基于粘聚区模型的推进剂开裂数值仿真

为了研究复合固体推进剂裂纹开裂过程,利用粘聚区模型理论构建了复合固体推进剂断裂过程的物理和数学模型;推导了粘聚区单元的有限元离散格式;结合ABAQUS二次开发技术对裂纹扩展过程进行了数值仿真,获得了HTPB推进剂Ⅰ-Ⅱ型裂纹扩展过程中的裂纹扩展路径和裂尖应力变化情况.分析了粘聚区本构参数对仿真结果的影响,确定了其取值范围.将仿真和实验对比,结果表明所建立的数值仿真方法可以较为准确地模拟复合固体推进剂裂尖的损伤应力场,以及预测裂纹扩展路径;粘聚区模型可以为固体推进剂装药完整性和安全性分析提供可靠的分析计算方法.

整体复合材料结构失效分析的粘聚区模型

对近年来复合材料分层问题的粘聚区模型研究现状及其在整体复合材料结构元件连接界面的失效评估中的应用情况进行了简要的评述。重点指出了在目前的研究工作中存在的两类主要问题:(1)复合材料层间粘聚区模型有待解决的一些基本问题;(2)基于粘聚区模型元件连接界面的复杂失效机理模拟问题。最后指出了进一步开展的重点研究方向。

HTPB推进剂粘聚区本构模型反演识别研究

端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂在拉伸过程中裂尖存在一个明显的非线性粘聚区,粘聚区本构模型的精度影响着推进剂装药裂纹起裂和扩展过程的数值仿真结果。为了准确地获得HT-PB推进剂的粘聚区本构模型,建立了基于实验的反演识别方法,该方法通过实验获取粘聚区断裂能和断裂强度参数,使用有限元模型更新方法得到粘聚区本构曲线形式参数。将获得的本构模型应用于裂纹起裂和扩展过程仿真,研究结果表明所建立的粘聚区本构参数获取方法简单可行;所获得的粘聚区本构参数可以准确地模拟出HTPB推进剂裂纹起裂和扩展过程。

粘聚区模型在复合材料层间失效分析中的研究现状

复合材料已被广泛应用于各个领域,分层破坏是复合材料主要的破坏形式之一。对复合材料分层失效分析中主要的方法粘聚区模型进行详细的阐述。首先介绍了粘聚区模型发展历史、界面强度参数和本构关系的研究现状并对存在的问题进行了分析,然后对该模型在复合材料层间失效分析应用现状进行了阐述,重点分析了该模型在有限元应用中存在的问题。研究表明,近年来,CZM已逐步成为复合材料分层失效研究的主要方法,但在应用中需要解决强度参数确定准确性、计算收敛困难和计算效率不高等问题。

基于粘聚区模型的电阻点焊搭接失效模拟（英文）

本文主要研究电阻点焊(RSW)连接薄壁单搭接头在拉伸载荷作用下的断裂过程。对3组不同节点结构的搭接头进行试验,以获得接头的拉伸性能。为了模拟焊接接头的拉伸行为,首先采用二维轴对称有限元模型计算焊接过程中产生的残余应力,然后将结果转化为三维模型作为预应力。在此基础上,采用粘聚区模型(CZM)对拉伸载荷作用下模型中的断裂进行数值模拟。采用拉皮法和剪切搭接法提取粘聚区参数。用于模拟单搭接点焊试样的变形和失效的结果表明,在模拟变形和断裂载荷时,考虑残余应力的影响对保证预测结果的准确性是必要的。

基于粘聚区模型的含填充区复合材料接头失效数值模拟

建立了Ⅰ型与Ⅱ型失效模式耦合的粘聚单元本构模型,并通过模拟双悬臂梁实验进行了验证。将粘聚单元插入填充区任何2个实体单元之间,预测填充区的随机裂纹,模拟了接头在拉伸载荷下的失效。计算了复合材料基体、界面胶膜、填充物3者不同强度、填充区半径、填充物刚度等多种情况下接头的拉伸失效。计算结果表明:复合材料基体、界面胶膜、填充物3者的强度显著影响接头的承载能力与失效模式;随着填充区半径增大,结构承载能力也随之提高。试验结果验证了模拟结果。

基于界面断裂的粘聚区长度计算方法研究

基于各向异性双材料界面断裂力学理论,再根据D-B模型假设的有限裂纹尖端奇异性将消失,推导出复合材料分层裂纹尖端粘聚区长度的计算模型。结果显示复合材料分层裂纹尖端粘聚区具有振荡性(当振荡因子0时),并且粘聚区长度与裂纹长度、应力值及振荡因子有关。将新模型应用于界面单元法中,模拟了双悬臂梁(DCB)和混合型弯曲梁(MBB)分层扩展过程中的载荷-位移关系,并比较了不同的粘聚区长度对收敛性和计算精度的影响,结果表明该模型可较精确地计算复合材料的粘聚区长度,以此为基础划分网格能同时保证收敛性和计算精度要求,并可有效地节省运算时间。

