基于Puck准则的2.5D机织复合材料压缩性能研究

利用CATIA软件以经纬密为参数建立了2.5D纤维增强浅交弯联复合材料的参数化有限元模型,在Hyper Mesh专业网格划分工具中划分周期性网格,编写了Fortran程序嵌入周期性边界条件。采用Abaqus软件中VUMAT子程序功能编写了基于Puck准则的材料损伤本构模型,通过渐进损伤分析,得到了机织织物宏观弹性模量以及经向压缩强度、破坏路径,并对破坏结果进行了分析。利用RTM工艺复合成型试件并进行力学测试,实验结果证实了仿真分析的准确性。

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。

复合材料层合板低速冲击损伤的预测模型

在低速冲击载荷作用下,建立了一种适用于铺层总数较多的复合材料层合板的损伤预测模型。采用三维Puck失效准则预测层内纤维与基体的破坏,并获得基体失效时的断裂面角度。根据低速冲击下复合材料层合板的层间分层损伤机理,同时考虑面内横向正应力、厚度方向正应力、层间剪应力和相邻铺层的损伤状态等因素对界面分层的影响,发展了一种新的冲击分层失效准则。为快速有效地预测铺层总数较多的复合材料层合板的冲击损伤,通过对单元积分点处的应变进行线性插值,提出了在单个实体单元内预测多个铺层损伤的数值计算方法。模型成功预测了受冲击层合板具体的失效模式,预测的分层形状和尺寸与试验值吻合较好,并显著减少了有限元模型的规模,表明本文所发展的数值方法对预测复合材料层合板低速冲击损伤的有效性。

复合材料层合板面内渐进损伤分析的CDM模型

基于连续介质损伤力学,提出了一个预测复合材料层合板面内渐进损伤分析的模型,它包括损伤表征、损伤判定和损伤演化3部分.模型能够区分纤维拉伸断裂、纤维压缩断裂、纤维间拉伸损伤和纤维间压缩损伤4种损伤模式,定义了与4个损伤模式对应的损伤状态变量,导出了材料主轴系下损伤前后材料本构之间的关系.损伤起始采用Puck准则判定,损伤演化由特征长度内应变能释放密度控制.假定材料服从线性应变软化行为,建立了损伤状态变量关于断裂面上等效应变的渐进损伤演化法则.模型涵盖了复合材料面内损伤起始、演化直至最终失效的全过程.完成了含孔[45/0/-45/90]2S层合板在拉伸和压缩载荷下失效分析,结果表明该模型能合理进行层合板的强度预测和损伤失效分析.

面向纤维增强复合材料低速冲击损伤的非线性混合模型

基于连续介质损伤力学提出了一种纤维增强复合材料(Fiber reinforced polyrner/plastic,FRP)结构低速冲击损伤预测的渐进损伤模型,包含非线性剪应力应变关系和归一化的混合模式基体损伤演化,用来预测复合材料层合板低速冲击损伤。模型区分了纤维拉伸/压缩、纤维间拉伸/压缩4种层内损伤以及层间分层损伤;纤维间损伤起始由Puck失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,失效判定时考虑了就位效应对强度的影响;模型中加入单元特征长度以消除计算结果对网格密度的依赖性。以[45_4/-45_8/45_4],[0_3/45/-45]_S和[45/-45/0_2/90/45/0_2/-45/45]_3三种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了本文模型的有效性。

风电叶片多轴向经编织物建模方式研究

本文针对风电叶片常用的多轴向经编织物的建模方式进行研究,主要通过计算纤维失效进行分析验证。因此本文首先探讨了复合材料的多个纤维失效准则,并对其优缺点作出对比,选取Puck准则进行下一步分析。接着对Puck准则进行了详细描述。最后研究了多轴向经编织物采用多层单轴向经编织物分层建模和通过合理等效简化成一层单轴织物建模,两者建模方式及纤维失效结果的差异,证明两种建模方式均是可行的,采用简化建模更能减少工作量。

考虑就位效应的复合材料强度分析模型及试验

针对复合材料破坏强度预测问题,建立了数值分析模型。模型以三维PUCK准则为失效判据,采用基于连续介质损伤力学(CDM)的退化准则,并考虑了就位效应的影响。分析模型通过将自编材料子程序(UMAT)嵌入ABAQUS实现。进行了碳纤维复合材料开孔拉伸试验以验证模型的准确性,试验结果与分析结果对比表明:模型能较好地预测试验件的破坏强度,并能推演整个损伤发展过程;复合材料强度分析中应适当考虑就位效应。

层合复合材料低速冲击损伤与凹坑数值模拟

文章基于累积损伤分析的方法,建立了层合复合材料低速冲击三维数值模型。模型采用Puck准则和界面元Cohesive来预测铺层的层内损伤和层间损伤,并考虑基体断裂碎屑对凹坑形成的显著影响,建立了分层残余应变模型用于模拟凹坑,模型通过在有限元软件ABAQUS平台上编写VUMAT子程序实现,对层合板进行了低速冲击数值模拟,通过与试验结果的对比,验证了文章所建模型的合理性。

