含损伤复合材料层合板剩余压缩强度研究进展

综述了含损伤复合材料层合板剩余压缩强度的研究进展,重点介绍受低速冲击后复合材料层合板的剩余压缩强度问题,主要包括:(1)层合板压缩失效的损伤特征及损伤状态表征;(2)层合板压缩试验研究;(3)损伤模型分析及失效分析;(4)研究展望。

动荷载作用下含损伤复合材料层合板承载能力

研究了含分层损伤层合板的动力响应和承载能力。基于层合板的一阶剪切理论,采用分项等参插值方法推导了复合材料层合板刚度阵、质量阵列式,在瑞利阻尼的基础上构造了相应的阻尼阵列式;建立了用于含分层损伤复合材料层合板动力分析的分层模型和虚拟界面联接单元,以防止低阶模态中在分层处出现的上、下子板不合理的脱离和嵌入现象;同时又采用Tsai提出的0.44刚度退化准则和动力分析的Newmark法,对含分层损伤复合材料层合板结构进行了在动荷载作用下的破坏和承载能力分析;通过典型算例,分别讨论了外载频率,分层位置,以及刚度退化对含损伤复合材料动力响应特征和承载能力的影响。本文中提出的方法和得到的结论对复合材料工程设计具有参考价值。

含损伤复合材料层合板振动特性研究

本文旨在找出损伤对复合材料层合板振动特性的影响。复合材料在直升机桨叶上的应用,实现了桨叶优化设计,改善了旋翼气动性能,使桨叶的寿命增加到上万小时,甚至达到无限寿命。因此,使用复合材料已成为现代直升机桨叶的发展趋势。对G827/3234、G803/3234以及G814/3234等三种铺层材料的复合材料层合板进行了振动试验研究与理论分析,得到了振动特性与材料、铺层方式的关系。进一步对这些层合板在含有穿孔、分层损伤情况下的振动特性进行了研究。结果表明,理论分析结果与试验结果吻合,证明了所建模型的有效性。该研究结果对直升机复合材料桨叶结构损伤容限分析与设计具有一定的参考价值。

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。

考虑剪切非线性的复合材料层合板渐进损伤数值模拟

基于连续损伤力学的基本原理,建立了考虑剪切非线性的三维渐进损伤模型,分析预测复合材料层合板的力学行为、失效载荷以及失效机理。选用高阶指数函数描述复合材料的剪切非线性行为,考虑复合材料刚度渐进和突然折减的组合方式来表征损伤过程中材料的刚度变化,编制了UMAT子程序,采用ABAQUS软件对带孔AS4/PEEK复合材料层合板进行渐进损伤失效分析。本文提出的模型与传统不考虑剪切非线性的模型相比,仿真结果精度更高,与已报道试验对比误差值小于4%。模拟结果显示,孔径越大,损伤发生前,圆孔附近的应力极限值越大,应力分布梯度越大,层合板承载能力越小。当采取[±45]_(2S)铺层方式时,仿真应力与试验结果具有很好的一致性,也进一步验证了模型的适用性和准确性。

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。

单向短切纤维增强复合材料(UACS)层合板的开孔效应

单向短切纤维增强复合材料(UACS)与传统短纤维增强聚合物复合材料(SFRP)相比,在保持优异纤维流动性的同时,表现出更高的强度,应用前景更加广泛。在实际应用过程中,通常需要对层合板进行开孔,因此,有必要研究层合板的许用应力与损伤容限。通过有限元方法(FEM)研究有孔与无孔UACS层合板的损伤模式以及抗拉强度。结果表明:无孔UACS层合板抗拉强度为520.67 MPa;与此相比,4、6、8、10 mm孔径的UACS层合板抗拉强度分别降低了13.6%、38.2%、50.6%、62.0%。UACS层合板损伤均开始于0°和±45°层之间,无孔层合板损伤开始于±45°层切口附近,开孔层合板损伤开始于±45°层孔周围的切口附近;无孔层合板的最终失效模式为纤维断裂,而开孔层合板的最终失效模式为分层断裂。模拟结果与试验结果基本吻合,验证了层合板模型的可靠性。

