电动飞机蒙皮结构的冲击损伤试验与优化设计

飞机蒙皮结构常受到冰雹、维修碰撞等低能冲击,机身结构易出现损伤,引发飞机性能减退。为了提高蒙皮结构的抗冲击性能,结合Hashin失效准则建立了一种复合材料泡沫夹层结构低速冲击有限元等效模型,并利用超声C扫描对冲击后的复合材料泡沫夹层进行无损检测,试验结果表明,与无损检测结果相比较,模拟结果的误差低于10%,证明了该冲击等效模型的合理性。最后利用该有限元等效模型对某型电动飞机机身复合材料泡沫夹层蒙皮结构进行优化设计,以提高抗冲击能力、减小吸收的破坏能量、降低结构损伤程度为目标,在相同铺层数量下,得到了最优的复合材料泡沫夹层结构铺层设计方案。

碳纤维开孔层合板拉伸载荷下的失效分析

【目的】研究开孔碳纤维复合材料层合板在拉伸载荷下的失效行为,并确定铺层顺序、铺层角度对极限载荷的影响。【方法】通过Abaqus有限元软件和Hashin失效准则,建立壳单元在拉伸载荷下的失效模型,利用该失效模型进行数值模拟分析。【结果】0°层失效首先发生在孔边,随着孔边失效区域的不断扩大,呈现由X形向沙漏形转变的趋势;在达到极限载荷前,承载力与位移成正比,之后承载力迅速下降,层合板将迅速失效;铺层顺序对层合板的强度影响不大,铺层角度对层合板的极限载荷影响较大。在一定范围内增加±45°铺层的数量,不仅可以延缓层合板的失效,而且可以提高极限载荷值。【结论】研究结果对开孔碳纤维复合材料层合板的实际应用具有指导作用。

考虑多种失效模式耦合的复合材料损伤分析

复合材料的损伤失效形式是多样的,其损伤失效形式包括层合板损伤、胶体裂纹扩展和界面脱黏。为了探讨层合板损伤、胶体裂纹扩展、界面脱黏3种损伤失效之间的内在联系,先利用ABAQUS/Explicit软件建立混合型弯曲(MMB)断裂有限元模型,通过数值仿真结果与实验结果的比较,从而证明MMB模型的准确性。然后结合Hashin失效准则、扩展有限元法(XFEM)和内聚力模型(CZM)来研究3种失效模式的内在联系。结果表明:层合板损伤不仅可以影响界面脱黏失效发生时间,同时也能影响胶体中裂纹扩展路径,为复合材料损伤问题数值分析提供了一定的参考。

基于改进Hashin准则的复合材料低速冲击损伤研究

针对复合材料力学性能的分散性和传统模型中退化系数选取的随意性问题,将退化系数与复合材料强度的威布尔分布参数相结合,采用改进的三维Hashin准则建立了复合材料低速冲击渐进损伤模型。考虑复合材料非线性剪切行为改进了Hashin准则,将原始准则中的剪切项用应变能替代,并采用最大应变准则判断剪切失效,避免了应力准则导致的变形不连续。采用该模型对三种能量下的T300/3501复合材料层合板低速冲击过程进行了仿真分析,计算得到的冲击响应曲线、层内和层间分层损伤结果与实验结果吻合良好,表明建立的模型适用于复合材料层合板低速冲击损伤预测。

基于Hashin准则的单层板渐进失效分析

以Hashin准则作为复合材料单层板的失效判据,基于材料的参数退化准则,并考虑单层板的累计损伤,利用渐进失效分析方法对受单向拉伸的[0]16单层板进行损伤数值分析。数值分析结果与实验结果相当吻合,表明该方法预测单层板的损伤失效比较准确。在此基础上,运用该方法对含圆孔单层板的单向拉伸破坏进行了失效扩展仿真分析,计算了不同单层板的初始和最终失效载荷,揭示最终失效载荷与铺层角度的关系,这对进一步认识复合材料的失效机理有着重要的意义。