高温差区钢塑复合管道层间脱粘特性分析

针对埋设于高温差地区的钢塑复合管易出现层间脱粘的问题,基于粘聚区模型建立了钢塑复合管道层间脱粘的计算模型,通过结合强度试验获取并校准cohesive接触参数,应用该套参数建立DN50钢塑复合管道的有限元模型,对钢塑复合管道因受到融沉破坏而导致复合层脱粘的行为进行了仿真分析,给出了管道支座设置数量的合理化建议,为高温差地区钢塑复合管道的铺设提供了参考。

压电复合材料粘接界面断裂有限元模拟

根据数字化FRMM(Fix-Ratio Mix-Mode)断裂试验,得到了压电复合材料试件的断裂韧性和位移及应变场。本文在试验的基础上,通过非线性有限元软件ABAQUS及用户子程序UMAT进行了模拟分析,采用基于损伤力学的粘聚区模型(CZM)对压电复合材料界面的起裂和脱胶扩展进行了分析,并与VCCT方法进行了比较。计算得到的荷载位移曲线更接近于试验结果,但在裂纹扩展路径上的吻合需要对粘聚区法则进一步修正。通过进一步对CZM参数进行分析,表明界面粘结强度和界面刚度对计算结果的影响很大。研究结果表明,粘聚区模型可以很好地表征压电复合材料弱粘接界面脱胶断裂问题。

内聚力单元参数影响因素研究

复合材料结构对内部分层极为敏感,粘聚区模型是研究复合材料分层扩展问题的一种很有前景的方法。在粘聚区模型中,内聚力单元的刚度、强度和网格密度必须合理设置,才能避免因为数值问题导致的不收敛。本文介绍了内聚力单元的参数选择方法,以改善计算中遇到的数值问题,病通过DCB试验在不同参数情况下的算例验证了不同参数设置下对计算的影响。结果表明,合理的参数设置使得有限元模型在较粗网格下能够获得良好的结果。

胶接结构的Ⅰ型界面断裂韧性研究进展

胶接结构相对机械连接有诸多优势,对于航空航天领域中广泛使用的纤维增强复合材料层合板的连接更为适用。胶接技术具有重量轻,连接件数目少,不引入新的孔损伤,抗疲劳性能好且能获得气动光滑面等突出优点,是复合材料连接结构设计中的优选方案。其中,胶接界面性能是研究的焦点问题之一。本文从胶接结构Ⅰ型界面断裂韧性测试的加载速率入手,将所有方法分为三大类,动态冲击加载、疲劳裂纹扩展和准静态裂纹扩展。其中,准静态裂纹扩展是使用最为频繁的,也是最能体现裂纹扩展过程的一种方法。本文从试验研究、理论分析和数值模拟三个方面对国内外在胶接结构界面断裂韧性准静态加载方面所取得的研究成果进行了系统综述,重点介绍了裂纹尖端识别方法,理论分析计算方法以及以粘聚区模型(CZM)为代表的数值模拟方法的研究现状,并对胶接结构Ⅰ型界面断裂韧性的影响因素进行综合总结,最后对胶黏剂材料、厚度以及表面处理方式对胶接结构性能的影响机制做了综述分析。

复合材料阶梯形胶接接头渐进损伤分析

建立了复合材料层合板双阶梯形胶接接头的三维(3D)有限元模型,并进行了拉伸载荷下的渐进损伤分析(Progressive damage analysis,PDA)。采用含正交各向异性损伤的连续介质损伤力学(Continuum damage mechanics,CDM)本构方程对层合板进行描述。采用粘聚区模型(Cohesive zone model,CZM)对共胶接界面进行模拟。引入合适的损伤起始和损伤扩展准则,预测了双阶梯形胶接接头的损伤扩展方式和连接效率。进一步讨论了台阶长度、外加铺层搭接长度及厚度对失效模式及连接效率的影响。

整体加筋壁板裂纹扩展轨迹模拟及控制分析

应用有限元方法并结合裂纹扩展方向判据分析模拟了飞机整体加筋壁板裂纹的扩展轨迹,与实验结果对比证明此方法的有效性;并通过壳单元模型和粘聚区渐进损伤模型详细讨论了影响整体加筋壁板裂纹扩展的筋条参数,研究了壁板筋条对裂纹止裂的控制,并对不同参数下裂纹的应力强度因子和扩展情况作对比分析.文章所述方法和结论对于飞机整体加筋壁板的损伤容限设计具有指导意义.

