海洋纤维增强柔性管压溃失效特性研究及参数敏感性分析

以一种黏结型的纤维增强柔性管作为研究对象,基于ABAQUS建立纤维增强柔性管的实体单元模型。根据二维Hashin失效判据判断柔性管失效情况,充分考虑管道内外护套层塑性及纤维增强层复合材料渐进失效,建立纤维增强柔性管的压溃数值模型。将特征值法与弧长法相结合,计算得到了较为精准的纤维增强柔性管临界压溃压力及对应的外压—椭圆度曲线;并对影响柔性管临界压溃压力的几个敏感性参数如椭圆度、纤维缠绕角度、直线度进行分析。研究结果表明椭圆度和直线度偏差的增大及纤维缠绕角度的降低均会使柔性管的临界压溃压力下降,该结果对纤维增强柔性管的设计与使用均具有一定的参考意义。

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。

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。

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。

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。

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.

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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%。

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.

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。

三点弯曲工况下复合材料层合板的应力变化

为研究三点弯曲工况下复合材料层合板的应力问题,基于连续介质损伤力学以及Hashin失效准则,建立复合材料层合板三点弯曲有限元模型。模拟三点弯曲成形过程,讨论成形过程中应力分布及变化规律。结果表明:0°铺层应力值始终高于90°铺层,下表面的应力值小于上表面,但下表面的应力值达到最大值的时间要早于上表面;沿X轴方向,越接近压头位置,上下表面的应力差越小,在板料端部上下表面应力值相等;沿Y轴方向,上下表面的应力值变化幅度较小,上下表面的应力差基本保持不变。

弯矩作用下热塑性复合材料平面曲梁弹塑性特性分析

热塑性复合材料综合力学性能优异,具有广阔的应用前景。针对弯矩作用下热塑性复合材料平面曲梁进行了静力学建模及弹塑性特性分析。根据极坐标系下平面应力问题的基本方程,基于单参数塑性模型、相关塑性流动准则以及线性应变强化规律,建立了曲梁的控制方程,得到了曲梁应力和位移的解析解。在此基础上,系统分析了曲梁几何尺寸对截面应力分布的影响,并结合Hashin失效准则对曲梁失效形式进行判断。结果表明,所建模型在研究热塑性复合材料平面纯弯曲梁弹塑性特性问题中准确有效,曲梁失效形式与径厚比密切相关。