弱蜂窝夹层板自然老化后弯曲性能试验和仿真研究

中小型无人机结构设计中大量应用了弱蜂窝夹层板,由于其寿命周期长期处于贮存状态,难以确定结构在长期自然老化后的状态。以弱蜂窝夹层板为研究对象,开展其在长期自然老化后的弯曲性能试验研究。基于Hashin失效准则和刚度退化模型,建立有限元分析模型,深入研究蜂窝芯层和面板在弯曲下的力学响应和失效形式。结果表明:经过长期自然老化,弱蜂窝夹层板的弯曲强度有所提高,且试验数据具有良好的稳定性;其主要失效模式为下面板断裂,与预期一致;数值模拟结果及失效过程与试验吻合较好。

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。

轴向压缩荷载作用下纤维增强柔性管渐进失效研究

以一种黏结型的纤维增强柔性管为研究对象,基于ABAQUS/Explicit建立纤维增强柔性管的实体单元模型,根据Hashin-Yeh失效判据判断柔性管模型失效情况,使用了嵌套非线性刚度退化模型的VUMAT子程序,发展了轴向压缩下纤维增强柔性管的渐进失效模型,具有准确判断柔性管在压缩工况下失效模式、位置的功能。通过压缩实验验证了有限元模型,数值模拟与实验得到的力与位移关系吻合较好。在此基础上进一步分析了压缩工况下,柔性管各失效模式的演化过程。研究结果表明:压缩工况下,纤维增强柔性管失效的主要模式为基体压缩及纤维压缩失效,且各失效模式出现于管道的不同位置。柔性管纤维缠绕角度大于30°时,主要的失效模式由纤维压缩失效变为基体压缩失效。

基于仿真分析的直升机座椅静强度研究

直升机座椅的抗坠毁性能是保护驾驶员的重要保障之一,座椅的静强度与动强度性能是衡量座椅可靠性的重要指标。本文以座椅静强度性能为出发点,以某型直升机座椅为例,根据适航要求设计了基于不同加载方向的座椅静强度测试试验。为进一步计算评估座椅的静强度性能,基于有限元分析方法,通过Abaqus对座椅的静载荷加载试验进行了模拟,分析了该座椅在不同加载条件下的变形量、Mises应力分布与材料损伤情况,通过仿真与试验结果相结合的方式验证了该型机座椅的可靠性,并为直升机座椅的性能模拟计算提供了有力的技术支撑。

复合材料带填充钉孔层压板拉伸载荷下损伤特性分析

复合材料填充钉孔层压板常用于机械连接设计中,考虑了开孔处的螺栓约束和层压板钉孔周边区域挤压变形的旁路失效问题,主要用于飞机复合材料结构的强度许用值设计,在航空航天等领域受到日益广泛的应用。为比较依据不同失效准则开展的复合材料带填充钉孔层压板拉伸损伤扩展失效特性,利用ABAQUS有限元软件,建立了二维和三维有限元模型,建模中考虑了材料非线性行为和失效判断等基本问题,基于Hashin准则和LaRC05准则对相应铺层顺序的含填充钉孔复合材料层压板进行了静态拉伸数值模拟,根据ASTM D6742进行了填充钉孔层压板单轴拉伸试验,将数值模拟结果与试验结果进行对比,数值模拟结果较好地模拟了含填充钉孔复合材料层压板的拉伸渐进失效模式,具有良好的工程应用意义。

水动力载荷下复合材料螺旋桨强度评估

为开展水动力载荷下复合材料螺旋桨强度评估研究,首先采用ANSYS/CFD计算螺旋桨流体模型在设计工况下的水动力载荷,并基于ABAQUS软件通过编码INP文件将水动力载荷施加于螺旋桨结构强度模型上;然后基于Hashin失效准则,分析不同铺层角下螺旋桨可能出现的失效模式,进行复合材料螺旋桨结构强度的评估分析;最后,依据应力等效原则,将水动压力载荷等效为集中载荷,开展模型桨静强度试验和仿真计算。结果显示:仿真计算结果与试验结果吻合良好,最大误差在9%以内,验证了复合材料螺旋桨强度评估方法的可靠性。

