拉伸-剪切耦合层合板优化设计及其应用

针对标准铺层拉伸-剪切耦合层合板耦合效应弱的缺点,提出利用优化法的自由铺层拉伸-剪切耦合层合板的设计方法。推导了只具有拉伸-剪切耦合效应的层合板应满足的条件。优化得到了7-14层的自由铺层拉伸-剪切耦合对称层合板。对比分析了自由与标准铺层拉伸-剪切耦合层合板的屈曲强度与稳定性。采用自由铺层拉伸-剪切耦合层合板设计了拉伸-扭转耦合结构。研究表明：自由铺层的拉伸-剪切耦合层合板的屈曲强度以及稳定性要显著弱于标准铺层层合板,但具有更强的耦合效应;随着层数的增加,自由铺层的拉伸-剪切耦合层合板的最大耦合效应逐渐减小。

层合梁拉伸和弯曲耦合效应分析

建立了规则非对称正交层合梁在拉伸和弯曲耦合时的位移微分方程 ,其耦合效应依赖于铺层的组数和材料主向弹性模量的比值。当铺层组数大于 8时 。

含孔层合板考虑边界效应的拉伸强度分析

1.引言 早在1974年和1975年Whitney与Nuismer就提出了预测含孔层合板拉伸强度的点应力准则和平均应力准则,他们假定的某一特征长度是与材料性能有关系。

有限宽层合板边界效应影响拉伸强度的修正方法

本文分析了[0/90]_s,[45/-45]_s,以及π/4层合板的有限宽碳/环氧层合板在不同宽度下的拉伸强度。发现导致层合板过早破坏的原因,除了由于层间应力引起分层破坏外,主要是分层后的叠合铺层强度低于层合板强度;并给出了一般均衡对称的π/4层合板用有限宽试样测试拉伸强度时由于边界效应影响的修正方法。这是一种基于试验结果的经验方法。

平纹编织C/SiC复合材料层合板偏轴拉伸性能研究

通过理论和试验方法,分析了平纹编织C/Si C复合材料的偏轴拉伸性能。在室温下进行(0°/90°)和(±45°)、(30°/60°)试件的轴向拉伸试验和(0°/90°)试件的面内剪切试验。结果表明,材料的面内力学性能与材料纤维的方向角有明显的关系。经典层合板理论在初始低应力阶段仍然适用于平纹编织C/Si C复合材料,但随着载荷的增大,由于拉剪损伤耦合效应的影响,计算的应力-应变曲线逐渐偏离试验曲线。根据试验数据,给出了拉剪耦合的影响公式,对经典层合板理论模型进行修正,由修正后模型得到的计算应力-应变曲线与实测曲线吻合很好。

带孔复合材料层板动态拉伸破坏的应变率效应

采用三维Hashin准则作为纤维束损伤判据,根据材料不同损伤模式制定相应的材料性能退化方案,并考虑应变率效应对材料的强度性能进行修正,建立含孔复合材料层合板的渐进损伤分析模型,模拟材料在不同应变率下的损伤破坏过程。通过动态拉伸试验,获得材料在不同应变率下的载荷-位移关系及孔边不同位置的时间-应变关系,讨论了应变率对材料拉伸性能的影响及试件孔边的应力集中情况。有限元分析结果与试验数据相一致,证明了本文所提出分析模型的正确性和有效性。

碳纤维复合材料单向层合板自传感特性

通过测试碳纤维/环氧复合材料(CFRP单向层合板单轴拉伸和循环拉伸时的电阻变化,研究了碳纤维复合材料单向层合板自传感特性.结果表明:不同铺层方向CFRP单向层合板拉伸时体积电阻变化特性各不相同,该电阻变化特性比应力、应变能更多地反映有关材料内部结构变化的信息;CFRP单向层合板具有压阻效应,压阻效应随着应力的增加而增加,偏轴拉伸、横向拉伸时压阻效应比纵向拉伸时要大,且随铺层方向角的增大,压阻效应越来越明显.利用CFRP单向层合板这种自传感特性,可实现在线实时自监测以及对其损伤、破坏的自诊断.

