基于单元级损伤指标的复合材料层合板分步正则化损伤识别方法研究

针对复合材料层合板结构进行损伤识别,传统的损伤识别指标在描述其损伤时过于粗糙,而材料级损伤参数数量巨大难以识别,故引入了能反映层合板面内和面外损伤的单元级损伤指标。为提高损伤识别求解效率,提出了针对单元级损伤指标的两步正则化损伤识别方法。通过对复合材料层合板结构进行渐进失效分析,基于刚度退化进行单元级损伤指标与材料级损伤指标等效,构建基于组合刚度系数的单元级损伤指标,并对其进行相关性分析,为后续损伤识别提供先验信息。再用分步正则化方法对损伤参数进行定量分析,即第一步利用L2正则化和相关性提供的先验信息提供初步的损伤识别结果,第二步在第一步的基础上利用L1正则化方法求解损伤变量,从而获得更精细的识别结果。数值模拟和试验结果表明,所提的分步正则化方法能够有效实现复合材料层合板损伤识别,同时探究了噪声污染、模态阶次对识别结果的影响。

含孔复合材料层合板的单轴拉伸渐进损伤研究

针对复合材料的分层现象,结合考虑材料脆性断裂的三线性内聚力模型,通过Fortran语言,编写了Abaqus用户子程序,建立了三维的含孔复合材料层合板渐进损伤分析模型。针对4种不同的铺层方式,进行了单轴拉伸试验,使用大型商用有限元分析软件Abaqus进行建模,对层合板的孔边损伤进行了分析。结果表明,模型可以较好地预测含孔复合材料层合板单轴拉伸失效的极限载荷和损伤形貌,层合板的失效区域主要集中于孔边。此研究方法和成果可为复合材料层合板设计和维修提供参考依据。

变刚度复合材料层合板研究进展

变刚度复合材料层合板由纤维曲线铺放而成,可以实现刚度分布的变化设计,与传统固定铺层角的复合材料层合板相比,变刚度复合材料层合板在减少重量和成本的同时,也提高了结构性能。随着铺放设备的发展,目前已经能够利用自动铺放技术实现纤维的曲线铺放。同时,为提高复合材料构件的结构性能和满足不同的工程实际需求,铺层设计方法也从单一角度的直线铺层逐渐向变角度曲线铺层发展。本文首先介绍了变刚度复合材料层合板设计制造方法与有限元建模,接着在刚度分布、屈曲特性、失效行为等方面阐述了变刚度复合材料层合板力学性能的研究进展,然后结合南京航空航天大学复合材料工程自动化技术研究中心在变刚度复合材料层合板振动特性方面的研究,对变刚度复合材料层合板振动特性进行了分析和概括,最后对变刚度复合材料层合板未来的研究趋势进行了论述与展望。

碳纤维复合材料层合板的动态力学性能及失效机制

为了进一步明确碳纤维增强复合材料(CFRP)在冲击加载下的动态力学行为,采用电子万能试验机和霍普金森压杆(SHPB)试验装置,研究了铺层方式为[-45°/90°/45°/0°]的CFRP在厚度和面内方向的静/动态力学性能。结果表明,CFRP复合材料主要发生脆性破坏,在不同方向纤维铺层之间相互纠缠,有效支撑基体,可避免材料发生瞬间坍塌失效。受微裂纹扩展和加载速率关系的影响,复合材料呈现出明显的正相关应变率效应,虽然加入了不同铺层纤维,但材料失效破坏仍主要由基体决定。沿厚度方向加载,裂纹主要以沿45°角扩展的剪切破坏为主,断面在剪应力作用下出现了大量纤维的拔出和断裂。沿面内加载方向,纤维间的粘结层发生脆性断裂,与加载方向一致的纤维发生了屈曲失稳,裂纹穿透纤维层导致脱层。

基于薄板样条径向基函数的复合材料层合板自由振动分析

基于复合材料层合板的三角剪切变形理论,推导了对称复合材料层合板的控制微分方程。利用基于薄板样条径向基函数的无网格配置方法离散的控制微分方程,预测了对称复合材料层合板的自由振动行为。计算了不同材料参数和层合板几何参数的固有频率,并与文献结果进行了比较。还研究了节点排布、模量比和边厚比对固有频率的影响。结果表明,本文结果与文献结果具有较好的一致性,节点数量越大,无量纲频率对网格分布越不敏感,固有频率随着边厚比和模量比的增加而增加。通过数值实验,证明了用薄板样条径向基函数离散的三角剪切变形理论对对称复合材料层合板的自由振动分析具有较高的数值精度和良好的收敛性。

水下爆炸冲击波与复合材料层合板的相互作用

复合材料具有重量轻、强度高等特点,在舰船结构安全与轻量化领域具有广泛潜在应用价值。本文采用声-固耦合方法建立了水下爆炸冲击波与碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板相互作用数值分析模型,研究了冲击波与复合材料结构相互作用过程,阐明了水下爆炸冲击能量耗散分配机制,验证了声-固耦合渐进损伤分析方法的可靠性。在此基础上,研究了层合板厚度及结构材质对相互作用关系的影响。研究结果表明,爆炸冲击波作用在复合材料层合板上,约31%的冲击波能量以靶板面内损伤和振动的方式耗散掉,约69%的能量在靶板弹性作用下反射回水域中;随着复合材料层合板厚度增加,反射能量的占比逐渐增加,吸收能量占比减小,靶板内部损伤与变形减小;相同水下爆炸冲击载荷作用下,复合材料层合板相对于等质量5A06铝板和Q235钢板具有更优良的抗冲击性能。

