复合材料加筋壁板长桁凸缘变厚度设计对长桁-蒙皮界面承载能力的影响

长桁与蒙皮之间的脱胶是复合材料加筋壁板主要的失效形式之一。本文首先对复合材料机翼结构长桁-蒙皮典型结构进行了三点弯曲试验,获得破坏载荷以及界面失效模式。然后基于ABAQUS建立三维有限元模型,采用内聚力模型模拟界面的破坏情况。有限元计算结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模型的合理性。在此基础上,对长桁凸缘宽度方向采用渐变厚度设计,开展了其对长桁-蒙皮界面承载能力的影响分析。研究结果表明采用变厚度设计可以减缓长桁凸缘末端附近的刚度突变,降低长桁凸缘末端与蒙皮之间界面的面外载荷。凸缘变厚度设计可以有效避免长桁与蒙皮界面过早出现脱胶失效,长桁凸缘末端越薄,界面脱粘载荷越大。     

考虑剪切非线性的复合材料渐进损伤模型

针对具有明显剪切非线性的复合材料,提出了一种考虑剪切非线性影响、能够分析和预测复合材料层合板极限承载能力的损伤模型.采用Ramberg-Osgood方程描述层合板剪切非线性的应力与应变本构关系,基于连续介质损伤理论建立了分析复合材料结构渐进损伤的三维有限元模型,采用已有的应变描述的三维Hashin失效准则和Ye-分层失效准则预测其损伤起始,引入损伤状态变量来分析层合板的损伤扩展,通过UMAT子程序实现了损伤模型的模拟,并运用黏性正则化方法确保计算收敛.同时,将模型运用于AS4/PEEK复合材料开孔层合板渐进损伤实验的模拟分析.结果表明,模拟计算结果与实验结果较吻合,对比已有模型的预测结果,所提出的方法具有更高的准确性.     

复合材料层合板双面贴补结构渐进损伤分析

提出了一种分析和预测在拉伸载荷作用下复合材料层合板双面贴补结构的极限承载能力的方法,建立了分析复合材料双面贴补结构渐进损伤的三维有限元模型.胶层用各向同性模型描述,提出了基于3个方向剪切应变描述的二次剪切失效判据来预测胶层的损伤起始,定义了与材料应力应变相关的刚度折减函数来模拟损伤后胶层刚度的连续退化.层合板用正交各向异性三维模型描述,采用基于应变描述的三维Hashin准则和Ye分层准则来预测其损伤起始,引入损伤变量来考虑层合板的损伤扩展.计算结果与试验数据吻合较好,说明该方法和模型可以有效地预测复合材料双面贴补结构的拉伸极限强度.     

复合材料加筋壁板长桁终止端失效分析

为了研究复合材料加筋壁板长桁终止端在轴压载荷作用下的破坏机制,基于ABAQUS有限元软件中的连续壳单元和cohesive单元建立了有限元模型,在该模型中,采用hashin准则预测面内损伤,而对于壁板与长桁缘条之间的脱胶损伤的起始与扩展,则采用cohesive单元进行模拟。采用该模型对复合材料加筋壁板长桁终止端在轴压载荷作用下的破坏过程进行仿真,仿真结果与试验结果相比较表明,所建立的有限元分析模型能较好地模拟加筋壁板长桁终止端在轴压载荷作用下壁板与长桁缘条间的脱胶过程,且能较好地预测该结构的承载能力与分层面积。     

含孔复合材料厚板渐进失效分析

基于厚板理论和材料的参数退化准则,以三维HASHIN准则作为失效判据,研究了一种考虑Z向应力复合材料层压板结构的渐进失效计算方法,发展了复合材料中厚尺度含孔层压板渐进失效模型。使用ABAQUS软件的用户材料子程序UMAT,编写材料属性程序,建立含孔复合材料厚板的渐进失效分析模型,较好地预测了复合材料层压板的损伤扩展过程,并预测的极限强度与复合材料层压板开孔拉伸标准试验的试验数据吻合较好,验证了该模型在预测复合材料层压板极限强度上的有效性,该模型在对网格划分的简化极大地提高了计算效率。     

