含预制分层损伤复合材料层合板在压缩载荷下破坏过程和剩余强度的模拟

本文运用一种具有较高精度的高阶位移模式,结合特定的损伤判据和刚度折减方法,建立了一种含损伤有限元模型,并利用其对多个含预制分层损伤的复合材料层合板在压缩载荷下的破坏过程进行了数值模拟,并最终得到这些层合板的剩余强度。与实验结果的对比表明,该数值模拟方法具有较高的精度和有效性。     

多重基体开裂对平纹编织C/SiC复合材料断裂强度的影响

平纹编织C/SiC复合材料含裂纹试件受拉伸载荷时,裂纹尖端出现垂直于载荷方向的基体开裂损伤带。对试件断口观察,发现拉伸带宽度约等于纤维束宽度;裂纹扩展时,拉伸带内垂直于裂纹面的纤维束形成对裂纹面的桥联。试验结果显示,桥联纤维束出现多重基体开裂的材料断裂强度较高;而纤维束断面平整,未出现多重基体开裂的材料断裂强度相对较低。基于D-B(Dugdale-Barrenblett)模型,研究纤维束多重基体开裂损伤对C/SiC复合材料断裂强度的影响。发现多重基体开裂损伤引起纤维束非线性应力应变关系,能显著提高平纹编织C/SiC复合材料含裂纹件的断裂强度。对于平纹编织C/SiC复合材料,长度参数L0=G/(Fσ20)可以表征材料内桥联机制作用的范围。当裂纹裂纹长度a≥6 mm时,线弹性断裂力学对于平纹编织C/SiC复合材料是适用的。     

三维编织C/SiC复合材料剪切和弯曲性能的实验研究

对三维编织C/SiC复合材料进行剪切试验和两种弯曲试验,得到材料的剪切性能和弯曲性能以及相应的失效规律.在剪切试验中发现两种剪切试验的剪切模量相差较大,但由于两种剪切的破坏面相同,所以剪切强度相差不大.通过分析得到由两种弯曲试验获得的弯曲模量不同的原因.通过分析还得到拉压模量不同的材料的四点弯曲模量计算公式,发现计算值在试件上下表面应变相差不大时与均质材料的计算结果相差不大.     

复合材料层间增韧机理的有限元分析

在复合材料层间植入韧性夹层,可以有效提高层间韧性,其增韧机理在于夹层可以有效降低纤维层对裂纹尖端的约束,并降低裂纹尖端应力.文中建立层间裂纹的有限元模型,采用数值分析方法,分别计算加入夹层前后裂纹尖端的J积分值、应力强度因子以及裂纹尖端的应力场.计算结果表明,加入夹层后Ⅰ型和Ⅱ型层间裂纹尖端的J积分、应力强度因子和裂尖应力场均显著降低,并指出在夹层和相邻纤维层间界面附近出现的高应力区是造成界面失效的一个原因.     

频响函数作为神经网络输入的BP算法实现

研究将实测结构频率响应函数作为反向传递人工神经网络的输入数据,用来进行结构健康检测.一般情况下,把频率响应函数应用到人工神经网络的困难在于需要压缩频率响应函数的庞大数据,因为直接使用全部的频率响应函数数据使得神经网络具有大量的输入节点,从而导致网络训练收敛和计算效率方面的困难.仅仅使用部分频率响应数据,或不合适的频率窗数据点选择会引起重要信息的损失.为解决上述困难,用FORTRAN语言编写了一个简化的BP神经网络程序,把某结构的频率响应函数作为网络的输入参量.每个实测频率响应函数具有8192个数据点,神经网络采用8192-8-4结构,网络训练获得了较快的收敛速度.经过训练的网络成功识别了某结构的四种不同状态,识别误差小于10%.     

