基于NSGA-Ⅱ的复合材料防撞梁碰撞损伤多目标优化

为在设计时考虑低速碰撞损伤对碳纤维复合材料(CFRP)防撞梁力学性能的影响,发展了改进Hashin失效准则的VUSDFLD子程序来判定低速碰撞时CFRP防撞梁7个方向的损伤程度,采用壳单元模拟了复合材料的力学性能,建立了CFRP防撞梁低速碰撞有限元显式动力学模型。采用该方法对相同实验条件下的复合材料层合板低速冲击剩余强度进行了计算,并将计算结果与实验结果进行了对比,仿真结果与实验结果吻合较好。在此基础上,以复合材料防撞梁铺层厚度和铺层角度为设计变量,将复合材料防撞梁的质量和低速冲击时产生的损伤单元数作为优化目标,建立了CFRP防撞梁低速碰撞损伤动力学多目标优化模型,采用基于Pareto策略改进的NSGA-Ⅱ非支配排序遗传算法对其进行多目标优化求解。优化后,CFRP防撞梁质量由1.02 kg降为0.76 kg,减重率为25%;损伤单元数由30238个降为23206个,损伤降低率为23%。结果表明,所发展基于Hashin失效准则的VUSDFLD子程序和对CFRP防撞梁低速碰撞损伤多目标优化是行之有效的,为复合材料防撞梁结构的优化设计提供了参考。

基于Hashin准则的复合材料层合结构低速冲击研究

利用ABAQUS软件对复合材料层合板结构低速冲击过程中层内破坏以及层间破坏进行相关探究。在有限元模型中使用壳单元与实体壳单元模拟复合材料部分,利用Hashin准则并结合损伤演化过程模拟层内破坏,引入内聚力单元模拟分层破坏。通过与Y.Shi的实验结果进行对比分析得出:实体壳单元可更好地应用于复合材料层合结构低速冲击问题。并且基于上述结论以及在工程方面的应用对复合材料加筋结构低速冲击问题进行了相关研究,结果表明:复合材料加筋结构可以较为有效地抵抗低速冲击破坏;冲击位置距筋条越近,结构吸收能量越多;结构破坏沿着筋条方向扩展。为复合材料加筋结构的设计以及仿真提供参考。

碳-芳纶纤维复合材料高速冲击响应数值模拟

针对层板高速冲击问题,基于连续损伤力学,建立了由8节点的Cohesive单元和8节点实体单元组成的三维有限元冲击模型。由于Hashin准则可以良好地预测纤维损伤;Puck准则可以良好地预测基体损伤,所以采用Hashin与Puck混合形成的准则与单一Hashin失效准则进行对比分析,发现混合准则的预测更接近试验值。在此基础上,分析铺层角度和冲击角度对层板抗冲击性的影响,结果表明,相邻铺层角度差越大,入射角度越大,层板的抗冲击性能就越强。

复合材料π接头渐进失效分析

针对复合材料π接头复杂的失效形式,采用材料刚度退化的方法模拟结构的渐进失效过程.用Abaqus建立某复合材料π接头的三维有限元模型;采用三维Hashin失效准则和Ye分层准则判别复合材料层合板的5种失效形式,将理想弹塑性材料模型应用于胶层材料来模拟胶层材料的失效,在Abaqus中建立考虑复合材料层合板和胶层失效的分析子程序;在子程序中,定义6个场变量代表纤维拉伸破坏、纤维屈曲、基体拉伸开裂、基体压缩开裂、分层失效和胶层失效等6种失效形式.在递增的拉伸载荷作用下对所建模型进行失效分析,结果表明该方法能有效地对复合材料π接头进行初始失效位置及载荷的判别和最终失效预测.

碳纤维增强树脂基层板应变率相关损伤数值研究

为了研究高应变率载荷对于碳纤维增强树脂基复合材料变形破坏行为的影响,通过应变率修正式对复合材料的刚度与强度进行修正,建立了可考虑应变率效应的复合材料损伤数值模型,采用该模型对不同应变率条件下层板结构的面内破坏行为进行了模拟并与文献实验进行了对比分析。计算结果表明:本文所构建的数值模型可以有效预测树脂基层板结构在不同应变率条件下的破坏特征,并在材料刚度与强度硬化现象的预测方面有着较高精度;对于0°、90°铺层主导的试件,由于其力学性能近似为线性,数值模型在强度预测方面获得了较高精度;而对于±45°铺层主导试件,其在不同应变率条件下表现出较强的非线性损伤特性,因此模型在其强度性能预测方面存在一定误差。

