含缺陷的复合材料层合板低速冲击过程的有限元模拟

用自编的动态有限元分析程序APIC对含缺陷的复合材料层合板的冲击损伤问题进行了模拟计算。该程序采用三维20节点超单元分析了复合材料层合板内的应力分布,通过修正后的C.T.Sun的接触定律建立了冲击物和层合板的运动状态与冲击接触力之间的关系,采用Wilson-θ法求解层合板和冲击物的运动微分方程。在处理层间分层缺陷问题时,采用拉格朗日乘子法使预制分层缺陷界面上满足不可互相贯穿条件。对本文中的计算结果和试验结果进行比较表明:模拟计算结果与试验结果有良好的一致性。相对于无缺陷层合板,含预制分层缺陷的复合材料层合板在分层部位遭受冲击时,分层缺陷对冲击损伤扩展有一定的抑制作用。

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。

含分层缺陷复合材料层合板分层扩展研究

采用基于粘聚区模型(CZM)的粘接元方法对含分层缺陷复合材料层合板进行了分层扩展研究。在缺少材料层间试验数据的情形下,应用了一种参数估算法确定粘接元的界面强度和刚度,并计算得到了含分层缺陷复合材料层合板的分层起始及扩展载荷,计算结果与试验值吻合良好,验证了所用方法的有效性。在此基础上,分析了不同分层位置对分层屈曲载荷、分层起始及扩展载荷的影响,并讨论了铺层角度对分层扩展方向的影响。

含孔复合材料层合板拉伸强度研究

对含孔复合材料层合板的破坏模式和拉伸强度进行了研究,考查了孔的直径和形状对层合板强度的影响.通过实验研究,测量出含孔层合板的强度.利用有限元软件ABAQUS的子程序USDFLD建立了逐渐损伤失效模型,对层合板的强度进行了数值模拟.研究结果表明,数值模拟得到的强度值和实验测量的强度值吻合较好,文中建立的数值模型可以有效地预测含孔层合板的强度.

含孔复合材料层合板疲劳寿命预测研究

运用损伤力学理论,从应变等效性假设出发,基于复合材料结构"点应力"准则的概念,提出了一种考虑残余应变影响的刚度下降疲劳损伤模型。以我国新近研制的高性能复合材料T300/KH304为研究对象,采用该模型预测了带有孔径为5mm层合板的疲劳寿命并对模型的合理性进行了实验验证,从不同应力水平的疲劳试验的结果可以看出,其最大相对误差为12.2%。

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。

含孔复合材料层合板的压缩性能研究

对不同圆孔直径和不同孔形的含孔碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板进行了压缩实验,分析比较了破坏前后的形貌变化,研究了孔的直径和形状对复合材料层合板压缩强度的影响。结果表明,对于含圆孔的复合材料层合板,随着孔径的增大,压缩强度下降明显,二者之间并不满足线性关系。对于不同孔形的复合材料层合板,含圆孔的压缩强度最大,其次是椭圆孔,然后是方孔,最小的是菱形孔。在含孔复合材料结构设计过程中,应尽量使用圆孔。含孔复合材料层合板的破坏模式都为过孔破坏,破坏都发生在应力集中的区域,并且断裂都是沿着应力集中最大的方向扩展。侧面断口主要为剪切失效,有分层和屈曲的特征。

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。

含孔复合材料层合板的结构参数对其屈曲性能的影响

利用ABAQUS软件,建立了含孔复合材料层合板的有限元模型,在层合板四边简支,承受轴向压力载荷作用下,分析讨论了孔径/板宽比、铺层比例、铺层角度、材料性能等结构参数对层合板的线性屈曲的影响。结果表明,孔径/板宽比d/w越大,屈曲载荷越小,当d/w≤0.1时,可认为是小孔洞情况,可近似按无限大层合板处理;90°铺层(与载荷受力方向一致)比例越大,或0°铺层(与载荷受力方向垂直)比例越小,屈曲载荷越大,增加±45°铺层比例,有利于降低层合板各向异性程度;对于斜交对称铺层的层合板,铺层角度对其屈曲载荷影响很大,最大值与最小值相差13.05N;材料主方向结构性能参数差别较大时,屈曲载荷也相差较大,材料的结构性能参数对屈曲承载力具有明显的影响。

