双层蜂窝夹层板静压痕试验和数值分析

【目的】研究双层蜂窝夹层板在静压痕力作用下的损伤情况。【方法】对双层蜂窝夹层板进行静压痕试验,在试验过程中引入数字图像技术(digital image correlation,DIC),测量试件表面的变形,并采用ABAQUS有限元软件建立三维失效模型,将试验结果与仿真模型进行对比。【结果】通过分析得出夹层板蒙皮的破坏模式主要是纤维断裂和基体破坏。【结论】蒙皮破坏后回弹能力大幅下降,蒙皮正面通常发生基体压缩损伤,蒙皮背面通常发生纤维断裂。

复合材料层合板静压痕试验及全过程数值分析

复合材料层合板在静压痕力作用下主要发生层间分层、基体开裂、基体压缩破坏、纤维断裂和纤维压坏这几种损伤模式。本文利用ABAQUS有限元程序,对在静压痕力作用下的复合材料层合板建立一个基于Hashin强度准则的全过程模型,并对各层各单元进行损伤演判。利用有限元模型对碳纤维NCF材料层合板在静压痕力作用下的荷载-位移曲线进行预测,并模拟层合板的损伤全过程,以及预测凹坑深度与静压痕力的关系曲线。对层合板进行静压痕试验,测试复合材料层合板在静压痕力作用下的荷载-位移曲线,并在试验过程中用凹坑深度仪测量层合板的凹坑深度。将数值模拟与试验结果比较,两者结果较为吻合。

层合板静压痕及压缩强度试验与其数据统计分析

复合材料层合板在低速能量冲击后的压缩强度变化是航空器结构设计应用的重要依据。本研究运用标准静压痕及冲击后压缩强度试验方法,对工程中两类典型的碳纤维及玻璃纤维树脂基复合材料层合板进行了静压痕及压缩强度试验研究,并采用数理统计方法,对试验数据进行了处理,给出了冲击后有效弹性模量及压缩极限强度的分散性表征及其拟合分布,计算了A、B基准值。研究结果表明:冲击后两类复合材料层合板的有效模量与强度特性仍遵从正态分布的概率推断;但较玻璃纤维增强的树脂基复合材料层合板,碳纤维增强复合材料呈现更明显的脆性。

2D C/SiC复合材料的静压痕力的损伤表征

为考察2DC/SiC复合材料在外力作用下产生的不可见损伤对其力学性能的影响。通过静压痕实验引入损伤,采用红外热波成像和残余性能测试的方法,表征2DC/SiC复合材料的损伤。结果表明:施加能量为0.75J时,复合材料内部开始产生损伤,施加能量为1.8J(接触力1 700N、压痕深1mm)时,损伤模式发生转变;随着损伤程度的加重,残余压缩强度下降率约为残余拉伸强度下降率的2倍。

复合材料加筋层合板准静态压痕实验研究及数值分析

利用ABAQUS有限元程序所建立了一种基于用户子程序USDFLD和Hashin强度准则的复合材料损伤计算模型,用该模型对复合材料加筋层合板在静压痕力作用下主要发生的纤维拉伸破坏、纤维微屈破坏、基体拉伸破坏、基体压缩破坏、层间拉伸破坏、层间压缩破坏这几种基本损伤模式进行分析。对复合材料加筋层合板在静压痕力作用下进行损伤全过程数值研究,利用该有限元模型预测复合材料层合板静压痕力作用下的荷载-位移曲线以及凹坑深度与静压痕力的关系曲线。数值仿真与实验结果吻合较好,表明该损伤模型方法的可行性。复合材料层合板加筋后拐点处的凹坑深度明显加大,达到0.84mm。通过对加筋板的刚度和强度失效规律的分析,为进一步的复合材料格栅加筋结构(如飞机结构中复合材料后压力框)的性能分析提供参考。

层间颗粒增韧复合材料层压板的损伤阻抗特性

采用热塑性颗粒对HT7/5228、HT3/NY9200G和HT3/5224三种高温固化环氧基体复合材料层压板进行层间增韧。为了提高冲击后压缩强度(CAI)和考察损伤阻抗, 测试了平均分层起始能量eⅡc以及接触力凹坑深度关系。试验结果表明, 增韧颗粒和基体树脂形成的层间区域能有效地吸收断裂能量并抑制分层的发生, eⅡc显著提高。在静压痕力下, 层间增韧复合材料层压板具有较深的凹坑深度和较小的损伤面积。层间增韧的几何效应、裂纹传播路径控制、颗粒桥联以及裂尖屏蔽是主要的增韧机理, 颗粒的塑性变形和最终失效也耗散了大量断裂能量。

复合材料层合板损伤区域扩展全过程分析

对碳纤维NCF层合板进行了2组准静态压痕试验。第1组采用不同的压头尺寸探究不同压头直径对层合板损伤区域和面积的影响;第2组进行固定压头尺寸的重复试验,使用非接触空气耦合超声波扫描试样损伤情况,研究静压痕力、凹坑深度、损伤面积三者之间的联系。利用Abaqus有限元软件,根据Hashin准则和内聚力单元的结合,对第2组层合板准静态压痕试验进行全过程的损伤扩展分析。分析结果表明,基体拉伸的破坏是层合板最容易出现的破坏,而且其损伤区域涵盖了其他4种损伤区域。凹坑深度与损伤面积存在一定联系,试验开始阶段凹坑增加速度缓慢,损伤面积增加速度较快;接近极限载荷时,凹坑深度增加速度加快,损伤面积增加速度减缓。

准静态压痕力作用下复合材料层合板的凹坑深度预测方法

建立了一种在准静态压痕力作用下复合材料层合板凹坑深度的预测方法。首先采用基于应变描述的Hashin和Yeh失效准则并结合有限元法,对复合材料层合板在准静态压痕力作用下的失效过程进行渐进损伤分析,获取一系列的材料性能退化信息。其次采用Sun的方法对局部损伤区材料的弹性参数进行等效处理。最后结合Turner的接触理论预测了凹坑深度-接触力曲线。计算结果表明,基体开裂与分层是导致层合板开始产生凹坑的主要原因,纤维断裂是导致凹坑深度急剧增加的主要原因。分层起始载荷、最大接触力及各自相应的凹坑深度的预测结果与试验值具有较好的一致性。

复合材料层合板静态压痕与损伤行为

发展了层合复合材料面内及分层失效模型,模型考虑了横向压剪残余剪切变形和分层残余相对位移。提出一种块体单元包含若干铺层的模型,以减少复合材料逐层分析时的计算量。对一种碳纤/环氧层合复合材料进行了横向压痕试验,测量了不同压力下凹坑的深度,用超声C扫测得损伤面积。用发展的模型在ABAQUS平台上通过用户材料子程序UMAT模拟了上述试验,分析了试验曲线特征点对应的损伤机制,通过与试验结果的对比,验证了本文模型的合理性。