复合材料双悬臂梁试验Ⅰ型分层扩展的三维近场动力学模拟

近场动力学(peridynamics, PD)模拟复合材料分层损伤,相较于传统的数值方法有一定优势。双悬臂梁试验(double cantilever beam, DCB)是测量复合材料I型层间断裂韧性 G IC 的标准试验。本文研究了复合材料双悬臂梁试验I型分层扩展过程的三维近场动力学模拟。计算模型选用了球型域的常规态近场动力学复合材料模型,并引入了基于能量的失效判定准则。结果表明,近场动力学模拟的载荷-位移曲线与试验结果吻合得很好,并且模拟结果能够捕捉到DCB试验的“指甲盖形”分层前缘。在此基础上,进一步比较了I型分层扩展过程的近场动力学模拟结果与试验结果,验证了本文采用的复合材料近场动力学模型计算I型分层扩展的有效性。

偏载作用下单箱三室波形钢腹板悬臂梁的力学特性

为了解单箱三室波形钢腹板组合梁悬臂施工状态下的扭转效应,设计制作了1片单箱三室波形钢腹板双悬臂梁模型,研究了该类悬臂梁在偏载作用下梁体变形、截面翘曲应力、翘曲应变及波形钢腹板附加剪应力等力学性能,并以国内某单箱三室波形钢组合梁桥为背景,采用有限元模型分析了不同工况下最大悬臂施工阶段单箱三室波形钢腹板截面的力学性能。结果表明:偏载作用下,波形钢腹板上纵向翘曲应变明显小于混凝土顶底板,计算时可忽略波形钢腹板纵向翘曲应力的影响;截面最大翘曲正应力出现在混凝土底板角点处,钢腹板附加剪应力沿梁高方向呈均匀分布,且加载侧边腹板附加应力值明显大于中腹板;实际工程中,考虑恒载作用时,截面底板翘曲应力约占弯曲应力的20%,故在进行该类桥设计计算时,不可忽略混凝土板翘曲正应力和波形钢腹板附加剪应力的影响。

桥梁静动载试验应变测量新技术

在桥梁静动载试验时,如何减小应变测试中的各种干扰因素,提高检测效率和测量数据的可信度,是长期以来工程师们一直在苦苦探索的问题.本文介绍了一种可装配式结构应变测量传感器,成功地应用在了多座桥梁的静动载试验中,有效地解决了桥梁静动载试验应变测量时遇到的一系列问题,大幅度提高了现场工作效率和应变测量数据的可靠性.

复合材料圆柱壳体的层间断裂韧性分析

针对复合材料圆筒的层间性能分析,通过双悬臂梁试验(Double Cantilever Beam,DCB),得到了复合材料I型层间开裂与载荷对应关系,并根据GIC计算公式得到了材料I型断裂韧性。通过三点弯试验(EndNotched Flexure,ENF),计算了材料II型断裂韧性。建立了有限元模型,将I型断裂韧性、II型断裂韧性代入材料本构模型参数,对该结构层间性能设计与评估提出理论指导。

新型试验结构对散体减振技术影响研究

基于散体冲击理论,介绍了一种用于散体减振技术研究的新的试验方法并制作了一套对称双悬臂梁试验装置。研究分析了该装置的散体参数对减振效果的影响。通过对对称双悬臂梁试验装置的动态标定和减振试验,证明了该装置的科学性和有效性,为散体减振技术的研究提供了一种新思路。

基于数字图像相关的粘接界面内聚力模型参数反演识别

胶接装配具有结构简单、质量小、尺寸小、工艺性好等优点,但脱胶破坏等界面失效形式的出现对胶接结构的使用提出了挑战。内聚力模型可以有效表征粘接界面的损伤失效过程,其参数的准确获取对粘接结构的可靠性分析和设计具有重要意义。文中提出了一种基于数字图像相关技术、有限元模拟计算和智能优化算法相结合的内聚力模型参数反演识别方法。首先,采用数字图像相关技术获取双悬臂梁试件在拉伸断裂过程中的粘接区域位移场;其次,基于双线性内聚力模型,建立双悬臂梁试件拉伸断裂的有限元模型,并仿真获得双悬臂梁试件粘接界面开裂过程的位移场信息;最后,采用人工鱼群优化算法迭代试算双线性内聚力模型参数,直至有限元仿真的位移场与数字图像相关技术获取的位移场之间的误差最小。

基于图像分割的复合材料I型层间断裂裂纹识别研究

为了研究复合材料的层间抗拉性能,一般通过双悬臂梁试验测量复合材料I型层间断裂韧性,它是复合材料分层扩展及失效机制研究的一个重要参数。在DCB试验过程中通常需要暂停试验去多次测量裂纹长度,这会影响实际断裂裂纹的传播,导致裂纹测量误差。为了提高复合材料I型断裂韧性试验中的测量效率,提出一种基于图像分割的复合材料I型层间断裂裂纹识别方法。该方法使用图像分割模型检测裂纹,能够实时测量I型断裂裂纹的长度。与实际裂纹长度对比,测量平均误差不超过2.9%,证明了本方法的准确和高效。

