拉伸载荷下开孔层合板的渐进损伤分析

建立拉伸开孔层合板的渐进损伤模型,研究层合板的失效模式,并分析了不同孔径对开孔层合板极限载荷的影响。通过编写VUMAT子程序将Hashin失效准则和材料退化模型加入渐进损伤分析中。首先将不同网格数量的开孔层合板模型的位移-载荷曲线和试验结果进行对照,然后将仿真分析得到的失效模式与试验结果进行对照,验证模型和选用的失效准则的正确性,最后研究了不同孔径对开孔层合板拉伸极限载荷的影响。结果表明:本文建立的渐进损伤模型能够较准确地预测层合板的位移-载荷曲线和失效模式,纤维拉伸失效首先发生在孔边,并沿着45°方向进行扩展,随着孔径的增大,开孔层合板的拉伸极限载荷逐渐减小,且下降速度首先呈线性下降,然后又逐渐增大。

复合材料圆角区结构完整性研究

先进复合材料在飞机结构中的应用越来越广泛,且开始出现在中央翼盒段、机翼等主承力结构上。实际应用中发现,在梁圆角区或者肋根部的倒角区,复合材料极易发生分层破坏,对结构的安全性构成严重的威胁,故复合材料圆角区结构完整性的研究具有重要的意义。使用有限元软件Abaqus,采用三维Hashin复合材料损伤判据,从复合材料圆角区的破坏模式和初始损伤对结构承载能力的影响两个方面对复合材料圆角区进行了分析研究。研究结果表明,该结构型式的主要破坏模式为分层破坏,且破坏起始位置均在靠近内侧厚度的约1/4处;初始损伤的存在对结构承载能力的影响是致命的,可使结构的承载能力降低约75%~80%。

考虑脱层损伤模式的复合材料船体梁极限强度分析

基于复合材料三维Hashin破坏准则和相应刚度退化理论,使用基于强度理论的脱层损伤预测方法,分析了复合材料船体梁中垂和中拱状态下考虑脱层损伤模式的总纵极限强度.提出使用折减因子对不考虑脱层的复合材料船体梁极限强度进行折减,以获取考虑脱层损伤模式的复合材料船体梁总纵极限强度的计算方法.

基于精细化模型的纤维缠绕压力容器失效行为及容积特性影响因素分析

本文通过开展纤维缠绕压力容器水压爆破试验,结合数值仿真分析,探究其失效机理并分析了影响压力容器容积特性的因素。通过三维扫描仪测量出缠绕层的实际轮廓,对比三次样条公式预测的厚度,结合有限元软件Abaqus及Python脚本文件,给出了一种纤维缠绕压力容器的精细化建模方法,该方法直观且准确地描述每一个纤维缠绕层,通过在纤维缠绕层间加入内聚力单元表征层间损伤情况,利用三维Hashin失效准则对单元刚度进行衰减来实现复合材料层渐进失效分析,从而更加精确地预测压力容器的爆破压强;并结合试验测试结果对纤维缠绕压力容器失效行为进行分析;最后,基于该数值模型,开展了压力容器容积特性影响因素分析。结果表明:①三次样条厚度预测方法能较为准确地预测测地线纤维缠绕层在封头处的厚度分布情况;②采用缠绕层逐层建立并在层间插入黏性层单元,结合Hashin失效判据的渐进损伤计算方法,能够精准、全面以及直观地判断压力容器的各种损伤情况;③压力容器水压实验打爆结果为76 MPa,与有限元计算结果误差为3.3%,且位移应变结果与实际测量值误差在10%以内,表明通过载荷位移曲线破坏位置的位移突变确定爆破压强是合理的;④对于Ⅲ型压力容器,可以通过增大设计爆压提高容器的容积特性系数,且相同容积的压力容器的容积特性随着长径比的增加而减小。

纤维金属层板低速冲击仿真

采用Johnson-Cook模型模拟铝层的力学行为,选用Hashin三维准则对复合材料层内损伤进行判断,采用Camanho-Matthews折减方案进行刚度折减,同时采用粘接元描述复合层板层间失效,采用Abaqus/Explicit结合VUMAT建立玻璃纤维增强铝合金层板冲击有限元模型。结果表明:随着冲击能量的变大,测量点的位移逐渐变大,钢球反弹后的测量点最大塑性变形也逐渐增大;纤维金属层板的玻璃纤维先发生破坏,然后铝合金层出现裂纹;2种层板的抗低速冲击性能基本相同。研究结果可用于玻璃纤维铝合金层板抗冲击性能的对比分析。

Numerical simulation on thermal expansion coefficient of 3D braided C/C composites

To effectively get the thermal expansion coef- ficient （CTE） of three-dimensional （3D） braided C/C composites and study the variations, a VC＋＋ program with graphical user interfaces was obtained, based on the yam unit model and numerical analysis. With the limited basic properties of carbon fibers and carbon matrix, CTE of 3D braided C/C composites is obtained at 85 ~C. The deviation between the simulated and exl^erimental axial CTE of 3D braided C/C composites is no more than 11%. The effects of different parameters （including the braiding angle of 3D braided preform, the fiber volume fraction and the porosity of 3D braided C/C composites, and the elastic modulus, Poisson＇s ratio and CTEs of carbon fibers and carbon matrix） were analyzed with the program. The results show that the axial CTE of C/C composites decreases with the increase of the braiding angle, the fiber volume fraction, and the porosity of 3D braided C/C composites. The transverse elastic modulus of carbon fibers has the greatest effect on the axial CTE among the studied mechanical parameters, followed by the elastic modulus and Poisson＇s ratio of carbon matrix.

含拼接铺层碳纤维增强树脂复合材料拉伸破坏机制

对于尺寸较大或形状复杂的结构,通常需要在纤维增强树脂(FRP)复合材料内部对铺层进行拼接处理。铺层拼接会在材料内部引起复杂的应力分布,具有突出的安全隐患。以同一位置处出现不同层数铺层拼接的单向碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料为研究对象,重点分析了铺层拼接对材料拉伸力学性能的影响机制。通过拉伸实验,测试了拼接对其力学强度的影响;用相机记录了破坏过程,并结合数字图像相关技术(DIC)对拼接位置附近的应变场进行了监测。利用有限元模型(FEM)模拟和分析结构的破坏机制,采用3D-Hashin准则和渐进损伤模型对CFRP复合材料铺层进行模拟;采用内聚力模型对胶层失效行为进行描述。实验结果表明,拼接结构的引入大幅降低了材料的抗拉强度。FEM模拟与实验测试结果吻合度高,说明了模型的有效性。综合实验结果和模拟分析得到,铺层拼接处产生应力集中,造成被拼接的两部分分离并伴随拼接铺层和连续铺层的层间剪切破坏;层间破坏发生后,拉伸载荷完全由连续铺层承载。因此,材料的最终承载能力由材料中连续铺层数决定。