含分层损伤复合材料层合板非线性动力稳定性

采用Reddy的板高阶剪切变形简化理论研究了含分层损伤复合材料层合板的非线性动力稳定性问题。建立了分层模型,推导了考虑几何非线性和阻尼效应的Methieu方程,给出了该方程的解析解表达式;研究了参数振动解的稳定性;然后通过典型数例讨论了分层损伤对层合板固有频率、屈曲临界力以及动力稳定区域的影响;研究了保守与非保守体系的外载荷的激励频率对层合板第一参数振动的振幅的影响,以及线性、非线性阻尼对非保守体系的最大牵引深度的影响。由典型算例讨论可知,随着复合材料层合板分层损伤的扩大,其动力稳定性能逐渐减弱,特别是损伤接近层合板的中面时,分层损伤对其动力稳定性能的影响最大。

复合材料层合板低速冲击响应和损伤分析

通过在有限元软件Abaqus/Explicit中编写用户材料子程序VUMAT,建立了一种基于能量演化的复合材料低速冲击渐进损伤模型.该模型以三维Hashin准则来预测层内损伤的起始,以一种简化的损伤变量来模拟层内损伤的演化,将具有双线性牵引-分离本构的零厚度界面单元插入层间来模拟分层损伤.采用该模型对14.7 J冲击能量下的纤维增强复合材料低速冲击过程进行了仿真分析,计算得到的冲击力-时间曲线、能量-时间曲线和损伤分布与试验结果吻合较好.根据数值模拟结果,分析了纤维、基体和分层损伤的扩展规律,为低速冲击下的复合材料结构设计提供了理论依据.

碳纤维复合材料层合板低速冲击损伤应力分析

目的 为掌握碳纤维复合材料板在低速冲击载荷作用下的损伤规律,延缓失效破坏,对其冲击损伤的应力状态进行研究。方法 基于ABAQUS平台,建立碳纤维复合材料层合板低速冲击有限元模型,采用Hashin失效准则和VUMAT用户子程序,对碳纤维复合材料层合板的冲击过程进行数值模拟,同时考虑层合板层内与层间失效,以此来研究低速冲击条件下复合材料的损伤机理,分析冲击损伤过程中的应力变化趋势,讨论应力的分布状态。重点研究铺层角度及铺层距离冲头远近对应力的影响。结果 不同角度铺层的应力传播轨迹均沿着纤维方向和垂直于纤维方向同时扩展,应力均先增加至极限值而后迅速下降;铺层角度越大,板料的承载能力越弱,0°铺层的极限应力为1 432 MPa,而90°铺层的极限应力降至1 206 MPa;离冲头越远的铺层应力越小,达到峰值的时间更早且率先下降,说明远离冲头的铺层更早发生失效。结论揭示了碳纤维层合板在低速冲击载荷作用下的应力状态及其对损伤的影响规律,能够为复合材料层合板零件设计提供参考。

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。

含有分层损伤的复合材料加筋层合板的屈曲性态研究

基于 Mindin假定推导了考虑剪切的复合材料加筋层板的有限元列式 ,并在此基础上计算出筋间基板含嵌入分层以及筋与基板连接处含穿透分层的加筋层合板在受压缩载荷情况下的屈曲模式和临界力。本文所给出的有限元方法及结论对从事复合材料结构设计的工程人员具有参考价值。

碳纤维增强复合材料含孔层合板损伤破坏分析研究进展

综述了碳纤维增强复合材料含孔层合板损伤破坏以及应力分析的研究进展,介绍了几种含孔层合板的破坏准则和分析含孔层合板损伤破坏的二维以及三维模型,展望了有待于进一步研究的问题。