S2/430LV复合材料拉——剪疲劳材料许用值试验

面内纵横剪切强度是衡量复合材料层合板强度特性的重要指标之一,而S2/430LV复合材料是目前较为常用的一种典型舰用复合材料体系。首先,依据规范GB/T 3355-2005开展±45°面内拉—剪强度试验研究,测试结果表明,在拉—剪载荷作用下,S2/430LV复合材料的载荷/位移曲线存在两阶段和弧形过渡区特征。取初始损伤后的线性段与弧形段的切点为剪切强度的基准点(对应剪切强度为τB),分别选取不同折减系数下的载荷值来开展拉—剪疲劳特性、疲劳承载后剩余刚度和强度试验研究。结果表明:计及机械疲劳承载时,S2/430LV复合材料面内剪切强度材料许用值的折减系数可取为0.75。该结论对舰艇复合材料结构可靠性设计与分析具有重要的参考意义。

非对称层合悬臂板变形耦合的数值分析

根据自由角点形变分析，借助中心差分和向后差分确定板面内位移分量的补充表达式。应用差分法导出规则非对称层合悬臂板在横向荷载作用下的位移方程组。对于非对称层合板提供了一种计算变形耦合的数值方法。计算了碳／环氧Ｔ３００／５２０８非对称层合悬臂方板的拉伸－弯曲的耦合效应。

压电层合板层间应力新研究

综述了压电层合板数值分析方面的一些进展,在一般层合板理论的基础上提出一个多层压电层合板单元,依据线性压电理论建立压电层合板单元的杂交元模型,利用三维8节点块状单元建立多层压电层合板的有限元列式,解决了压电层合板层间应力的连续性。

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。

基于非对称铺层的复合材料弯扭耦合结构设计与试验验证

复合材料弯扭耦合结构在前掠翼飞机机翼的结构设计中具有重要的应用价值.现有研究主要基于对称铺层复合材料设计弯扭耦合结构,存在设计域窄及耦合效应不足等问题.非对称铺层复合材料有望解决上述问题,但因其易产生固化变形,目前未能在工程实际中得到应用.文章首先引入层合板的几何因子和材料常数,推导了拉剪多耦合效应层合板的湿热稳定解析条件;其次,利用湿热稳定的拉剪多耦合效应层合板构造了变截面弯扭耦合盒型结构模型,并利用遗传算法-序列二次规划(genetic algorithm-sequential quadratic program,GASQP)混合优化算法实现了结构的非对称铺层优化设计,使得结构在不发生固化变形的同时显著提升了耦合效应;然后,对弯扭耦合结构的湿热稳定性和弯扭耦合效应进行了数值仿真验证,并利用Monte Carlo方法进行了耦合效应的鲁棒性分析;最后,设计并完成了弯扭耦合效应的测量试验,验证了理论设计的正确性和可行性.结果表明:当铺层角度满足湿热稳定条件时,非对称弯扭耦合结构不会发生固化变形;非对称铺层设计可以显著提升耦合效应,最大可达90%以上.

基于离散层模型的多层压电板变形问题的数值解

研究了由压电材料组成的层合板在力场、电场、温度场及湿度场综合作用下的相互耦合效应。从弹性理论、压电理论、热传导理论和湿度传播理论的基本方程出发,导出了具有力电热湿耦合作用的材料体系的状态方程,进而对得到的微分方程组应用加权余量法进行弱化,得到弱形式的方程组,建立了均匀材料体系的解析模型并进一步拓展为离散层模型,用来解决压电层合板变形问题。最后通过算例计算了施加外部载荷于简支压电层合板的变形情况并同现有的精确解进行了对比,以表明模型的有效性。

