复合材料层合结构层间应力分析

采用理论分析和数值模拟相结合的方法,研究了不同纤维铺设角下承受分布载荷层合板层间应力分布规律.研究结果表明：复合材料层合板层间剪应力τxx随纤维铺设角θ的增加而逐渐减小,但减小趋势不断减弱;层合板层间剪应力τyx随纤维铺设角度θ的增加而逐渐增加;距层合板中心o点距离为0～1.348m,层间剪应力随距离增大变化缓慢,为1.348—1.418 m,层间剪应力急剧增大,在自由边界角节点处层间应力达到极值,此处易于发生脱层效应.

复合材料层板损伤过程的刚度分析

本文对典型铺设的［０２／±４５２／９０２］ｓ碳／环氧复合材料层板中的典型损伤状态进行了实验观察，测定出损伤对层板刚度引起的下降率。建立了横向裂纹扩展、分层伴以横向裂纹扩展的三维有限元分析模型，计算出对层板刚度引起的下降率，并与实验值进行了比较。结果表明，横向裂纹和分层是层板的主要损伤型式，分层损伤扩展是一个主导性的稳定的损伤扩展过程，是导致刚度下降的主要因素。

夹持力对填充孔复合材料层合板层间应力的影响分析

提出了采用螺栓填充孔形式研究复合材料层合板连接接头孔边层间应力分布规律,并建立了含零厚度界面胶层的三维有限元模型对受面内拉伸载荷的层合板孔边层间应力进行求解。结果表明:层间正应力沿孔分布主要受螺栓夹持力影响,相同夹持力下,不同界面层的层间正应力集中在同一范围内波动;层间剪切应力既受到螺栓夹持力影响又与界面层的类型有关系,如[-45/90]和[0/-45]界面层层间剪切应力整体取值大于其他界面层;螺栓夹持力引起的层间正应力主要为压应力,对层间强度有益,但同时产生的层间剪切应力不利于层间强度的提高,因此存在合适的螺栓夹持力使复合材料接头具有良好的孔边层间强度。

复合材料层板分层伴以横向裂纹扩展的三维有限元分析

本文采用三维有限元模型,对典型铺设的[0_2/±45_2/90_2]_s碳/环氧复合材料层板中分层伴以横向裂纹的产生和扩展导致的层间应力分布进行了分析。计算结果表明层间裂纹首先在90°层中部出现并开裂至相邻界面处而产生横向裂纹,横向裂纹的出现引起局部分层按三角形状扩展;并指出分层损伤过程是一个主导性的稳定扩展过程,这是导致刚度下降的主要因素。最后,数值计算结果与实验结果比较,两者是吻合的。

基于广义变分原理和锯齿理论的高精度层合梁模型

基于广义变分原理和精化的zigzag理论建立了高精度的层合梁弯曲和自由振动模型。为准确预测层合梁的力学行为做出两个预处理:首先采用线性zigzag函数[1]使面内位移在梁高度方向(z方向)上呈锯齿分布;然后通过弹性平衡方程构造了预先满足层间连续和自由表面条件的层间横向剪力,因此不需要剪切修正因子。另外,基于Reissner混合变分原理推导了该梁模型的控制方程和边界条件,并以正交铺设的两端简支层合梁为例,分析了静弯曲和自由振动行为。算例结果表明,该模型能够准确地预测位移、应力和自振频率,验证了本文方法的精度和可靠性。

横向裂纹损伤扩展特性分析

文章对典型铺设的［０２／±４５２／９０２］ｓ碳／环氧复合材料层板中的典型损伤状态进行了实验观测，建立了横向裂纹扩展的三维有限元分析模型。结果表明，横向裂纹是层板的主要损伤型式，横向裂纹的出现能够改变无损伤状态时层板的层间应力分布状态，对分层出现的位置起决定性影响。

水对复合材料层合板分层扩展的影响

本文研究了水对复合材料层合板在单向拉伸和疲劳循环载荷作用下的分层扩展速率的影响。研究结果表明,在单向拉伸载荷作用下,水对分层扩展速率影响不大,而在疲劳循环载荷作用下,层合板发生分层后,水渗入层间及横向裂纹中,使层间裂纹和横向裂纹扩展速率大大加快,层合板的疲劳强度和疲劳寿命显著下降。因此当复合材料层合板结构在水介质中工作时,必须考虑到裂纹对水的敏感性。本文还探讨了超载对疲劳裂纹扩展速率的效应。实验结果证明,与金属材料的机理完全不同,超载对复合材料的裂纹扩展不但无延迟效应,反而存在加速现象。

螺栓夹持填充孔复合材料层压板层间应力分析

为了研究含螺栓复合材料层压板连接接头的层间应力分布规律,提出了采用填充孔形式和虚拟界面层方法求解层间应力,并建立了三维有限元模型对受面内压缩载荷的螺栓夹持填充孔层压板进行分析。结果表明:层压板层间应力集中不仅发生在孔边,还会在螺栓头边缘附近出现,且夹持力越大螺栓头边缘附近的层间应力集中越严重;合理的螺栓夹持力能改善孔边应力状态,提高孔边抵抗分层的能力,但无法改善螺栓头边缘附近的层间剪切应力集中状态。因此,在进行含螺栓夹持的层压板机械连接结构孔边层间强度设计时,也要考虑螺栓头边缘的层间剪切应力集中问题,以提高复合材料结构的安全性。