基于电热耦合分析 SMA-CFRP 复合材料层合板雷击烧蚀损伤

为了研究形状记忆合金(SMA)材料对碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料层合板的雷击损伤防护效果,基于常用的雷击电热耦合模型建立含形状记忆合金丝的层合板的雷击损伤有限元分析模型,与参考结果进行对比以验证模型的合理性,并与传统层合板的雷击损伤进行对比来分析SMA丝的雷击防护作用。此外,分析了不同峰值电流、SMA丝不同数量、嵌入SMA丝区域之间的不同间距和层合板不同铺层顺序等因素对SMA-CFRP层合板烧蚀损伤结果的影响,并分析影响规律。结果表明:SMA对CFRP层合板的雷击损伤防护有显著的效果,其中峰值25 kA雷击电流导致的烧蚀损伤面积降低至无防护层合板的57.43%。此外,SMA丝数量、嵌入SMA丝区域之间的不同间距和层合板的铺层顺序对SMA-CFRP层合板的烧蚀损伤的面积和深度具有较大影响。

纤维增强复合材料层合板弹道冲击研究进展

近20多年来,纤维增强复合材料层合板,在结构防护领域大量使用,由于层合板结构及材料特性的复杂,其弹道吸能机理十分复杂,影响因素包括靶板的几何尺寸、结构形式、材料力学特性及层间粘结、弹形及弹速等诸多方面。本文主要针对近10年的研究工作,侧重于实验技术、弹道冲击实验研究、经验公式及理论分析模型等几方面的发展,进行了回顾和展望。同时,对于弹道侵彻力历程、材料的动态力学特性以及数值分析技术在层合板弹道冲击问题上的运用及发展等方面,也进行了简要的介绍。

复合材料层合板铺层顺序优化遗传算法

采用遗传算法进行复合材料层合板的铺层顺序优化设计.即采用整数编码方式,并对解码进行特殊处理以满足平衡铺层要求;通过父代与子代竞争延长了父代个体寿命,使优良基因有更多机会遗传给下一代;遍历所有分析过的个体信息以减少计算量.算例表明,改进的遗传算法是有效的.

复合材料层合板多钉连接结构累积损伤过程可视化仿真模拟

建立了分析复合材料层合板多钉连接结构的三维有限元模型,考虑了接触状态非线性和累积损伤过程非线性的影响,运用ANSYS中的APDL编制程序实现了对复合材料层合板机械连接结构整个承载过程的可视化仿真模拟,同时进行了T300/QY9512复合材料层合板多钉单剪拉伸试验。结果表明,在一定几何尺寸下,复合材料层合板多钉连接结构钉载分配的不均匀性在整个承载过程中并无明显改善。根据本文中提出的累积损伤模型对各孔位变形进行了计算,计算结果与试验结果吻合较好。从累积损伤过程的仿真结果可以明显看出,不同几何尺寸的多钉连接结构中各钉孔附近损伤的起始和发展过程具有明显的区别。优化设计结果表明,不同钉孔处层合板厚度的改变对各钉钉载分配无明显影响,但孔边法向和切向应力大小和分布均受到严重影响,对整个多钉连接结构的损伤程度产生很大变化。

基于ANSYS的复合材料层合板单钉连接件参数化结构仿真

应用ANSYS参数化设计语言(APDL)开发复合材料层合板机械连接结构的ANSYS分析模块,实现有限元分析前处理过程的参数化建模和后处理过程的累积损伤可视化仿真。建立三维累积损伤有限元模型,采用ANSYS中柔体对柔体的面—面接触单元对螺栓表面和复合材料层合板孔壁间的接触行为进行模拟。进行的T300帘子布/QY8911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此分析模块的有效性,对不同几何参数、不同铺层类型的复合材料层合板机械连接结构的承载性能进行可视化仿真模拟。

低速冲击后复合材料层合板的压缩破坏行为

对缝纫层合板和无缝纫层合板进行低速冲击后压缩破坏实验 ,以研究低速冲击后层合板的压缩破坏机理。采用 C扫描、X射线、热揭层等技术对层合板内的损伤进行测量和对比。结果表明 ,界面不是很强的碳纤维增强复合材料层合板低速冲击后受压时 ,层合板非冲击面的子层屈曲及其扩展是导致层合板冲击后压缩强度下降的重要因素 ,而且子层屈曲主要是沿垂直载荷的方向 (90°)扩展 ;对于准各向同性板 ,屈曲子层中与母层相邻的铺层的方向一般为 90°。