含孔复合材料层合板孔口缝合补强的层间应力分析

使用有限元模拟计算了含孔复合材料层合板开口缝合补强结构。研究了含孔复合材料层合板在轴向拉伸载荷作用下孔边各个铺层的层间应力分布情况,并将缝合后的层间应力值与缝合前的相关数值进行了比较,主要研究了不同缝合参数对孔边层间应力的影响。通过有限元模拟计算可得,层合板缝合补强后,孔边的层间应力比未缝合前显著减小,孔边附近层间应力的分布与相邻铺层的铺层角有关,不同铺层之间的层间应力沿孔边区域存在应力的转换点,并且存在显著差别。

考虑制作缺陷的变角度纤维复合材料层合板的屈曲

假设纤维方向角沿层合板的长度方向线性变化,研究含丝束重叠、间隙等制作缺陷的变角度纤维复合材料层合板的屈曲问题。采用ABAQUS有限元软件建立层合板的有限元模型,选用S4壳单元计算四边简支层合板在两端压缩荷载作用下的屈曲临界荷载及屈曲模态,并进行详细的参数分析。研究结果表明:当起始角相同时,含或不含制作缺陷的层合板的屈曲临界荷载均随着终止角的增大而逐渐提高,说明纤维的不同铺设方式对层合板的屈曲性能有很大影响。含重叠缺陷的层合板的屈曲临界荷载均大于不含缺陷层合板的值,而含间隙缺陷的层合板的屈曲临界荷载均小于不含缺陷层合板的值。当层合板的重叠、间隙缺陷共存且面积相等时,层合板的屈曲临界荷载与不含缺陷时层合板的值接近,制作缺陷对变角度纤维复合材料层合板屈曲模态的影响较小。本文研究结果可为含缺陷的变角度纤维复合材料层合板设计提供一定参考。

孔径对T300/BPM 316复合材料层合板的载荷放大系数影响

首次对铺层方式为[45/-45/0/0/-45/90/0/90/45/0]s的新型T300/BPM 316含不同孔的复合材料层合板进行疲劳试验;采用改进的联合威布尔分布分析复合材料的疲劳寿命分散性;并运用MATLAB软件编写程序,分别对不同孔径的复合材料进行计算得到其部件的载荷放大系数。结果表明:在本文研究的材料孔径为D5、D8、D9范围内,随着孔径的增大,复合材料的疲劳分散性逐渐增大,说明复合材料的疲劳分散性随损伤(本文指含孔)的增大而增大;同时,载荷放大系数单调递增。且研究发现,T300/BPM 316含孔复合材料层合板的载荷放大效果不明显,说明对不同的复合材料需要分别确定其载荷放大系数来进行疲劳寿命加速试验。

含裂口损伤复合材料层合板拉伸试验及数值模拟分析

通过对无损、含损(不同长度的裂口损伤)的碳纤维复合材料层合板进行拉伸试验,研究了裂口损伤形式对碳纤维复合材料层合板拉伸性能的影响。经试验研究,碳纤维复合材料无损层合板的拉伸强度为517.37MPa;且裂口损伤使碳纤维复合材料层合板的拉伸性能显著降低。相比无损层合板的拉伸性能,裂口为5mm的层合板拉伸强度降低26.3%,裂口为15mm的层合板拉伸强度降低23.4%。采用基于三维渐进损伤失效准则编写的子程序对碳纤维复合材料层合板进行拉伸数值模拟分析,模拟了含损层合板的损伤起始过程。通过与试验结果进行比较,验证了模型的合理性。

分层缺陷深度对复合材料层合板力学性能的影响

通过对含分层缺陷的复合材料层合板进行压缩、弯曲以及拉伸试验,研究了分层缺陷深度对层合板力学性能的影响;对影响层合板力学性能的因素进行定性分析,得到了层合板力学性能随分层缺陷深度的变化规律。结果表明:分层缺陷深度对层合板的抗压、抗弯强度有直接影响,而对抗拉强度的影响十分有限。