含分层损伤复合材料层合板分层扩展研究

采用基于Ｍｉｎｄｌｉｎ一阶剪切理论的四节点板单元，分析了含椭圆分层复合材料层合板分层扩展行为．利用虚裂纹闭合技术计算分层前缘处的总能量释放率，并采用总能量释放率准则作为分层扩展准则：结合自适应网格移动技术，并考虑了分层前缘闭合接触效应，对复合材料层合板的分层扩展行为进行了模拟分析．结果表明，初始分层形状对其扩展方式有很大影响．

含层间分层损伤复合材料层合板的动力响应研究(英文)

本文研究了含层间分层损伤复合材料层合板分层模型、阻尼和动力响应特征。在分层区上下子板间构造一种特定的界面连接单元 ,以防止分层处子板间的脱离或嵌入现象。为确定合理的有限元分析中的阻尼矩阵形式 ,文中进行了多种计算方式的比较 ,并做了T300/QY8911层合板梁的激振试验 ,依据耗散能等效 ,提出对阻尼矩阵构造的改良方法 ,使系统有限元动力响应分析中 ,既包含较多模态参数对结构响应的作用 ,又避免阻尼矩阵的满阵形式以利于有限元分析的计算机实施。利用时域直接积分法对稳态激励下的响应特征进行了研究 ,通过对界面连接单元刚度对动力特性影响的计算 ,给出分层受损复合材料层合板的动力响应特征 ,为含层间分层损伤层合板动力分析提供了一个有效方法,同时 。

含分层损伤复合材料层合板的精化有限元法

提出了一种以勒让德多项式逼近位移场的含分层损伤的复合材料层合板的高阶理论精化有限元模型．该模型考虑了横向剪切变形沿层板厚度的分布规律，满足层板上下表面及分层处上下表面横向剪应力为零的条件；对分层损伤区域内的层板刚度进行了修正．

含椭圆分层损伤复合材料层合板分层前缘接触效应研究

采用基于 Mindlin一阶剪切理论的四节点板单元 ,分析了分层前缘闭合接触效应对含椭圆分层复合材料层合板前后屈曲行为的影响。通过在分层区域内引入虚杆单元来防止上、下子板发生相互重叠 ,并假设接触区内没有摩擦。结果表明 ,分层前缘的闭合接触效应受分层几何形状的影响很大 ,当椭圆分层子板的长轴与压缩载荷方向一致时 ,闭合接触效应对含分层层合板前后屈曲行为最大。

含分层损伤复合材料层合板剩余压缩强度研究

准确预测含分层损伤层合板的剩余压缩强度，对复合材料具有十分重要的意义。本文基于层合板一阶剪切理论，建立了一种考虑复合材料多种损伤的含分层层合板刚度退化模型，通过数值算例分析了分层屈曲临界载荷与材料强度极限的关系以及刚度退化对含分层层合板前后屈曲行为的影响。

含低速冲击损伤复合材料层合板的压缩失效

通过含低速冲击损伤的两种平面编织复合材料层合板(G803/5224、G827/5224层合板)的压缩试验,研究了低速冲击损伤对复合材料层合板失效行为的影响。试验后采用超声C扫描检测、外观检查与断口侧面宏观观察方法对损伤与失效特征进行了对比分析。结果表明,两种含低速冲击损伤层合板被压缩时,G803/5224层合板冲击背面首先发生子层微屈曲,微屈曲沿着垂直于压缩方向扩展,最后剪切分层失效;G827/5224层合板冲击背面首先发生子层屈曲分层,屈曲分层也是沿着垂直于压缩方向扩展,最后剪切屈曲失效。两种层合板低速冲击后压缩的失效模式与光滑板压缩失效模式基本相同。

含分层损伤复合材料层合板非线性热弹性分析

应用含分层损伤复合材料层合板的高阶理论精化有限元模型，对〔０／９０〕ｓ对称正交铺设层合板在热成型过程中的热变形及残余应力进行了非线性热弹性分析，考虑了材料弹性性能和热性质依赖于温度变化的影响，得出一些对工程应用有参考意义的结果．