5时,该复合材料的疲劳极限较7050铝合金分别提高了24.59%和13.56%。进行了不同应力集中系数下的疲劳寿命对比,结果表明颗粒引入后一定程度上限制了复合材料基体的塑性变形,提高了其缺口敏感性。尽管如此,in-situ TiB₂/7050-Al在存在缺口情况下的疲劳寿命仍高于7050铝合金。in-situ TiB₂/7050-Al作为一种新型轻量化结构材料,有望代替传统铝合金,实现结构静强度和疲劳性能的共同提升。     

多钉连接钉载分配特性研究方法

利用金属-复合材料层合板紧固件多钉连接件开展拉伸载荷下钉载分配特性的试验和有限元分析研究。试验件为一列三钉单搭接和双搭接连接件。通过应变电测技术获得连接件典型截面应变分布, 再间接估算钉载分配比例。建立了试验件二维、三维有限元模型, 并计算获得应变和钉载分配结果。对比发现, 应变的计算值与实测值吻合, 但钉载分配的计算结果与实测结果存在较大偏差。分析表明: 基于表面应变测量估计钉载分配的方法不能反映连接件的附加弯矩对多钉钉载分配比例的影响; 采用经过应变测量结果验证的有限元模型, 通过数值计算确定钉载分配是一种可行的技术途径; 而应用简化的板-梁二维有限元模型计算钉载分配可以满足工程精度要求。     

Z-pin增强复合材料Ⅰ型断裂韧性数值分析

采用细观力学方法以及虚拟裂纹闭合法(VCCT)对含有Z-pin增强复合材料双悬臂梁(DCB)结构Ⅰ型断裂韧性进行了研究。利用有限元法建立了结构模型,采用实体单元模拟复合材料层压板结构和非线性弹簧元模拟Z-pin。通过计算应变能释放率对含有不同体积分数Z-pin的复合材料层压板Ⅰ型断裂韧性与不含Z-pin的复合材料层压板Ⅰ型断裂韧性进行了对比分析。研究表明,含有Z-pin增强复合材料双悬臂梁(DCB)结构Ⅰ型断裂韧性在裂纹扩展过程中受到Z-pin桥联作用的影响而显著增强,且其增强效果与Z-pin的体积分数、处在桥联区的Z-pin数目均相关,这表明Z-pin增强方法能够有效提高复合材料层压板的分层扩展阻力。