双向等轴拉伸载荷下二维编织陶瓷基复合材料的应力-应变行为预测

将二维编织结构简化为(0°/90°)s正交铺层结构。采用含损伤变量的剪滞分析理论,解得双向等轴拉伸载荷下,0°层和90°层开裂后各层的应力分布;基于随机基体裂纹演化理论,随机纤维损伤和最终失效理论,确定了0°层和90°层沿纤维方向的应力-应变关系,以及切线拉伸模量与施加载荷之间的关系;然后,将切线拉伸模量代入正交铺层结构的剪滞分析中,进而预测出二维编织陶瓷基复合材料在双向等轴拉伸载荷下的应力-应变关系。预测结果表明:在双向等轴拉伸载荷下,二维编织陶瓷基复合材料的横向和纵向应力-应变曲线基本相同,与单向加载时的应力-应变曲线相近。     

平纹编织C/SiC材料复杂应力状态的力学行为试验研究

利用Arcan夹具,实现对2D平纹编织C/SiC复合材料拉剪、压剪加载试验,研究材料在复杂应力状态下的力学行为,分析材料的损伤演化和失效模式。试验结果表明,材料在拉剪复杂应力状态下不同角度的应力—应变曲线呈现非线性关系;在压剪复杂应力下,随着加载角度增大,应力—应变曲线非线性程度增大。断口分析表明纯剪切形成平齐断口,受拉应力影响材料在拉剪复杂应力状态下形成斜断口。试验分析表明,适当的压应力能提高抗剪切破坏能力。偏移型椭圆失效判据与试验值吻合较好,该失效判据能较好地描述材料在复杂应力状态下的破坏行为,能较好反映材料的强度特征。     

层间增韧复合材料在静压痕力下的损伤阻抗和渐进损伤分析

在复合材料层合板层间植入韧性层是提高复合材料韧性和抗冲击能力的有效方法。为了研究层间增韧对层合板损伤阻抗的改善作用，文中通过准静态压痕试验研究层间增韧复合材料在准静态压痕力下的损伤和破坏行为，利用超声C扫描测量分层损伤面积。试验结果表明，层间增韧复合材料具有较高的分层起始载荷和分层起始能量，损伤阻抗显著提高。在相同的载荷水平下，具有较小的分层损伤面积。文中还采用有限元方法对层间增韧复合材料在静压痕力下的分层和铺层失效进行数值分析，有限元计算结果与试验结果吻合较好。     

搭接长度对Z-pins增强陶瓷基复合材料接头连接性能的影响

本文对搭接长度分别为15mm,20mm,23mm,37ram,60mm的Z-pins增强陶瓷基复合材料接头在单向载荷作用下的连接性能进行了试验研究和数值模拟.试验结果表明接头的最终失效形式有两种:(1)搭接长度大于、等于20mm的接头由搭接板断裂而失效;(2)搭接长度等于15mm的接头由搭接面的脱胶而失效.在搭接长度为20mm～60mm之间,接头的最大破坏载荷与搭接长度之间呈线性关系变化.采用有限元的方法对搭接接头的破坏过程进行了数值模拟,模拟结果与试验结果吻合较好,进而得到了介于上述两种破坏模式之间的搭接接头的搭接长度.     

二维机织碳纤维/碳化硅陶瓷基复合材料损伤分析

利用声发射技术全程监测二维机织C／SiC复合材料拉伸实验,通过声发射多参数分析法和断口显微观察,结合材料拉伸应力-变曲线,分析了二维机织C／SiC复合材料拉伸损伤演化过程和损伤机理。结果表明：材料拉伸损伤演化经历3个阶段：第一阶段为无损伤阶段,材料无损伤发生;第二阶段为损伤初始阶段．损伤主要为微裂纹开裂．并且微裂纹开裂基本上均匀发生在样品工作段;第三阶段为损伤加速阶段,损伤主要为宏观基体、界面开裂和纤维束断裂．井且集中发生在断口区域。损伤第二阶段与第三阶段的转换点在拉伸强度的76％左右,转换点的确定对二维机织C／SiC复合材料工程应用有重要意义。