缝合层合板的Ⅰ型层间断裂韧性研究

通过缝合的方法改善织物增强复合材料层合板的层间断裂韧性.采用双悬臂梁(DCB)试验测试和研究了缝合层合板的层间断裂韧性与断裂行为.为了评价缝合工艺参数(缝合密度)对层间断裂韧性的影响,用改进的插入型夹具在实测不同缝合工艺层合板的Ⅰ型层间断裂韧性值(GIC)的基础上,分析和阐明了缝合工艺参数(缝合密度)与GIC间的关系;以提高层合板的平均层间断裂韧性值为目标,以拉伸和弯曲强度为约束条件优化了缝合工艺;采用摄影显微镜对分层断裂面进行了观察,分析和考察了缝合对其它性能的影响.结果表明:改进的插入型夹具可方便地完成缝合层合板的Ⅰ型层间断裂韧性测试;缝合后裂纹不连续扩展,缝合密度对裂纹扩展行为有较大影响;随着缝合密度的增大,层间断裂韧性值增大,但拉伸和弯曲强度降低,缝合密度存在最佳值.

环境温湿度对泡沫复合材料夹层结构界面性能的影响

复合材料夹层结构是由复合材料作为面板、轻质材料作为芯材而形成的强度高、耐腐性好、可设计性强的高效结构形式。环境温湿度变化时,因面板和芯材的吸湿性能和热膨胀系数不同,界面处易积聚应力而导致剥离破坏。本文研究不同时间的干湿循环老化作用下泡沫复合材料夹层结构及其面板、芯材的吸湿性能,达到吸湿平衡时,芯材的吸湿率是面板的10倍左右;由于双侧面板的约束作用,夹层结构与面板的吸湿率相当。通过双悬臂梁界面剥离拉伸试验研究干湿循环老化构件在25和70℃两种温度环境条件下的界面性能,从试验所得的荷载-位移曲线可以看出:结构的界面强度随老化时间的延长而降低;温度对老化构件的界面力学性能影响显著,温度越高,界面强度越低,裂纹扩展越稳定。

高强铝合金沿晶断裂声发射研究

高强度铝合金沿晶界断裂过程中的声发射信号特征反映了材料沿轧制方向的宏观性能。在带有预制裂纹的双悬臂梁 (DCB)试样中 ,裂纹失稳扩展前 ,先有一短距离的韧窝状穿晶撕裂的稳态裂纹扩展。稳态裂纹扩展起始于K1C并发射出许多幅值超过阈值 35dB的信号。当稳态裂纹扩展至Kmax时 ,便出现失稳的沿晶开裂。对稳态及失稳的裂纹扩展两种情况 。

基于内聚力模型的铝/丁羟胶粘接界面力学研究

通过建立双线性内聚力模型,研究了Al/HTPB双悬臂梁形式粘接件的I型断裂行为,并通过数值仿真双悬臂梁载荷-位移曲线与试验曲线相匹配的分部反演数值方法,获得了双线性内聚力模型中的2个重要内聚参数。通过与线弹性断裂力学下经典梁理论方法得到的断裂韧性相比,表明反演获得的参数更加真实地反映了材料的粘接性质,并分析了经典梁理论方法得到的断裂韧性参数不准确的原因。通过Al/HTPB粘接件的单轴拉伸试验,对所建立的内聚力模型及获得的相关参数的正确性进行了验证。结果显示,所建立的内聚力模型能够很好地预测粘接件的力学行为,可作为HTPB推进剂进一步的细观力学研究的基础。

7020铝合金应力腐蚀开裂特征

采用断裂力学双悬臂梁(DCB)试样,对高强度7020铝合金的应力腐蚀开裂(SCC)特征进行了研究。结果表明,7020铝合金在含Cl-的水溶液中对SCC敏感,板料的Z-X和Z-Y方向有SCC裂纹萌生,裂纹开始萌生的时间较长,扩展速度较慢;温度升高后,裂纹扩展速度明显加快。SCC裂纹的特征为水平扩展,表面有呈台阶式不连续扩展和群集现象,开裂面为沿晶扩展。

织物增强复合材料层合板I型层间断裂特性

采用双悬臂梁(DCB)试验测试和研究了织物增强复合材料层合板的层间断裂韧性与断裂行为。为了评价测试温度和试样几何尺寸的变化对层间断裂韧性的影响,分别在室温(RT)和液氮温度(77K)条件下对不同尺寸的试样进行了双悬臂梁试验。采用扫描电镜对分层断裂面进行了观察,分析和验证了层间断裂特性。

线弹性广义界面层模型的研究

为了用界面层方法分析一般结构中的裂纹扩展问题,提出了广义界面层的概念.基于能量释放率G相等的原则,对界面层的本构关系进行了线弹性等效.在此基础上,重点推导了含Ⅰ型裂纹双悬梁(DCB)的载荷-位移函数,并借助Abaqus软件对双悬梁的分层问题进行数值模拟.理论推导和数值模拟的结果证明了广义界面层的线弹性等效是可行的.