泡沫夹层结构复合材料机翼模型弯曲破坏形态有限元模拟

采用有限元法(FEM)分析泡沫夹层结构复合材料机翼准静态三点弯曲载荷力学行为与破坏形态.在有限元模型中,复合材料蒙皮为Hashin失效准则弹性壳单元模型,铺层结构为[0/90/0/±45]s,其芯层泡沫为弹塑性可压缩泡沫实体单元模型.利用有限元模拟软件ABAQUS10.1模拟机翼在弯曲载荷下的破坏形态,分析得到其破坏机理.通过最大受力值以及模型应力云图与实际弯曲试样破坏情况进行比较.结果表明,机翼最大承受力模拟值比试验值偏大,但相对误差很小,为3.31%;模型应力集中区域与试样实际断裂区域相吻合,证明了本有限元模型可以有效地用于预测泡沫夹层结构复合材料机翼在三点弯曲载荷作用下的失效模式以及失效强度.     

基于三维应变渐进损伤准则的复合材料层合板大开孔压缩损伤研究

针对复合材料层合板大开孔压缩,将二维应变渐进损伤准则修正为三维应变渐进准则,使其能够模拟层合板的分层损伤,建立了复合材料层合板大开孔压缩损伤分析模型。利用UMAT子程序将基于三维应变渐进损伤准则引入到分析模型中预测纤维、基体及分层等失效演化过程;并对大开孔复合材料层合板进行试验研究。试验结果表明所建立的基于三维应变渐进损伤准则的层合板大开孔分析模型能很好地模拟大开口复合材料层合板压缩过程中的损伤起始、损伤扩展及破坏模式;并最终预测复合材料层合板大开孔的破坏强度。     

70 MPa车载Ⅳ型储氢气瓶铺层设计与实验验证

为了准确预测封头纤维厚度和改善封头纤维堆积,采用理论分析、有限元模拟和实验验证相结合的方式,提出了一种结合三次样条函数封头厚度预测法与扩孔缠绕工艺的碳纤维全缠绕复合材料气瓶铺层设计方法。根据设计结果,基于ANSYS ACP软件建立了工作压力70 MPa的塑料内胆复合材料气瓶有限元模型,分析了气瓶复合材料层在公称工作压力和最小爆破压力下的受力情况。以三维Hashin失效准则作为复合材料失效判据,采用Camanho提出的单元刚度退化方案,对复合材料气瓶进行渐进失效分析,从而预测了气瓶最终爆破压力和爆破位置。进行了气瓶水压爆破实验,实验结果表明：气瓶在未爆破的情况下已能承载158.75 MPa的压力,验证了该铺层方法能够满足静强度要求;实验结果未能验证渐进失效分析预测的爆破压力165.71 MPa和爆破失效位置。研究成果可为70 MPa车载塑料内胆复合材料气瓶的研发提供依据。     

考虑双模量影响的复合材料销钉连接失效分析

摘要： 针对复合材料层压板销钉连接结构连接特性,提出一种考虑双模量影响的破坏载荷的数值模拟方法.考虑复合材料在拉伸和压缩应力状态下弹性模量的不同,根据材料所处应力条件选择适当的刚度矩阵,以三维Hashin准则作为单向复合材料层压板的失效判据,采用Camanho的刚度折减模型,将3组不同厚度和铺层的复合材料层压板破坏载荷的试验结果与考虑双模量影响和仅用拉伸模量的有限元模拟结果进行对比.结果表明,考虑双模量影响的有限元模型能够更加准确地预测最终层压板销钉连接结构的破坏载荷.     

固体火箭发动机复合材料壳体破坏分析及优化

利用有限元计算软件ANSYS对轴向压力和弯矩联合作用下某型号固体火箭发动机复合材料壳体组合结构进行数值模拟。数值计算与实验结果对比分析表明:由于原结构的复合材料铺层设计不够合理,造成部分复合材料铺层局部应力过大,而导致结构未达到设计载荷即发生局部失效破坏。本文在结合实验分析和实物模型数值模拟计算的基础上,提出两种措施对原结构进行优化改进:增加局部补强纵向铺层数目以提高局部承载能力,从而提高整体承载能力;改变个别铺层材料以增强该层材料本身承载能力,最终提高整体承载能力。数值计算结果显示,两种改进结构均能提高整体结构承载能力15%～20%,实物实验表明改进结构可达到原结构设计承载能力的115%以上。     

复合材料层板损伤失效分析

基于连续损伤理论,利用多标量损伤模型,考虑单层板失效前由微裂纹损伤所造成的刚度下降,将Hoffman准则作为复合材料单层板在复杂应力状态下的极限损伤条件,应用该准则对含圆孔复合材料层合板在单向拉伸载荷下的损伤破坏过程进行了数值分析,并与常规(无损伤)失效准则的结果进行了比较.计算表明:损伤引起单层刚度下降,使应力重新分布,加速应力向未损伤层和周围单元转移,从而使应力集中得到缓解,层板的单层破坏载荷明显提高,从而提高层板的极限载荷,提高程度受铺层方式的影响.可见,由损伤引起的刚度下降应在层板失效分析中加以考虑.     

