基于VCCT的复合材料低周疲劳性能研究

基于VCCT建立复合材料低周疲劳模型,对层合板结构分层损伤进行疲劳寿命预测。采用ABAQUS软件通过直接循环法计算复合材料低周疲劳分层扩展情况,在模拟中指定分层扩展所沿的界面,基于VCCT可以计算界面单元裂纹尖端的断裂能量释放率,通过Paris准则来判断疲劳裂纹的产生和扩展。

基于VCCT技术的粘胶脱粘过程数值仿真研究

文摘由于粘胶位于两层材料中间,胶粘结构的内部脱粘过程通常难以检测。本文通过制备三种粘胶的粘胶片体试样以及U型件试样,对粘胶在拉伸及剪切状态下的力学性能进行测试,并计算获得对应的应变能释放率。采用VCCT技术,预设断裂及脱粘区域,对粘胶在单拉及剪切受力状态下的开裂及脱粘过程进行数值仿真。通过对比数值仿真与实验获得的最大应力及最大位移,验证了VCCT技术能有效获得这三种粘胶的断裂临界载荷,并表明这种方法能获得脱粘区域的扩展过程,为研究复杂结构的脱粘过程奠定了基础。

基于3D-VCCT的多裂纹输气管道断裂分析方法

现行的国家标准因不能准确反映含缺陷输气管道多裂纹干涉效应,从而使得评定结果偏于保守。为了提高含缺陷输气管道安全评估的准确性,在对比奇异单元法和三维虚拟裂纹闭合技术(Three-Dimensional Virtual Crack Closure Technology,3D-VCCT)的基础上,优选3D-VCCT建立输气管道多裂纹干涉模型,并通过分析裂纹相互干涉作用因子的变化,研究了附属裂纹对主裂纹前缘各点的干涉影响。研究结果表明:①随附属裂纹尺寸的变化,平行共线裂纹的最强干涉效应发生在裂纹近表面点并表现为增强效应;②一定条件下,平行共轴裂纹的干涉效应在裂纹最深点和表面点较为显著,并且最深点表现为增强效应,而表面点则表现为减弱效应;③当裂纹间的水平间距大于主裂纹长半轴的6倍时,平行共线裂纹与平行偏置裂纹的干涉效应微乎其微,可将多裂纹简化为单裂纹进行分析。结论认为,该研究成果不仅可以为多裂纹输气管道的断裂分析提供技术参考,而且还可以为输气管道多裂纹的安全评定提供理论依据。

基于VCCT复合材料柔性梁疲劳寿命研究

建立了直升机复合材料柔性梁的二维有限元模型,计算了在离心力和挥舞弯矩载荷作用下柔性梁的应力-应变场;应变计算值与试验值基本一致,说明该模型是合理的。针对柔性梁内部断层引起的分层,引入了虚拟裂纹闭合技术;考虑分层尖端前后单元长度不等和大转动的影响,修正了应变能释放率的计算公式。结合有限元模型和虚拟裂纹闭合技术,计算了分层扩展时的应变能释放率。利用应变能释放率的最大值预测了柔性梁的分层疲劳寿命,预测结果与试验值相一致。

两种厚度的层合板单搭接胶接接头的静力与疲劳性能研究

针对两种厚度的复合材料单搭接胶接接头开展了静力与疲劳试验研究和静力数值分析。用虚拟裂纹闭合技术模拟搭接胶接界面,研究单搭接试件在轴向拉伸载荷作用下的裂纹起始和扩展原理。结果显示:损伤起始时刻,G_(Ⅲ)远远小于G_(Ⅰ),G_(Ⅱ);G_(Ⅰ)随着裂纹长度的增加而减小,G_(Ⅱ)随裂纹长度的增加而增大;界面损伤起始主要受面外剥离力的影响,裂纹扩展主要受滑移剪切力的作用。设计两种厚度的复合材料单搭接胶接接头的疲劳试验,得到了不同疲劳载荷下试件的疲劳寿命,并给出相应裂尖G_(Ⅰ)/G_(Ⅰ)C,G_(Ⅱ)/G_(Ⅱ)C的值;绘制N-G_(Ⅰ)/G_(Ⅰ)C,G_(Ⅱ)/G_(Ⅱ)C曲线发现,寿命随G_(Ⅰ)/G_(Ⅰ)C增加的递减幅度远远大于随G_(Ⅱ)/G_(Ⅱ)C变化的幅度;对比试件胶接界面破坏形式发现,与粘接层较薄试验件相比,粘接层较厚的试验件界面破坏形式较平滑,且胶层破坏面积所占比例较高;随着疲劳载荷值的增加,搭接区域胶层破坏面积所占比例减小,被粘接的复合材料纤维层撕裂面积增加。