湿热环境下复合材料层合板本构模型研究及其应用

近年来复合材料被广泛地应用于航空航天等工程领域。在实际的使用中,复合材料在不同的湿热环境下其力学性能会发生显著变化,针对这一问题,国内外已有大量的试验研究,而对湿热环境下复合材料的本构模型理论的研究则较少。在经典层合板理论基础上引入湿热膨胀系数的概念,通过定义一个无量纲的温度,建立材料弹性常数与湿热参数之间的函数关系,推导出复合材料单层板在湿热力耦合作用下的本构关系,同时加入三维Hashin失效判定准则对层合板的损伤演化及失效模式进行模拟。结果表明:该模型较好地预测了复合材料层合板在不同湿热环境下的弹性响应,为分析实际工程中复合材料结构模型在湿热环境下的力学行为提供了重要参考。

飞机复合材料结构过渡区减层设计

随着航空科学技术的发展,复合材料在飞机结构中的应用越来越广泛。为了减轻结构重量,匹配不同的面内载荷和弯曲载荷,改变层合板的厚度势在必行,而这种厚度的改变可以通过减层来实现。但是,层合板铺层递减会造成结构几何不连续,加上剪切滞后效应的影响,会导致复合材料结构内部和局部应力集中。本文采用有限元分析软件ABAQUS,应用三维HASHIN准测,对复合材料结构铺层递减的斜率和递减方式两种因素对结构性能的影响进行了分析,最后给出了设计建议。

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%。

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。

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。

复合材料螺栓连接结构的失效行为

螺栓连接是复合材料层合板结构最普遍的连接方式,但连接处通常也是结构中较为薄弱的部分.为了保证航空结构的安全性,对复合材料螺栓连接结构进行失效载荷评估尤为重要.基于Hashin失效准则,以复合材料单钉沉头螺栓连接结构为研究对象,建立了螺栓连接接头失效行为的3D有限元(finite element,FE)失效预测模型.基于Abaqus,用Fortran语言二次开发了UMAT用户自定义程序.针对接触面摩擦系数、螺栓-孔间隙以及螺栓预紧力等影响因素进行参数化研究,分析了这些参数对复合材料螺栓连接结构中失效载荷的量化影响,并与实验结果进行比对,为连接结构提供了安装设计依据.

二维机织C/SiC复合材料非线性力学行为数值模拟

建立了考虑纤维束内部缺陷以及外部基体缺陷的多尺度单胞模型。首先依据电镜扫描图和材料内部单胞的密度,确定了纤维束单胞和复合材料单胞的几何尺寸;然后引入周期性边界条件,利用含缺陷的纤维束单胞模型计算了其初始模量和强度;最后使用由电镜扫描图确定尺寸的复合材料单胞模型,利用上一尺度的材料参数,对复合材料的模量进行了预测;并建立了含损伤纤维束单胞的刚度矩阵,运用基于不同失效模式下损伤状态变量的刚度渐进折减法表征材料积分点损伤,通过数值结果与试验结果的对比,分析了Hashin准则作为判定纤维束起始损伤的适用性,并最终据此给出了单轴载荷作用下受损材料参数的变化情况。分析表明:基于考虑两种缺陷的多尺度模型,使用Hashin准则对C/Si C复合材料单胞进行非线性应力-应变行为数值预报与实验吻合良好。

预应力状态下复合材料板冲击响应数值方法研究

考虑初始拉伸应力或初始压缩应力的影响,对复合材料层合板的高速冲击响应进行研究。基于显式有限元方法,引入三维Hashin失效准则模拟层内纤维和基体的损伤和演化过程,结合Cohesive单元模拟层间分离破坏过程,建立数值模型,分析不同冲击能量下的预应力复合材料层合板的冲击响应。数值计算结果表明:预应力状态对冲击变形、冲击载荷峰值、冲击极限速度、分层损伤模式和损伤耗能分布均有影响;总体来说,压缩预应力降低了复合材料层合板的抗冲击性能,而拉伸预应力效果不能下定论。作为复合材料冲击过程的重要影响因素,预应力状态必须加以考虑。

Mechanical Behavior of a Glass-fiber Reinforced Composite to Steel Joint for Ships