铺层角度对碳纤维/环氧树脂基复合材料板等效刚度的影响

为了准确计算复合材料等效刚度,指导复合材料设计过程中铺层角度的选择。该文基于经典层合板理论,建立了考虑拉剪耦合效应的三维层合板等效刚度计算方法。基于该方法对碳纤维/环氧树脂基复合材料板等效刚度随铺层角的变化趋势进行了分析,结果显示:随着铺层角θ1的增加,铺层方式为(θ_(1))_(25)/(θ_(2))_(25)的层合板的面内轴向刚度E_(x)、横向刚度E_(y)的变化曲线包含变化率显著不同的两个阶段;法向刚度E_(z)呈正弦变化趋势且当正交铺层时有最大值;面内剪切刚度G_(xy)在θ_(1)=45°且θ_(2)=135°时有最大值;面外剪切刚度G_(xz)和G_(yz)变化曲线关于θ_(2)=90°对称。通过比较层合板与单向板等效刚度发现,选择合适的铺层角度组合能够有效提高结构的法向刚度和面内剪切刚度。

基于物理机制的层合板失效分析方法

发展了一种基于物理机制的复合材料结构失效分析方法,方法包括建立基于物理机制的面内失效起始准则,和对应的连续型损伤演化方法,方法所需的材料参数都具有明确的物理意义,无需经验参数。对两种层合板的开孔拉伸试验进行了数值模拟,模拟结果表明基于物理机制的失效分析方法能很好的模拟层合板的失效起始和演化,预测结构的失效强度、失效过程及最终破坏模式与试验吻合较好。同时还发现,无论是纤维主导还是基体主导的破坏模式,层合板内都出现了不可忽视的大面积分层,在模拟失效时考虑分层十分必要。

中等剪跨比RC剪力墙拉-弯-剪受力性能试验研究

为研究中等剪跨比钢筋混凝土(RC)剪力墙的拉-弯-剪受力性能,对4个RC剪力墙开展了在恒定轴拉力和往复水平力作用下的拟静力试验。RC墙剪跨比为1.5,尺寸和配筋均相同,仅轴拉力变化。结果表明:RC墙分别发生了剪切破坏、弯曲-剪切破坏和弯曲破坏;轴拉力致使RC墙的水平承载力降低,竖向钢筋平均拉应力比ns从0.20增大到0.80时,RC墙峰值荷载降低了约55%;中等剪跨比RC墙弯曲-剪切耦合效应明显,墙底部截面弯曲屈服后,塑性铰区的剪切变形也表现出显著的非线性;轴拉力和往复水平力作用下墙体发生显著的轴向伸长,引起墙体受剪承载力退化,竖向钢筋平均拉应力比ns=0.40的RC墙,其受力由弯曲机制向剪切机制转变,出现了弯曲-剪切破坏,基于转动角软化桁架模型和轴向伸长的实测数据,定量计算了该类墙体的受剪承载力退化,揭示了弯曲-剪切破坏机理。最后,验证了美国ACI 318-14和中国JGJ 3—2010中RC墙正截面拉弯承载力计算方法和公式的适用性。

基于结构参数的平纹机织复合材料等效弹性性能预测

经向纤维束与纬向纤维束纵横交错引起的纤维弯曲(也称为波纹)是平纹机织复合材料固有特征。首先,提出了一种精确描述平纹机织复合材料单胞3D结构特征的数学表达式。其次,基于经典层合板理论和等应力假设,考虑平纹机织复合材料厚度方向非对称引起的弯曲-拉伸耦合效应及单胞结构特征,建立了含结构参数的平纹机织复合材料等效弹性性能多参数解析模型。通过数个典型算例验证了建立的多参数解析模型,结果表明:该多参数解析模型预测值与相关文献中有限元模型预测值、解析模型预测值、实验值等均吻合较好;该多参数解析模型预测值尤其是Z向弹性性能预测值,比文献中解析模型预测值更接近于实验值。在此基础上,进一步探讨了纤维束波纹比(包括纤维束波动方向波纹比与纤维束横截面波纹比)、经向与纬向纤维束构成的预成形体厚度、纤维束中弯曲部分的长度、相邻纤维束之间间距等结构参数对平纹机织复合材料弹性性能影响。该多参数解析模型建模方法为研究纺织复合材料力学性能提供了参考。