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。

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。

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。

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-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。

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。

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。

复合材料发射筒筒体发射力学特性仿真分析与优化

采用有限元数值仿真方法对导弹发射时某型玻璃纤维复合材料发射筒筒体的刚强度进行评估分析。将筒壁螺旋层螺旋角、环向层与螺旋层厚度比以及筒壁厚度作为设计变量,对复合材料发射筒筒体进行优化设计。研究结果表明:优化前的复合材料发射筒筒体安全裕度低,不满足设计要求;优化的复合材料发射筒筒体最大位移降低了57.8%,安全裕度提高到0.27,满足了筒体设计要求,且复合材料发射筒筒体重量比优化前轻6.8%。研究结果为复合材料发射筒筒体的设计提供参考。

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。

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。

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.

Ⅳ型70 MPa气瓶非测地线缠绕强度分析与爆破试验

本文研究了Ⅳ型70 MPa气瓶的非测地线缠绕与爆破强度。首先,通过微分几何和龙格库塔法求解非测地线缠绕角度微分方程,将非测地线缠绕分为固定拐点和固定角度两种模式;然后,采用试验的手段对两种模式非测地线缠绕进行表征,得出稳定缠绕范围;最后,对比了测地线与非测地线两种工艺的预测爆破压力,并进行试验验证。结果表明,固定拐点的缠绕模式滑线系数可以达到0.35,而固定角度的缠绕模式滑线系数在[-0.1,0.1]范围之内。采用非测地线缠绕工艺,同时起到了增强封头和筒身的作用,提高了气瓶爆破压力。

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。

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。

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.

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%。