屈曲模态对含缺陷复材加筋板后屈曲的影响

某些结构类型的复合材料加筋板,由于一阶和二阶屈曲载荷十分接近,在压缩失稳时,相同的试验件会出现不同的失稳模态,并表现出明显不同的后屈曲承载能力.就此问题,进行了试验和数值模拟研究.轴压试验中,通过影像云纹法和超声C扫技术监测试验件的失稳模态及缺陷扩展情况,以确定不同失稳模态对相同试验件后屈曲承载能力的影响.基于ABAQUS软件建立有限元模型,采用虚拟裂纹闭合技术(VCCT,Virtual Crack Closure Technology)模拟含预置脱胶缺陷的筋条-蒙皮界面,将失稳波形以几何扰动的形式引入后屈曲分析.通过分析缺陷前缘应变能释放率,研究两种模态下缺陷扩展特性.计算结果与试验结果相吻合,研究表明两种模态下缺陷的扩展特性明显不同,导致该型加筋板在3个半波失稳模态下的后屈曲承载能力明显高于2个半波模态下的后屈曲承载能力.

X80油气管道焊缝双裂纹干涉效应多场耦合数值模拟方法

基于漏磁法检测管道焊缝理论,应用虚拟裂纹闭合法(Virtual crack closure technique,VCCT)提出一种流固磁多场耦合方法。以解决工程问题为例,由于实际管道中裂纹多以裂纹群的形式存在,因而应用该方法研究了X80管道焊缝共线双裂纹、环向对称双裂纹扩展问题。通过对管道焊缝内壁动态施加流体压力载荷,每完成一次裂纹增量扩展,重构网格,计算裂纹扩展进程中的特征量,包括管道内流体压力载荷P、裂纹尖端能量释放率GⅠ、扩展长度L、裂纹尖端张开角度CTOA、磁感应强度分量峰值Bx p,循环进行裂纹扩展和磁场分析。数值算例结果表明:共线双裂纹的干涉效应加速了裂纹扩展进程;环向对称双裂纹间距较大时,加速了裂纹扩展进程,当环向间距小于或等于0.5倍的焊缝环向弧长的双裂纹时,由于双裂纹干涉效应,双裂纹的存在抑制了裂纹的扩展。该方法的实现可为指导实际X80管道安全评估提供理论依据。

裂纹间距及铺层角度对复合材料分层的影响

分层问题是复合材料层合板最常见问题,据统计约60%的层合板失效都与分层相关。通过基于虚裂纹闭合技术(VCCT)的重合网格法(S-FEM),分析了不同铺层角度及裂纹间距对应变能释放率的影响。由分析结果可看出,应变能释放率随铺层角度增加而减小;在裂纹尖端距离相对较小时,距离对能量释放率的影响要远大于铺层角度变化的影响。

基于虚拟裂纹闭合技术的有限元方法及其在高温混凝土断裂参量计算中的应用

作为一种重要的工程结构材料,混凝土构件的安全问题成为工程界普遍关心的问题,随着科学与技术的发展,混凝土构件的使用条件越来越苛刻,特别是在高温条件下的断裂行为更是成为人们关注的焦点。基于文献[1]在常温下所作的混凝土紧凑拉伸试件测量应力强度因子的实验结果,利用ANSYS有限元商业软件计算了相同载荷条件下混凝土紧凑拉伸试件的应力应变场,用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)计算了试件的应力强度因子,计算结果与实验结果吻合较好,验证了该算法和程序计算混凝土构件应力强度因子的可靠性。在此基础上考虑温度对材料力学性能的影响,计算了同样的结构在外载作用下的应力应变场,并获得了不同温度条件下的应力强度因子。计算结果表明:在相同力载荷加载条件下,随着温度的增加,混凝土结构的柔度增加;在相同位移加载条件下,随着温度的增加,混凝土的应力强度因子逐渐减小。