在海洋的结构合成的增强的眼镜纤维的使用正在变得更普通，特别地由于潜在的重量积蓄。在增强的聚合物(GRP ) 上层建筑和钢壳形成了的眼镜纤维之间的关节的机械反应被检验并且随后修改了通过当模特儿并且测试的一个联合程序改进性能。一个有限元素的模型被开发预言关节的反应。模型在在不同材料，进步损坏，大变丑理论，和一种非线性的压力紧张关系之间的接口考虑接触。预言进步失败，分析联合 Hashin 失败标准和最大的压力失败标准。结果表演压力反应在力量上有大影响并且关节适用。Balsawood 钢接口被证明对关节的机械行为批评。在试验性的结果和数字预言之间的好同意被观察。

含初始几何缺陷的船用复合材料加筋板后屈曲的渐进失效分析

This work explores the postbuckling behavior of a marine stifened composite plate in the presence of initial imperfections.The imperfection shapes are derived from buckling mode shapes and their combinations.Thereafter,these imperfection shapes are applied to the model,and nonlinear large defection fnite element and progressive failure analyses are performed in ANSYS 18.2 software.The Hashin failure criterion is employed to model the progressive failure in the stifened composite plate.The efect of the initial geometric imperfection on the stifened composite plate is investigated by considering various imperfection patterns and magnitudes.Results show that when the magnitude of the imperfection is 20 mm,the ultimate strength of the stifened composite plate decreases by 31%.Moreover,global imperfection shapes are found to be fundamental in determining the ultimate strength of stifened composite plates and their postbuckling.

Hashin准则的应力应变形式在复合材料渐进损伤计算中的对比

Hashin准则在复合材料渐进损伤分析中得到广泛应用,它的原始形式用应力表达,而在渐进损伤实际计算中用到了应变形式。推导了这两种形式下渐进损伤计算中需要的复合材料非线性本构关系及对应的切线刚度矩阵,对比分析了它们之间的不等价性。将这两种Hashin准则形式与不同损伤演化模型相结合,应用于开孔板的渐进损伤数值模拟,并与试验数据相对比。将Linde损伤演化模型分别与Hashin准则变形式和应力形式组合,前者的计算结果与试验值符合更好;将Sleight损伤演化模型与Hashin准则应力形式相结合,选取不同的衰减控制参数进行数值模拟,控制参数取0.8时比取其他值与试验结果符合更好。理论推导和数值模拟结果对复合材料渐进损伤实际应用中合理选取损伤准则形式和损伤演化模型有指导意义。

复合材料球面框球皮冲击损伤形貌的数值分析

根据民用飞机复合材料球面框球皮的实际结构铺层与材料体系,建立了三维冲击损伤分析模型并采用Hashin失效准则,对球皮层合板进行数值模拟。同时,采用ASTM D7136试验标准进行低速冲击,试验数据与计算结果吻合较好,表明该模型可用于预测球面框球皮层压板结构在低速冲击下的损伤形貌和尺寸大小。

考虑自增强影响的Ⅲ型复合材料气瓶连续损伤模拟及渐进失效分析（英文）

目的:成型后的金属内胆复合材料气瓶,即III型复合材料气瓶(以下简称气瓶),需采用自紧工艺来提高疲劳寿命。最佳自紧压力是自紧工艺的重要参数。本文旨在建立确定最佳自紧压力和气瓶渐进失效的有限元方法,研究自紧后气瓶纤维和基体损伤演化规律,并探讨自紧后气瓶复合材料层和金属内衬层的应力变化。创新点:1.建立针对三维气瓶的Hashin失效准则和指数型损伤演化的渐进失效模型,并通过ABAQUSUMAT隐式有限元方法确定气瓶最佳自紧压力;2.通过渐进失效分析,揭示自紧后的气瓶纤维和基体损伤的损伤演化规律,并阐明自紧对气瓶渐进失效的影响。方法:1.基于连续损伤力学,建立三维Hashin失效准则和指数型损伤演化的渐进失效理论模型;2.通过ABAUQS-UMAT二次开发用户子程序实现渐进失效理论模型,并开展气瓶渐进失效计算;3.通过平板拉伸算例以及与气瓶试验数据对比,验证模型的准确性。结论:1.基体损伤首先出现在螺旋层,而纤维损伤首先出现在环向层。2.除了自紧后的泄压阶段和自紧后重新加压至压力值等于自紧压力的升压阶段,有无自紧的气瓶损伤演化规律基本一致;而在上述泄压和升压阶段,基体损伤保持不变,说明经过自紧后的气瓶在工作压力下存在基体损伤。3.当内压压力低于自紧压力时,自紧工艺才会影响气瓶应力分布;且随着压力的升高,基体损伤不变,内衬应力减少,纤维应力增加;此外,经过自紧的气瓶在工作压力下最大环向和轴向内衬应力减少且出现在筒体部分的两端。