基于三维Puck失效准则及唯象模量退化的复合材料臂杆屈曲分析

针对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)臂杆结构在压缩和扭转载荷条件下屈曲与后屈曲问题,采用三维Puck失效准则和基于唯象分析的模量退化方法,同时考虑层合结构就位效应及沿纤维方向应力对横向强度的影响,建立了一种适用于考虑渐进失效CFRP结构的屈曲分析方法,并通过编写有限元软件ANSYS的USERMAT子程序进行了数值实现。与文献中实验结果的对比表明,上述方法能够分析复合材料结构的渐进失效过程和后屈曲承载特性,预测精度高。进而采用此方法,详细分析了某航天器臂杆结构在承受压缩与扭转载荷条件下的屈曲载荷及后屈曲特性。

基于Puck理论的复合材料层合板横向剪切失效分析

针对复合材料层合板三维失效分析问题,建立了一种基于Puck失效准则的分析模型。针对Puck失效理论中的基体失效,分别采用遍历法和分区黄金分割法(PGSS)的一维搜索算法预测了不同应力状态下基体失效的断裂面角度,并对比分析了两种算法的计算精度和计算效率。研究表明,PGSS具有较高的搜索精度和搜索效率。在ABAQUS有限元分析平台下,编写了基于Puck失效准则的VUMAT显式用户自定义材料子程序,对复合材料层合板横向(G23)剪切性能进行了数值预测和渐进失效分析,并与试验载荷-位移曲线、DIC测得的应变场及破坏模式进行了对比。分析结果表明:当前的分析模型能较好地预测复合材料层合板G23剪切试验的力学响应和破坏模式。

基于连续介质损伤力学的复合材料层合板低速冲击损伤模型

基于连续介质损伤力学(CDM)方法,建立了分析复合材料层合板低速冲击问题的三维数值模型。该模型考虑了层内损伤(纤维和基体损伤)、层间分层损伤和剪切非线性行为,采用最大应变失效准则预测纤维损伤的萌生,双线性损伤本构模型表征纤维损伤演化,基于物理失效机制的三维Puck准则判断基体损伤的起始,根据断裂面内等效应变建立混合模式下基体损伤扩展准则。横向基体拉伸强度和面内剪切强度采用基于断裂力学假设的就地强度(in-situ strength)。纤维和基体损伤本构关系中引入单元特征长度,有效降低模型对网格密度的依赖性。层间分层损伤情况由内聚力单元(cohesive element)预测,以二次应力准则为分层损伤的起始准则,B-K准则表征分层损伤演化。分别通过数值分析方法和试验研究方法对复合材料典型铺层层合板四级能量低速冲击下的冲击损伤和冲击响应规律进行分析,数值计算和试验测量的接触力-时间曲线、分层损伤的形状和面积较好吻合,表明该模型能够准确地预测层合板低速冲击损伤和冲击响应。

复合材料层合板缺口强度的CDM三维数值模型

针对复合材料层合结构缺口强度问题,基于连续损伤力学(CDM)提出了一种三维损伤数值模型。模型区分了层内损伤(纤维失效、纤维间失效)和层间分层损伤的不同失效模式。采用三维Puck准则与Aymerich准则对上述2类损伤进行判定,材料失效后基于CDM中线性软化模型对材料损伤进行演化。模型考虑了复合材料层合板子层的就位效应和剪切非线性行为。对Carlsson的AS4/3501-6缺口拉伸强度试验进行数值模拟。结果表明:分析结果与试验结果吻合良好,证明了该模型能够准确地预测含缺口复合材料层合板面内拉伸强度。

复合材料层合板结构冲击损伤数值模拟的损伤力学模型

针对复合材料结构低速冲击损伤问题,基于连续损伤力学提出了一种动力学冲击条件下的三维损伤数值模型。模型中区分了层内损伤(纤维拉伸与压缩失效、纤维间拉伸与压缩失效)和层间分层损伤不同的失效模式。采用三维Puck失效准则与考虑压缩抑制效应的Aymerich准则对上述两类损伤进行判定,材料失效后基于连续损伤力学中线性软化模型对材料损伤进行演化。模型中考虑了复合材料层合板结构中子层的就位效应和损伤分析中的"连锁效应"。通过对Shi的冲击试验进行数值模拟,模型预测的冲击接触载荷、分层形状和尺寸与试验结果吻合较好,证明了所提出的数值模型对复合材料层合板结构低速冲击损伤预测的有效性。

基于剪切非线性三维损伤本构模型的复合材料层合板失效强度预测

基于连续损伤力学,建立了同时考虑复合材料剪切非线性效应和损伤累积导致材料属性退化的三维损伤本构模型。模型能够区分纤维损伤、基体损伤和分层损伤不同的失效模式,并定义了相应损伤模式的损伤变量。复合材料层合板层内纤维初始损伤采用最大应力准则判定,基体初始损伤采用三维Puck准则中的基体失效准则判定,分层初始损伤采用三维Hou准则中的分层破坏准则判定,为了计算Puck失效理论中的基体失效断裂面角度,本文提出了分区抛物线法,通过Matlab软件编写计算程序并进行分析。结果表明,与Puck遍历法和分区黄金分割法对比,本文提出的分区抛物线法有效地降低了求解断裂面角度的计算次数,提高了计算效率和计算精度。推导了本构模型的应变驱动显式积分算法以更新应力和解答相关的状态变量,开发了包含数值积分算法的用户自定义子程序VUMAT,并嵌于有限元程序Abaqus v6.14中。通过对力学行为展现显著非线性效应的AS4碳纤维/3501-6环氧树脂复合材料层合板进行渐进失效分析,验证了本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示,已提出的模型能够较准确地预测此类复合材料层合板的力学行为及其失效强度,为复合材料构件及其结构设计提供一种有效的分析方法。