部分脱胶压电复合材料层合梁黏结界面失效扩展有限元分析

采用三维有限元模型,对在电场作用下部分脱胶的压电复合材料层合梁黏结界面损伤扩展行为进行了研究。建立了基于虚裂纹闭合技术(VCCT)的界面断裂单元,通过有限元软件ABAQUS的用户自定义单元功能UEL实现并计算了脱胶前缘的能量释放率GⅠ,GⅡ和GⅢ,采用B-K准则作为脱胶扩展判据。对部分脱胶的压电复合材料梁在电压作用下对黏结界面脱胶起始和扩展下3种失效模式的能量释放率进行了分析比较,同时对不同铺层形式下,对界面脱胶损伤扩展边缘和内部能量释放率影响进行了对比,还考虑压电驱动器和复合材料层合梁在不同厚度比对界面扩展的影响。结果表明,黏结界面发生以剪切模式为主的混合模式脱胶扩展失效,脱胶边缘易发生Ⅲ型失效,而后向内部扩展以Ⅱ型占主导的脱胶失效。

含紧固穿透分层复合材料层板的疲劳扩展

对含预置穿透分层复合材料层板开展压缩强度和压缩疲劳试验,获得结构的极限载荷,并研究层板的分层扩展特性。基于ABAQUS软件建立含穿透分层复合材料层板有限元模型,通过VCCT计算能量释放率,采用B-K准则来模拟层间分层的扩展。引入VUMAT子程序,采用改进的Hashin准则判断单元损伤;基于累积损伤理论和剩余强度理论,弱化材料性能,对含穿透分层和含紧固穿透分层复合材料层板的疲劳力学行为进行分析,讨论了紧固件等参数对层板分层扩展的影响。

复合式路面疲劳裂纹扩展寿命模型及子程序开发应用

文章基于虚拟裂纹闭合法(virtual crack closure technique,VCCT),提出复合式路面疲劳裂纹扩展寿命理论模型,借助现有有限元软件,开发模拟复合式路面疲劳裂纹扩展过程的子程序,用其计算路面结构在裂纹扩展中的能量释放率,通过相关公式求得复合式路面的疲劳裂纹扩展寿命。研究结果表明,使用VCCT计算代价较小,计算精度较高,利用子程序可高效计算路面结构的能量释放率,最终计算结果接近于实际疲劳寿命。

基于Layerwise理论的层合结构能量释放率分析

根据Layerwise理论,推导了复合材料层合结构脱层前缘的能量释放率计算公式,计算了复合材料层合梁的面内应力,并在脱层损伤层间引入虚拟弹簧层模型,应用VCCT技术,分析计算了脱层前缘的能量释放率。结果表明,研究层间裂纹问题的方法较传统方法具有更高的精度和效率。

基于光滑节点域有限元的虚拟裂纹闭合技术

为了提高求解断裂参数的效率和精度,将虚拟裂纹闭合法(Virtual Crack Closure Technique)与光滑节点域有限元方法(Node-Based Smoothed Finite Element Method)相结合,提出了SFEM-VCCT方法.基于三角形单元的光滑节点域有限元方法,对二维含中心斜裂纹受拉伸矩形板的断裂参数进行求解.通过不同的单元离散数量与FEM-VCCT做了比较.数值算例结果表明,SFEM-VCCT改善了FEM-VCCT刚度"过硬"的缺点,精度高于FEM-VCCT,并且对网格尺寸要求低、裂纹尖端单元不需要特殊处理、求解简单方便,具有广阔的应用前景.