褶皱缺陷对复合材料拉伸性能的影响规律:试验及数值模型

复合材料层合板在制造过程中会不可避免地产生各类缺陷,纤维褶皱缺陷是最为常见的缺陷形式之一.为了探究褶皱缺陷对复合材料层合板纤维方向拉伸性能的影响,制备了不含褶皱缺陷的高强玻璃纤维复合材料试验件,以及4种含有纤维褶皱缺陷的试验件.对制备的5组试验件进行了准静态拉伸试验,通过数字图像相关(DIC)技术测量了试验件的位移及应变.通过试验,研究了褶皱高宽比、褶皱角度对静强度及失效模式的影响.试验发现,含褶皱缺陷复合材料的静强度相比无缺陷复合材料降低40%以上,并且褶皱高宽比越大,或褶皱夹角越大,复合材料的静强度越低.与此同时,发现褶皱缺陷会显著改变复合材料的失效模式,使得原本单向纤维增强复合材料在纵向拉伸载荷作用下的炸裂失效变为纤维断裂失效和轻微的炸裂失效.此外,为了建立复合材料静强度与褶皱几何参数(高宽比和褶皱角度)之间的关系,使用多可信度机器学习算法构建了褶皱缺陷对复合材料静强度的影响模型,通过有限的试验数据预测了不同褶皱缺陷对复合材料静强度的影响规律.结果表明,构建的模型仅用极少的试验数据即可准确反应褶皱高宽比和褶皱角度对复合材料拉伸强度的影响,为研究含缺陷复合材料的力学性能提供了新方法.

含分层损伤复合材料层合板的动力破坏分析

复合材料层合板在制造和使用过程中可能会产生缺陷，大规模的缺陷将弱化结构的力学性能，在外载作用下，某些损伤扩展又将导致结构的早期失效。为了保证结构在服役期间内的安全和可靠性，要求结构在外载作用下，其初始缺陷和损伤的增长或扩展控制在一定范围内，以使其满足剩余强度的要求。

孔口缝合补强复合材料层合板的刚度退化及失效分析

通过对含孔复合材料层合板进行分析,提出一种有限元模型,并通过对材料进行轴向拉伸加载,通过考虑一种刚度退化理论,对复合材料的孔边强度失效进行分析研究。研究了未缝合的情况下的加上Hashin准则下的失效破坏分析,以及合板位移随载荷的变化情况。结果表明,在未缝合的情况下对材料进行加载,复合材料的孔边单元首先发生破坏,并随着载荷的加大不断扩展,最终导致材料完全失效。层合板的位移随载荷呈非线性变化。

热压罐成型复合材料构件曲率半径对制造缺陷的影响规律

对4000余件热压罐阳模成型含曲率复合材料构件的无损检测结果进行统计分析,揭示曲率变化与制造缺陷的关联规律,采用自行设计的固体压力测试方法对刚性阳模/传压型软模阴模界面处的压力分布进行测试,结合拐角区的应力分析及缺陷显微形貌分析制造缺陷的形成机制,并给出避免拐角区制造缺陷的工艺控制措施。结果表明:在热压罐阳模成型过程中,拐角区出现缺陷的比例、分层的程度均随曲率半径的增大而减小;厚度分布呈拐角部分厚,两边平板部分薄的趋势,这与渗流机制与剪切流机制之间的耦合作用及压力分布的均匀性有关。

含孔平面编织混杂铺层层合板压缩性能

对含孔平面编织混杂铺层复合材料层合板的压缩性能进行试验研究,考察铺层比例和铺层顺序对其压缩破坏和压缩强度的影响,然后利用点应力判据和平均应力判据进行层合板剩余压缩强度的估算。结果表明0°铺层比例的增加,提高了层合板的剩余压缩强度;(±45)编织铺层比例在20%-25%之间有助于提高层合板的剩余压缩强度;点应力判据和平均应力判据适用于这种混杂铺层层合板的剩余压缩强度的估算。

湿热环境对缝纫层合板及含孔板压缩性能的影响

通过干态、高温干态(150℃)和湿热环境下T300帘子布/QY9512缝纫孔板及层合板的压缩试验,了解到150℃的高温环境对这种缝纫层合板及含孔板的压缩强度影响微弱,而湿热环境下其压缩强度却明显降低,以至于缝纫在厚度方向的增强效果难以体现。