T700碳纤维增强复合材料螺栓连接的渐进损伤分析

为了研究及预测T 700碳/环氧复合材料螺栓连接的失效模式和失效载荷,建立基于蔡吴准则的T 700碳纤维复合材料[45_3/90_3/-45_3/0_3]_s双搭接螺栓连接的渐进损伤模型;采用渐进损伤模型分析了不同孔端距/孔直径(E/D)值对螺栓连接失效载荷的影响。结果表明:复合材料中90°铺层损伤最为严重,±45°铺层相比90°铺层损伤较少,0°铺层损伤与其他铺层相比最低。当E/D≤3时,E/D的增加能显著提高失效载荷;当E/D3时,E/D的增加对失效载荷的提高不明显,表明整体预测误差在8%以内,可见该渐进损伤模型可以较好地预测螺栓连接的失效模式及失效载荷。     

雷击作用下复合材料层合板的烧蚀损伤表征及剩余强度影响因素分析

为表征复合材料雷击烧蚀损伤,基于唯象分析方法,建立了雷击烧蚀损伤引起的材料力学性能退化模型. 采用连续损伤力学(CDM)方法提出了复合材料雷电烧蚀损伤的三维渐进损伤退化模型,采用Hashin和Yeh分层失效准则,验证了失效点的发生情景. 根据所建立的模型和刚度矩阵渐进损伤退化模型的编码,利用ABAQUS软件并结合UMAT子程序预测了拉伸载荷下雷电烧蚀损伤复合材料层合板的残余强度,最终的仿真精度验证了该模型的有效性.     

碳纤维增强树脂开孔层合板轴向拉伸失效模拟分析

基于ABAQUS平台,建立了开孔复合材料层合板轴向拉伸渐进失效模型.以二维Hashin作为损伤准则,考虑了基体拉伸、压缩失效和纤维拉伸、压缩失效模式.讨论了层合板的受力与失效形式,分析了铺层角度、中心孔尺寸对极限载荷的影响.研究结果表明:失效模式主要表现为纤维拉伸失效和基体拉伸失效,纤维作为复合材料板的主要强度来源,在力与纤维方向发生偏差时,层合板力学性能急速下降;中心孔越大,层合板力学性能越差,并且层合板力学性能与中心孔尺寸成线性关系.     

基于测井曲线及弹性薄板理论的应力场模拟

针对长庆油田延长组低孔低渗砂岩以裂缝型储层发育为主的特点,开展了区域应力场模拟研究,用于预测延
长组的裂缝发育情况,指导后续勘探开发井的部署。由于研究区无地震资料,因此基于地震的传统裂缝检测方法无法
适用。本次研究主要采用了基于以弹性薄板理论为基础的应力场模拟技术,充分利用常规测井曲线携带的速度及密
度信息,克服了无地震资料的技术瓶颈,结合野外露头及岩芯测量结果,认为研究成果较为可靠,取得了较好的效果。
目前已钻高产井均位于本次预测的强应力发育区,因此应力场模拟结果可以作为下一步生产井位部署的主要依据,此
种技术方法也可以推广到长庆油田其他区块。     

层合板层内损伤检测的模态位移不平整系数法

为了准确识别复合材料损伤的位置和程度，提出一种以模态曲率差幂函数为损伤指标的新检测方法.基于ANSYS的APDL语言，应用Shell181单元建立简支层合板模型，并通过Camanho损伤准则构建层内纤维失效模型.利用模态分析获得层合板的固有频率及网格节点模态位移，应用差分法得到曲面的高斯曲率，研究损伤前后高斯曲率差随损伤位置和程度的变化规律.采用高斯曲率差的平方增加峰值与其他区域的差距，将其定义为模态位移不平整系数并进行层内损伤位置和程度检测.结果表明:模态位移不平整系数使损伤位置检测的准确性提高，且随损伤程度的增加而增大.研究结论为改进复合材料层合板层内损伤的无损检测方法提供指导.