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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

可降解镁合金支架聚合物涂层剥离的有限元模型及实验研究(英文)

可降解镁合金支架(MAS)能够改善商用裸支架和药物洗脱支架的长期治疗效果。由于镁合金支架在人体内降解速度太快,限制了其对病变血管的支撑性能。保护性聚合物涂层为镁合金支架提供了一种降低腐蚀速度的有效方法。然而,聚合物涂层在支架扩张时出现的剥离现象是阻碍其运用的一大障碍。在本研究中,分别运用有限元方法和实验方法对一种优化设计的镁合金支架进行了聚合物涂层剥离问题的研究。首先通过90o剥离实验测试,为粘聚区有限元模型提供了临界能量释放率,以此为基础的90o剥离的模拟结果和实验结果吻合良好。运用可靠的粘聚区模型参数,支架-聚合物涂层有限元模型考察了支架在扩张过程中是否会发生涂层剥离现象。本研究为考察支架聚合物涂层剥离现象提供了一种简单可靠的方法,为改善可降解镁合金支架的聚合物涂层性能提出了相应的建议。

含缺陷复合材料T型接头失效数值分析

针对复合材料T型接头优化设计问题,利用粘聚区模型(CZM)建立了可预测复合材料接头拉伸破坏过程的分析方法。将填充物缺陷加入该模型,填充区裂纹的起始是随机的,重点分析填充物缺陷的位置、尺寸大小以及填充物刚度对接头承载能力的影响。计算结果表明:模拟结果与实验结果吻合较好;无论缺陷位置如何,缺陷尺寸越大,结构承载能力越弱;结构承载能力对上角缺陷最为敏感;填充物刚度在3～50 MPa时,填充物刚度较大的接头损伤容限特性更好;不同的缺陷位置,破坏模式差异较大,但起裂点或最终失效处都在缺陷附近的基体中。

基于CDM-CZM的复合材料补片补强参数分析

复合材料开口补强设计参数的确定对于结构设计具有重要的意义。针对复合材料层合板开口区补片补强结构,采用各向异性材料连续介质损伤力学模型(CDM)对复合材料层合板的损伤演化进行描述,采用粘聚区模型(CZM)对补片与母板间界面材料的分层损伤进行模拟,建立了复合材料开口区补片补强结构三维非线性渐进损伤模型,模型可预测补强结构强度和损伤演化过程。应用本文模型分析了补片铺层方式、补片厚度和补片半径3个主要设计参数对补强效果的影响,明确了补片与母板间界面材料分层损伤破坏是导致补强结构最终失效的主要原因。

拉伸载荷下贴补复合材料层合板的渐进损伤分析

基于连续介质损伤力学和粘聚区模型建立了贴补复合材料层合板的渐进损伤分析模型,计算了拉伸载荷下修补结构的极限强度。数值仿真结果和实验结果吻合较好,验证了该模型的有效性。基于建立的模型研究了贴补复合材料层合板的损伤演化过程,并讨论了补片参数对修补结构拉伸性能的影响。研究结果表明:补片参数对贴补复合材料层合板的破坏模式与损伤演化过程有显著影响;不同破坏模式下,补片参数的改变对修补结构极限强度的影响效果不同。研究结果可为复合材料层合板的贴补设计提供部分理论参考。

胶接修补复合材料层合板失效分析的PDA-CZM方法

建立了一种预测胶接修补复合材料层合板的损伤演变与剩余强度的PDA-CZM方法。该方法应用三维渐进损伤分析(PDA)方法和粘聚区模型(CZM)分别模拟复合材料层合板和修补胶层的失效过程。对修补层合板的纤维断裂、基体开裂、层间分层以及胶层脱胶等损伤的萌生和扩展以及它们之间的耦合作用进行了研究。计算得到了修补结构的载荷-位移曲线,并预测了其极限强度。计算结果和试验数据吻合良好,验证了PDA-CZM方法的有效性。最后,讨论了修补参数对剩余强度的影响规律。