含分层损伤的复合材料层压板后屈曲及低周疲劳分层扩展有限元模拟研究

基于Abaqus软件建立3D层压板有限元模型,采用虚拟裂纹扩展技术(Virtual Crack Closure Technology,简称"VCCT")模拟分层界面。为接近真实物理模型,引入几何扰动。以含圆形分层区的层压板为研究对象,进行非线性后屈曲分层模拟。根据后屈曲分层扩展分析结果,以Paris模拟疲劳分层的萌生及扩展,研究复合材料低周疲劳特性。

高压输气管道内裂纹相互作用的有限元数值分析

基于三维虚拟裂纹闭合技术(3D-VCCT),利用大型有限元分析软件ANSYS对内表面含单条半椭圆裂纹的高压输气管道的应力强度因子进行计算,计算结果与已有结果具有相当好的一致性,并验证了该方法应用于薄壁管道计算的有效性。然后考虑了2条对称副裂纹的短半轴与长半轴的比值,主副裂纹的距离以及主副裂纹环向角度对主裂纹应力强度因子的影响,得到主裂纹应力强度因子的变化规律,并给出了主裂纹最深点和表面点应力强度因子的计算公式。提出的计算方法和结果对高压埋地输气管道的风险评估、设计和施工具有一定的参考价值。

改进的虚裂纹闭合技术及其在复合材料脱层分析中的应用

提出一种改进的虚裂纹闭合技术 (VCCT)对轮胎带束 (一种复合材料结构 )不同脱层长度下的应变能释放率进行了计算。将强制裂纹闭合的位移作为一种可变约束施加在变形后的裂纹尖端 ,约束反力作为裂纹尖端力计算 ,应变能释放率由裂纹尖端力和约束位移的乘积得到。该方法的优点是简便易行 ,在物理理解上直观 ,实施起来方便。本文应用该技术对带束脱层进行了断裂力学分析 ,给出了数值结果 ,并对带束的脱层寿命进行了评价。

双脉冲发动机中金属膜片式隔舱设计方法

为了得到双脉冲发动机中金属膜片式隔舱的设计方法,通过圆板大挠度理论和断裂力学理论推导出金属膜片预制缺陷处应力强度因子的计算式,通过三维虚拟裂纹闭合法数值计算了预制缺陷处的应力强度因子,数值计算结果与公式计算结果一致性较好。通过多孔圆板强度理论,建立了支撑件强度校核方法,并与数值计算结果对比,校核方法所得应力值略高于数值结果,说明按该方法校核支撑件强度更有利于提高隔舱的承载能力。为了进一步验证公式方法的准确性,进行了隔舱相关试验。膜片实际平均打开压强与公式设计值误差仅为5.0%;通过热流模拟试车考核了隔舱承压性能,支撑件结构保持完整。数值分析及实验结果说明,文中所推导方法可用于设计膜片的结构尺寸和校核支撑件强度,所得方法可直接应用金属膜片式隔舱设计中。

基于光滑有限元的含裂纹复合材料的虚拟裂纹闭合法

为提高求解断裂参数的精度和效率,将光滑有限元法与虚拟裂纹闭合法相结合,提出光滑有限元-虚拟裂纹闭合法.对含不同长度和角度的倾斜裂纹复合材料圆板的断裂参数进行了求解,并与有限元-虚拟裂纹闭合法计算结果进行了对比.数值算例结果验证了该方法具有高精度,裂纹尖端处单元不需特殊处理,对网格尺寸要求低等优点,是分析断裂问题简洁高效的数值计算方法.

基于光滑边域有限元法的二维裂纹扩展分析

为了提高预测裂纹扩展路径的准确性和效率,本文将光滑边域有限元法和虚拟裂纹闭合法相结合,利用常应变三角形单元,获得裂纹尖端处的断裂控制参量应力强度因子,并运用最大拉应力准则求得裂纹在荷载作用下的启裂方向,对裂纹扩展轨迹给出自动跟踪方法;对三个典型二维裂纹扩展模型,预测了裂纹扩展路径,并将结果与参考文献中的结果进行对比,验证方法的有效性与准确性。数值结果表明:该方法具有单元简单、网格尺寸要求低、裂纹尖端处单元不需特殊处理等优点,是分析裂纹扩展问题简洁高效的数值计算方法。