缝纫复合材料层合板面内性能的分析模型

提出了一种分析缝纫复合材料层合板面内力学性能的模型即纤维弯曲模型 (FBM)。认为在缝纫孔周围纤维的弯曲变形是影响缝纫复合材料层合板面内力学性能的主要原因。从分析缝孔单胞的纤维弯曲几何特征入手 ,最终得到层合板面内的弹性应力应变关系。以缝纫复合材料层合板 [0 4 5 0 -45 90 4 5 0 - 45 ]2S为例 ,计算了缝纫复合材料层合板面内拉伸强度。计算结果表明 ,理论预测与实验结果吻合良好 ,证实了该模型的正确性。

复合材料层合板疲劳逐渐累积损伤寿命预测方法

针对疲劳载荷作用下的纤维增强复合材料层合板,发展了疲劳逐渐累积损伤寿命预测方法.该方法主要包括应力分析、失效分析及材料性能下降三部分.其中,应力分析是通过三维有限元数值分析技术实现的;失效分析采用改进的Hashin静态失效准则判断疲劳损伤的产生和扩展;材料性能是基于突降和渐降两种准则进行退化的.所发展的方法可以预测不同铺层顺序、不同几何尺寸的复合材料层合结构在疲劳载荷下的损伤起始、扩展、直至结构最终破坏整个过程,并预测其疲劳寿命.同时,在ANSYS软件平台上,开发了相应的参数化复合材料层板结构的疲劳逐渐损伤分析程序.与已有文献结果比较,误差在10%以内.

复合材料层合板屈曲稳定性优化设计及其灵敏度计算方法

笔者在有限元分析基础上研究了以屈曲稳定性作为约束条件或优化目标的复合材料层合板结构优化设计及其灵敏度分析方法 ,重点讨论了屈曲临界荷载灵敏度对内力场和载荷的依赖关系及其在铺层优化、尺寸优化和形状优化问题中的不同计算方法 ,并在 JIFEX软件中实现了复杂结构复合材料层合板优化设计方法。

复合材料层合板低速冲击逐渐累积损伤预测方法

针对复合材料层板在冲击载荷下,各种损伤的产生和扩展是一个随载荷、时间和空间而演变的过程,发展了复合材料层合板低速冲击逐渐累积损伤预测方法。采用刚度退化技术和改进的Chang-Chang失效准则、显式有限元法来模拟复合材料层合板受到低速冲击下逐渐损伤过程。使用所发展的方法分析了[0m/90n/0m]铺层的复合材料层合板在低速冲击过程中的逐渐损伤扩展,结果表明本文的方法能较好地模拟复合材料层板在低速冲击下的损伤扩展及变形过程,计算结果与实验结果吻合较好;对不同冲击能量下层合板损伤扩展研究表明,冲击能量与分层损伤面积成线性关系。

低速冲击下复合材料层合板损伤分析

根据低速冲击下复合材料层合板的分层损伤机理,发展了一种分层失效准则,该准则同时考虑了层间拉应力、层间剪应力和基体开裂等因素对分层损伤的影响,并在损伤分析中,区分了冲击正面由挤压应力引起的纤维挤压损伤和冲击背面由弯曲拉应力引起的纤维断裂损伤,模拟了纤维断裂、纤维挤压、基体开裂、基体挤压、分层等五种损伤的起始和扩展过程,完善了作者以前发展了低速冲击逐渐累积损伤模型。通过与实验结果进行比较,验证了模型的合理性。

复合材料层合板冲击损伤及剩余强度研究进展

综述了受低速冲击后复合材料层合板的损伤研究进展 ,重点介绍了倍受复合材料工程结构设计师所关注的含损复合材料层合板的剩余拉伸及压缩强度问题 ,最后对有待于进一步研究的问题进行了展望。

基于“能量-故障”的复合材料层合板裂纹损伤检测与识别

对一含裂纹的复合材料层合板,通过粘贴在其表面一对压电片(一片作为传感器,一片作为激振器)构造了结构动力响应的激励和检测系统。通过完好板和损伤板的振动模态参数和时域响应信号比较,探讨了识别复合材料结构损伤的可行性。同时,利用小波包分析,基于动力响应信号各频率段的能量分布,提取结构损伤的特征量来表征结构损伤情况。结果表明,当用一个含有丰富频率成分的信号作为输入对系统进行激励时,可以较为准确地识别复合材料结构的裂纹损伤。

含孔复合材料层合板在压缩载荷下的三维逐渐损伤

通过逐渐损伤分析可以清楚地了解承载复合材料层合板内部损伤的产生及扩展过程,应用三维逐渐累积损伤理论和有限元分析技术,对不同材料不同宽孔比的含孔复合材料层合板在压缩载荷作用下的逐渐破坏过程进行分析,综合考虑了基体开裂、基纤剪切、分层及纤维断裂等四种复合材料层合板的主要破坏模式。在通用有限元分析软件ANSYS基础上进行二次开发,编制了参数化的分析模拟程序,该程序可以预测任意铺层角度和铺层厚度层合板在压缩载荷作用下的逐渐损伤破坏过程及最终失效载荷,通过与已有参考文献结果进行比较,验证了方法及程序的正确性。该程序可以较大程度地提高最终失效载荷的预测精度,为复合材料层合板结构的设计和使用提供了有力的技术支持。