基于人工蜂群算法的复合材料层间内聚力模型参数反演

内聚力模型在复合材料结构分层损伤评估中已得到广泛应用,准确获得内聚力模型的参数对评估结果有重要影响。对内聚力模型的参数反演进行了研究,通过复合材料双悬臂梁试验获取加载点载荷-位移数据信息,结合对应的有限元正演模型输出构建目标函数,采用人工蜂群算法优化识别出层间内聚力模型参数。数值仿真和试验结果表明,人工蜂群算法较遗传算法和粒子群算法具有良好的收敛性和寻优能力,并且有一定的抗噪能力,能够在不同测量噪声影响下优化反演出内聚力模型参数值,运用反演参数模拟得到的加载点载荷-位移数据与实际试验结果一致。

在Ⅰ型模式下异型截面Z-pin增强效果的数值分析

针对单根Z-pin拔出试验以及未增强/Z-pin增强的双悬臂梁(DCB)试验建立了三维有限元仿真模型.在拔出试验的模拟过程中,以静-动摩擦系数模拟Z-pin在基体中的脱胶-拔出过程,以计算所得桥联力作为输入参数,通过连接器模拟Z-pin在层合板中的桥联作用,得到了DCB试验的载荷-位移曲线.同时,将所建模型用于计算异型截面Z-pin的桥联力,以及异型截面Z-pin增强DCB试件的载荷,以定量分析Z-pin截面周长对其增强效果的影响.结果表明,所建立的有限元模型的模拟结果与实验值较吻合.

集成竹Ⅰ型层间断裂特性试验研究与数值分析

针对集成竹Ⅰ型层间断裂问题开展了双悬臂梁(DCB)断裂试验研究,并采用虚拟裂纹闭合法(VCCT)与内聚力模型(CZM)对其断裂行为进行了数值分析,通过试验验证了两种方法用于模拟集成竹Ⅰ型层间断裂行为的有效性。其中,CZM中考虑了裂纹尖端内聚力的退化,可有效模拟材料断裂过程中的非线性行为;而VCCT基于线弹性断裂力学,无法考虑断裂中的非线性,但采用VCCT的分析结果相对稳定,易收敛,适用于材料断裂非线性不明显的情况。通过CZM,进一步考察了双悬臂梁宽度对Ⅰ型断裂韧度的影响。结果表明:材料Ⅰ型断裂韧度随梁宽度增大呈现减小的趋势;宽度达到55 mm以上时,裂纹尖端应力场受平面应变状态主导,应变能释放率趋于稳定值0.539 5 N/mm。

不同厚度铝合金试样的应力腐蚀开裂特性研究

鉴于试样厚度对2024-T351铝合金材料的应力腐蚀开裂门槛值KISCC的影响及实际工程应用中厚壁构件的应力腐蚀敏感性评价等问题,选取能够代表实际工程应用中构件壁厚的40 mm厚双悬臂梁(DCB)试样和标准(GB 15970.6-2007)中规定的26 mm厚DCB试样,进行了应力腐蚀断裂特性研究。结果表明,40 mm厚试样得到的材料的应力腐蚀开裂门槛值KISCC值大于26 mm厚试样得到的KISCC。对S-L取向试样,40 mm厚和26 mm厚试样的应力腐蚀开裂门槛值KISCC差别不大,差异在4%左右;对S-T取向试样,40 mm厚和26 mm厚试样的KISCC值差别明显,差异在24%左右。在DCB试样应力腐蚀断口表面发现有纤维状的腐蚀产物生成,经过能谱仪(EDS)及X射线衍射(XRD)分析,纤维状的腐蚀产物是氢氧化铝。纤维状腐蚀产物的生成降低了DCB试样裂纹尖端腐蚀产物的积累,从而减轻了腐蚀产物楔形作用对应力腐蚀开裂门槛值KISCC的影响,提高了材料抗应力腐蚀的能力。并且40 mm厚DCB试样应力腐蚀断口表面的纤维状腐蚀产物明显多于26 mm DCB试样,这也是40 mm厚试样的应力腐蚀开裂门槛值大于26 mm试样的一个原因。在应力腐蚀开裂过程中,由于DCB试样裂纹尖端发生阳极反应,与主体溶液形成小阳极大阴极体系,使试样裂纹尖端呈酸性,而主体溶液呈碱性。40 mm厚试样的裂纹尖端pH约3.0,26 mm厚试样的裂纹尖端pH约3.6,厚板试样裂纹尖端处溶液酸化更严重。

基于界面单元的复合材料层间损伤分析方法

为了研究复合材料层间损伤,建立了一种新型零厚度界面单元模型,可以准确地预测复合材料Ⅰ型层间裂纹扩展。模型包括本构关系建立、损伤准则和损伤演化引入,并在大型商用有限元软件ABAQUS用户单元子程序VUEL中实现,采用显示积分方法求解,不存在收敛性问题,同时允许使用较粗的有限元网格。最后将该模型应用于国产碳纤维增强树脂基复合材料(CCF300/5428)双悬臂梁试验(DCB)模拟分析中,结果表明,此界面单元模型能够准确模拟复合材料层板Ⅰ型裂纹扩展,为复合材料层间损伤分析提供了一种有效的方法。