复合材料层压板分层损伤扩展与压缩强度预测

应用三维渐进损伤分析与粘聚区模型方法模拟含分层损伤复合材料层合板在压缩载荷下的分层扩展与整体失效过程。对含损层合板的纤维、基体损伤与层间分层损伤的萌生与扩展以及它们之间的耦合作用进行了研究。计算得到了含分层损伤层合板在压缩载荷作用下的载荷-位移曲线,并预测了其极限强度。结果显示预测数据与实验数据吻合良好。最后讨论了分层参数对含损层合板剩余强度的影响。

纤维增强复合材料胶接结构疲劳特性研究进展

纤维增强复合材料胶接结构的疲劳特性与纤维、环氧树脂以及胶黏剂的特性紧密相关,为了开展复合材料胶接结构的疲劳性能研究,本文提出适用于复合材料胶接结构的疲劳分析方法,完成复合材料胶接结构的抗疲劳设计,从复合材料层压板、层间以及胶接界面等研究对象的疲劳特性分析方法入手,全面综述了国内外学者在复合材料结构、金属胶接结构以及复合材料胶接结构的疲劳特性及寿命预测方法等方面的研究进展。结果表明:采用S-N曲线拟合得到寿命预测模型对复合材料胶接结构进行寿命预测是行之有效的,以此为依据开发基于物理机制的有限元寿命预测模型可以对疲劳裂纹扩展及疲劳特性进行分析,对于层间损伤和界面损伤,多采用粘聚区模型进行模拟分析,可以为复合材料胶接结构的疲劳失效分析方法的建立提供指导。

基于渐进损伤模型的U-cor增强泡沫夹层结构平拉性能仿真

为了研究U-cor增强泡沫夹层结构的平拉性能,使用ABAQUS进行了渐进损伤分析。基于三维渐进损伤分析方法,通过用户子程序编写了复合材料本构;基于粘聚区模型,采用Cohesive Contact来模拟胶接界面的损伤;基于细观几何结构,假设周期性边界条件并建立了单胞模型。通过分析得到U-cor的平拉强度和损伤过程,并进行试验验证。结果表明:在平拉载荷作用下,发生损伤的部位是中间层泡沫以及基体与表层泡沫的胶接界面;试验值与计算结果误差较小,证明了有限元模型的准确性。该文研究成果,可为U-cor的强度预测提供可靠的仿真方法。

整体复合材料结构分层疲劳全寿命预测方法研究

基于粘聚区模型的观点,认为外载荷作用下整体复合材料结构各元件变形均累积于连接界面,则界面分层扩展可用位移间断δ的演化来表征。以此为基础,建立常幅载荷下分层界面损伤-寿命与应变能释放率-寿命之间的联系,将准静态载荷下的位移间断分为三种情形。提出四个假设,分层疲劳全寿命由基体裂纹形成寿命NM、分层开始寿命ND和分层扩展到一定尺寸寿命NG三部分组成。给出了变幅载荷下界面损伤累积的计算方法和分层疲劳全寿命预测流程。最后,通过两个算例预测常幅和变幅载荷下复合材料分层疲劳全寿命,计算结果与试验结果一致,表明了本文方法的合理性。

U-cor增强泡沫夹层结构剪切性能

为了研究U-cor增强泡沫夹层结构的剪切性能,使用ABAQUS进行了有限元分析。基于三维渐进损伤分析方法,通过用户子程序编写了复合材料本构;基于细观几何结构,假设周期性条件并建立了单胞模型。通过分析得到U-cor的剪切强度和损伤过程,并进行试验验证。结果表明:无论是承受纬向剪切载荷还是经向剪切载荷,首先发生损伤的都是中间层泡沫;纬向剪切强度大于经向剪切强度;试验值与计算结果误差较小,证明了有限元模型是准确的。该研究成果可为U-cor的剪切强度预测提供可靠的仿真方法。

冰雹冲击复合材料层合板仿真研究

针对飞机空中受冰雹撞击会造成复合材料结构分层或损伤问题,用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对复合材料的抗冰雹冲击行为进行分析。采用光滑质点流体动力学方法(Smooth Particle Hydrodynamic,SPH)模拟冰雹冲击刚性平板的高度非线性力学行为。通过对比模拟结果与实验数据知两者吻合较好,验证冰雹模型的准确性。将该模型引入冰雹冲击复合材料结构模型,采用粘聚区模型(Cohesive Zone Model,CZM)预测复合材料结构的分层损伤,获得合理计算结果;并分析冰雹撞击层合板损伤情况及不同参数对层合板损伤影响。

基于内联三维网络复合材料自修复实验及数值模拟

通过用热塑性树脂纤维EMAA将铺层好的预浸料沿厚度方向进行缝合及平面方向进行编入,建立起内联三维自修复网络,固化成型之后加工成双悬臂梁(DCB)试件。根据ASTM D5528—01标准测试了试件的Ⅰ型层间断裂韧性。实验结果表明,内联自修复网络层合板的Ⅰ型层间断裂韧性比无自修复网络层合板提高了约116%,自修复后,试件断裂韧性得到很好的恢复,修复效率约为164%。同时,在基于粘聚区的界面单元法基础上,建立了模拟修复剂及树脂基体的双分区粘聚区模型,通过有限元分析方法研究了无修复剂试件、含内联自修复网络试件及自修复后试件的分层裂纹扩展过程,数值结果与实验结果基本吻合,更好地解释了含内联自修复网络试件的层间增韧及自修复机理。