塑料内胆复合材料气瓶有限元分析与爆破试验

本文针对塑料内胆70 MPa碳纤维全缠绕气瓶进行铺层设计、模拟仿真分析与爆破试验研究。首先,基于网格理论对塑料内胆气瓶进行铺层设计;接着,采用ABAQUS建立气瓶的内胆模型与复合材料层模型;然后,通过UMAT子程序定义了气瓶筒身段与封头位置复合材料属性,基于Hashin损伤理论定义了渐进损伤模型,用于预测气瓶爆破压力;最后,对气瓶进行了爆破试验,并在试验过程中使用应变片采集了气瓶加载过程中的应变情况。结果表明,渐进损伤模型预测的爆破压力与试验结果的误差在10%之内,且预测的爆破位置与试验结果一致。

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.

基于USDFLD二次开发的复合材料层压板损伤分析研究

为了对复合材料层压板损伤扩展进行分析研究,基于大型商用有限元软件ABAQUS及二次开发模块USDFLD,采用Hashin准则和最大应力准则,对复合材料层压板损伤扩展进行数值仿真.通过比较仿真结果和已有的实验结果,发现基于二次开发的复合材料层压板模型能够较好地模拟材料的损伤扩展过程.在验证仿真结果有效性的基础上,进一步综合分析了铺层顺序和铺层角度对层压板损伤扩展的影响.结果表明:复合材料层压板损伤扩展的方向与铺层角度和铺层顺序密切相关,铺层角度对层压板的拉压性能有较大影响;但是铺层顺序和铺层角度对单元发生损伤的时间几乎没有影响.

碳纤维增强复合材料沉头螺栓搭接结构强度及渐进损伤分析

碳纤维增强复合材料(CFRP)因其优异的力学性能在航空工业中得到了广泛的应用,评估复合材料沉头螺栓连接结构的极限承载和损伤扩展对航空器连接结构的经济性和安全性意义重大。本文首先创建复合材料沉头螺栓搭接三维模型,并采用虚拟热变形法施加螺栓预紧力,然后利用Fortran语言编写VUMAT用户自定义程序,将所选的刚度退化模式与3D Hashin失效准则嵌入渐进损伤模型中,建立有限元损伤预测模型,研究不同搭接端距对复合材料沉头螺栓连接结构失效的影响。研究结果表明:搭接端距主要影响连接结构的剪切强度,端距越小,其极限承载强度越小,当搭接端径比达到2.5时,极限承载强度随着端径比的增大变化较小;基体拉伸损伤首先出现在最底层的0°铺层,纤维压缩损伤首先出现在锪孔和直孔转折处,失效单元沿施载方向扩展至自由边界失效。

复合材料单搭接胶接接头低速冲击数值模拟

数值模拟研究了不同胶胶接的HTS40/977-2碳纤维层合板单搭接胶接接头低速冲击性能。对HTS40/977-2层合板冲击过程进行仿真,与实验对比验证了HTS40/977-2层合板材料参数的有效性。采用基于Hashin准则的本构关系模拟层合板面内损伤,采用内聚力单元模拟层合板的层间分离和胶层的失效,分别建立了Araldite AV138、Araldite2015和Sikaforce 7752三种不同胶胶接接头低速冲击有限元模型,研究了胶接接头在3 J和4 J能量冲击下的失效模式和能量吸收。在失效模式方面,发现Araldite AV138、Araldite 2015和Sikaforce 7752三种胶接接头胶层的失效模式分别为胶层完全失效、胶层部分失效和胶层未失效,三种胶接接头都出现了不同程度的层合板层间损伤,并且层间损伤依次减小。在能量吸收方面,3J能量冲击下Araldite AV138、Araldite 2015和Sikaforce 7752吸收能量分别为2. 73 J、2. 06 J、1. 67 J,4 J能量冲击下吸收能量分别为2. 91 J、2. 49 J、2. 26 J。仿真结果表明,在低速冲击载荷下胶接接头的失效模式和能量吸收与胶的属性密切相关。胶的韧度越低,接头损伤越严重,能量吸收越多;胶的韧度越高,接头抵抗损伤的能力越强。研究可为复合材料胶接设计与分析提供参考。

