平面编织复合材料层压板低速冲击后的压缩失效

采用超声C扫描检测、断口分析、有限元分析等方法研究低速冲击损伤对G803/5224与G827/5224两种平面编织复合材料层压板失效行为的影响。结果表明,低速冲击后压缩载荷作用下,G803/5224层压板最终为剪切分层失效,G827/5224层压板最终为剪切屈曲失效,两种层压板低速冲击后压缩的失效模式与未受损伤层压板基本相同。建立了平面编织复合材料层压板的损伤扩展与失效模型,该模型的计算结果与试验结果吻合较好,可用于平面编织复合材料层压板的失效仿真。

平面编织复合材料层压板的冲击失效行为

对复合材料层压板进行不同能量的落锤冲击试验,根据凹坑深度将冲击损伤分为无损伤、目视不可检、目视可检与穿透损伤4个等级。通过C-扫描检测、热揭层、损伤截面观察等方法,研究了不同等级损伤的失效特征、失效模式与失效过程。结果表明,不同等级损伤的失效模式不同,目视不可检损伤主要为分层失效,目视可检损伤主要为分层与基体开裂,穿透损伤主要为纤维断裂。损伤达到穿透前后的失效过程也存在差异。

平面编织复合材料层压板低速冲击损伤和压缩失效行为

对平面编织复合材料层压板进行不同能量的低速冲击试验和冲击后压缩试验,分析表面凹坑深度、损伤面积以及剩余压缩强度与冲击能量的关系。对压缩后层压板的断口进行宏观观察,分析不同等级损伤对压缩失效特征的影响。结果表明:冲击损伤分为无损伤、前表面目视勉强可见、前表面目视可见及穿透性损伤四个等级,不同等级损伤的失效特征不同;随着冲击能量的增大,表面凹坑深度逐渐增大,二者之间并不满足线性关系,存在着拐点,损伤面积也逐渐增大,在达到穿透性损伤后基本不变;剩余压缩强度逐渐降低,损伤面积和剩余压缩强度最后都有变缓的趋势。

平面编织复合材料层合板低速冲击后的拉伸性能

对两种不同铺层形式的平面编织复合材料层合板低速冲击后拉伸性能进行了实验研究,在此基础上建立了有限元损伤扩展仿真模拟。在所建立的有限元模型中,将低速冲击损伤等效为形状规则的软化夹杂,并针对两种铺层形式采用不同的损伤判据和模量衰减准则。研究结果表明:该有限元模拟结果与实验结果符合,说明该模型能够准确地预测低速冲击后平面编织复合材料层合板的损伤扩展规律和剩余拉伸强度;不同铺层形式的平面编织复合材料层合板在低速冲击后拉伸的损伤扩展规律不同;它们的冲击后拉伸强度降均>50%,在复合材料结构设计中应该受到重视。

层压复合材料连接接头设计及其在大飞机中的应用

复合材料主承力接头的设计制造技术对拓宽复合材料在飞机结构上的应用范围,进一步减轻结构重量、提高疲劳性能和降低制造成本具有重要工程使用价值和发展应用前景。开展了平面环绕型层压板式复合材料承力接头的设计、分析与试验研究工作。提出了工程设计方案,通过理论推导,建立了环形接头危险部位的强度解析表达式并预测了具体接头设计的承载能力,同时完成了平面环绕型层压板复合材料接头的静力试验,试验结果与理论预测吻合良好。

基于ANSYS环境的平面编织层合板拉伸破坏数值仿真

以ANSYS为平台编制了具有可移植性的APDL程序,建立了损伤累积模型,对平面编织层合板的损伤破坏行为进行了数值仿真。该模型对适合于单向铺层的Hanshin判据和Reddy刚度衰减方法进行了相应的修正。为验证模型的有效性,对G803/5224平面编织光滑板、孔板进行了相应的试验研究。结果表明,该模型仿真结果与试验结果吻合,并且比较简单直观,为平面编织层合板的损伤扩展与破坏的研究提供了便于工程应用的数字化手段。

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。

含紧固件复合材料层压板雷击后损伤及力学性能退化试验

以含金属紧固件编织结构碳纤维/环氧树脂复合材料层压板为研究对象,通过人工模拟雷电流试验,并结合目视观察、超声损伤扫描、微米X射线三维成像及高倍显微镜等损伤检测手段,对其在雷电流直接效应作用下的损伤模式、机制及特征进行了分析,同时,采用材料力学性能试验系统,对其雷击后的静拉伸承载能力退化程度进行了评估。研究结果表明:由金属紧固件引起的"雷电流分散效应"导致含紧固件复合材料层压板雷击损伤以分层损伤为主,且损伤沿层压板整个厚度方向分布;雷击损伤的产生存在一个雷电流强度门槛值,当雷电流强度小于该值时,层压板不会出现损伤;紧固孔周围的雷击损伤在静拉伸过程中会产生"应力分散效应",导致含紧固件层压板静拉伸承载能力随雷击峰值电流的增加先提高后下降。

湿热环境下含分层平面编织玻璃纤维/环氧树脂基复合材料层合板振动特性

通过理论推导与有限元仿真,研究了湿热环境下一端固支与四端固支约束含分层平面编织玻璃纤维/环氧树脂基复合材料层合板的不同分层夹角及分层位置的振动特性。首先基于Mindlin一阶剪切变形理论与Hamilton原理,考虑湿热应力和质量效应,依据湿度与温度的等效性,推导了受湿热环境影响的含分层层合板的湿热本构方程与固有频率表达式。利用有限元软件ABAQUS自带的用户材料子程序(UMAT)接口,编制相应的接口程序,建立了一系列温湿度组合下的分层损伤模型。并将数值结果与文献中试验值进行了验证。算例结果表明:湿热效应下,分层加剧了湿热环境下平面编织层合板各阶固有频率的下降;不同的分层夹角会引起固有频率值的改变,夹角越大固有频率下降幅值越大;湿度对分层层合板振动特性的影响比温度对分层层合板振动特性的影响显著;湿热效应会引起高阶频率向低阶的漂移,加剧局部共振现象;表面分层与中面分层都会引起各阶固有频率值下降,但下降幅值两者之间差别不大。

平面编织复合材料胶螺混合连接接头拉伸性能分析

对平面编织复合材料胶螺(单排螺钉)混合连接结构拉伸性能进行了试验研究,分析了螺钉直径为4 mm和6 mm两种情况下连接结构的破坏形式.基于ANSYS平台建立了胶螺混合连接三维损伤扩展模型,其中融入了非线性接触问题,数值计算的结果与试验结果吻合良好.研究发现,机械连接可以通过分担部分载荷而起着加强胶接连接的作用;如果机械连接工艺稳定的话,应该有螺钉直径越大,其加强效果越明显的规律;对于胶接与多钉混合连接复合材料结构的拉伸性能分析和计算确实存在很大困难,应该谨慎使用.研究结果与分析方法可以为今后的复合材料胶螺混合连接接头的设计提供一定的依据与技术支撑.