基于内聚力模型的斜接修补复合材料强度分析

在战争环境下,机身复合材料损坏会降低战机战斗力,如何通过修补恢复战机的作战能力是一个急需解决的问题。为探究修补复合材料的强度恢复规律,本文基于内聚力模型和有限单元法,建立斜接修补复合材料强度预测模型,并对缺陷尺寸、修复斜度等因素对强度的影响进行分析。结果表明:在0°与90°铺层的交点处出现应力集中现象,可达平均应力的6.3倍之多,该应力集中效应可能是斜接修复复合材料损伤的始发诱因。随着缺陷尺寸的增加,修复强度呈降低趋势。修补复合材料初期损伤主要萌生于胶层内部,当损伤尺寸大于3 mm后,损伤路径沿着界面发展。随着修补斜度的增加,强度呈增加趋势。从修补效率来看,斜度大于1∶15即满足修补要求。研究成果可为提升飞机复合材料修复工艺及修复效率评估提供理论依据。

双斜接修补复合材料层合板的拉伸行为及影响因素

基于试验和有限元数值方法对双斜接修补碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料层合板在拉伸载荷作用下的力学行为开展研究。通过试验分析了两种不同厚度的双斜接修补复合材料结构的承载能力和失效形式。结果表明,对于不同厚度的双斜接修补复合材料结构,失效强度接近,主要破坏形式均以胶层内聚破坏为主,伴随局部的90°基体开裂。利用连续介质损伤力学模型和内聚力模型分别对复合材料和胶层失效进行描述,通过数值方法开展双斜接修补结构的强度预测和损伤演化分析。数值结果与试验吻合较好,并且指出复合材料基体开裂起始早于胶层失效。通过有限元模型讨论了附加层、双斜接内部尖端所处位置和修补胶层参数对修补性能的影响。

扩展有限元方法与内聚力模型耦合下斜接修补复合材料的胶层损伤和缺陷

将扩展有限元方法(XFEM)与内聚力模型(CZM)耦合用于斜接修补复合材料的胶层分析,实现了对复合材料与修补胶层之间的脱粘以及胶层内部裂纹扩展现象的描述,模拟得到的结构强度与试验结果吻合较好。对复合材料与胶层的界面缺陷和胶层内部缺陷展开分析,讨论了缺陷长度和缺陷位置对结构强度的影响。结果表明:在相同条件下,结构具有界面缺陷比具有胶层内部缺陷更加危险;结构强度受缺陷长度和与缺陷尖端相邻复合材料铺层角度的共同影响,随着缺陷长度的增加而降低,降低速率大于缺陷长度增长比例;当缺陷位置不同时,结构强度主要与缺陷对应位置的平均剪应力水平相关。最后,通过参数分析讨论了界面剪切强度的影响。

冲击作用下斜接修补CFRP层间分层和胶层的损伤机制及参数分析

首先,针对斜接修补CFRP抗冲击性能差的问题,分别使用基于接触的内聚力模型(SCZM)和基于单元的内聚力模型(ECZM)描述层间分层和斜接胶层破坏,研究CFRP层板的冲击响应和两种失效的演化规律。然后,分析了冲击能量、斜接角度和预拉伸作用对两种失效的影响。结果表明:层间分层起始时间早于胶层破坏,与冲击能量无关;分层和胶层破坏面积随冲击能量增加而增大,胶层破坏面积增加的更明显;斜接角度主要影响胶层破坏,对分层面积几乎无影响;预拉伸作用对两种失效均具有负面作用。最后,进一步讨论分层对胶层破坏的影响,通过与只考虑胶层破坏的情况进行对比,发现层间分层使胶层破坏的面积降低,延缓了胶层的最终失效。