含槽口复合材料Ω型加筋壁板渐进损伤分析

对含不同角度槽口的复合材料Ω型加筋壁板受轴向压缩载荷作用下承载强度和失效模式的研究具有重要意义。通过编写VUMAT子程序将选择的三维Hashin失效准则及刚度退化模式加入渐进损伤模型分析中。首先研究0°槽口模型的位移-载荷曲线、面外位移及失效模式,并将结果与实验及已有文献进行对照,验证建立模型的正确性,进一步研究不同角度槽口对加筋壁板的影响。结果表明:具有90°槽口的加筋壁板模型在轴向压缩下的承载能力最强,45°槽口模型承载能力次之,0°槽口模型承载能力最弱。0°槽口模型纤维压缩失效出现在模型的下侧,45°和90°槽口模型均出现在槽口两侧,且三种模型失效均沿与载荷垂直方向扩展。

平纹芳纶织物/环氧树脂复合材料抗冲击性能研究

采用试验和数值的方法对30层芳纶织物复合材料的抗冲击性能进行了研究。首先对30层芳纶织物复合材料进行了子弹打靶冲击试验,得到芳纶复合材料在子弹冲击下的鼓包、穿透、纤维断裂等信息;其次,建立复合材料冲击有限元模型,并基于Hashin断裂准则模拟了织物在冲击载荷作用下的失效和断裂行为,采用Cohesive单元模拟材料的变形和层间开裂失效,得到了材料在冲击作用下的位移场、应变场、界面分层、纤维断裂以及子弹的冲击速度变化等信息。最后,对试验测量和有限元分析结果进行对比,分析了复合材料在冲击载荷作用下的能量吸收、能量耗散等抗冲击性能,为材料的工程应用提供参考。

某型无人机复合材料尾翼的分析与优化

针对某型无人机复合材料尾翼轻量化问题,基于Hashin失效准则建立尾翼有限元模型,获得纤维增强复合蒙皮的损伤因子。在原设计尺寸基础上,以复合蒙皮综合失效指标、肋板屈服应力、尾翼最低阶屈曲模态因子等约束条件为前提,建立以复合材料铺层厚度、角度等因素为设计变量的尾翼质量优化数学模型,获得尾翼轻量化设计方案。与初步方案对比分析,优化后尾翼质量减少32.2%。

平面编织复合材料薄板的高速小质量冲击性能

为了研究平面编织复合材料薄板在高速小质量弹丸冲击作用下的响应及动态力学性能,本文基于ABAQUS软件平台建立了相应的有限元分析模型,该模型选用修正后的Hashin准则和最大应变准则进行单层板面内的损伤判断,利用Cohesive界面单元模拟层间分层损伤,并根据不同失效模式折减相应的材料参数。通过与试验对比发现:有限元模拟结果与试验结果吻合较好,说明该模型能较好地预测平面编织复合材料薄板的冲击响应及性能;高速小质量弹丸冲击是由弯曲波和剪切波控制的动态响应问题,接触力与挠度的变化是不同步的,且应力波在传播过程中不断衰减;复合材料薄板在冲击过程中有明显的失稳现象,因此变形区域的动能和应变能在吸能中占据了较大的比例;复合材料薄板冲击后的凹坑会在两小时内发生一定程度的回弹,之后则保持稳定。