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。     

T800碳纤维复合材料低速冲击渐进损伤仿真与试验研究

利用有限元软件ABAQUS建立冲击渐进损伤模型,对国产T800碳纤维/环氧树脂基复合材料的低速冲击损伤进行了数值模拟;同时对复合材料进行低速冲击试验,通过分析不同冲击能量与凹坑深度和损伤形貌的关系研究了层合板的冲击损伤特性.结果表明:在模拟仿真过程中,复合材料冲击时的应力分布像花生状的椭圆形,同时基体的拉伸和压缩损伤大于纤维的拉伸和压缩损伤.在试验中随着冲击能量增大,凹坑深度在35 J左右出现拐点,拐点之前凹坑深度增加缓慢,冲击表面主要是无损伤和几乎不可见的冲击损伤,内部损伤形貌近似圆形;拐点后凹坑深度急剧增加,试样内部损伤形貌逐渐趋于椭圆形,并沿45°铺层方向呈锥形扩展;在65 J时达到穿透性损伤.模拟得到的凹坑深度与试验结果吻合较好,为分析T 800碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板受低速冲击后的损伤演化和规律提供了一种有效的方法.     

高性能航空复合材料低速冲击损伤分析

针对复合材料层合板冲击损伤模拟问题,基于各向异性材料连续介质损伤力学分析法,采用基于应变描述的失效判据来判断损伤,引入材料损伤状态变量对复合材料损伤情况进行描述;并考虑材料的剪切非线性,建立了复合材料层合板在低速冲击作用下的3D非线性连续损伤有限元模型。通过编写VUMAT材料用户子程序可以实现层内各类损伤的判断和演化。使用界面单元模拟层间区域,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来判断分层损伤的起始和演化规律。为了更准确模拟试验中层合板的动态响应,有限元模型较为真实地反映了实际的试验条件。有限元模拟结果与试验结果吻合较好,证明了基于该方法建立的有限元模型的有效性。     

基于准三维有限元模型的复合材料层合板强度预测

构建能够求解三维应力的准三维有限元模型,进行基于渐进损伤的复合材料层合板强度预测。此方法能够合理地反映铺层次序和层间应力对最终失效强度的影响,形象地展现面内损伤以及层间损伤的产生及其扩展过程。用此方法模拟了多种铺层的无缺口层合板和带孔层合板在面内拉伸载荷作用下的损伤过程,并进行强度预测。计算结果表明,拉伸强度的预测值和实测值吻合较好。     

含孔复合材料层合板拉伸失效分析

对国产T700/双马树脂基复合材料的含孔层合板进行了拉伸失效分析研究,分析了不同开孔直径和开孔形状对复合材料层合板拉伸性能的影响,利用有限元软件ABAQUS建立逐渐损伤失效模型,对复合材料层合板的拉伸强度进行数值模拟。研究结果表明:对于不同开孔直径的复合材料层合板,随着圆孔直径的增大,拉伸强度显著下降,对于不同开孔形状的复合材料层合板,含圆孔的层合板拉伸强度最大,然后依次是椭圆孔、方形孔、菱形孔,层合板的断裂模式都为过孔破坏。数值模拟得到的强度值与试验测量的强度值吻合较好,为含孔复合材料层合板的强度预测提供了一种有效的方法。     

含孔复合材料层合板拉伸失效分析研究

对国产T700/双马树脂基复合材料的含孔层合板进行了拉伸失效分析研究,分析了不同开孔直径和开孔形状对复合材料层合板拉伸性能的影响,利用有限元软件ABAQUS建立逐渐损伤失效模型,对复合材料层合板的拉伸强度进行数值模拟。研究结果表明：对于不同开孔直径的复合材料层合板,随着圆孔直径的增大,拉伸强度显著下降,对于不同开孔形状的复合材料层合板,含圆孔的层合板拉伸强度最大,然后依次是椭圆孔、方形孔、菱形孔,层合板的断裂模式都为过孔破坏。数值模拟得到的强度值与试验测量的强度值吻合较好,为含孔复合材料层合板的强度预测提供了一种有效的方法。     

GFRP层合板近缘和边缘低速冲击损伤数值模拟研究

近缘和边缘冲击对复合材料的剩余强度有较大的影响.基于应力描述的三维Hashin失效准则,结合改进Camanho退化方案,考虑冲击接触时间对试件冲击损伤,借助ABAQUS模拟玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料(GFRP)层合板的近缘和边缘冲击损伤与演化,同时采用Cohesive单元模拟层间界面,通过改进的Vumat子程序模拟...     

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.     

撞击物对复合材料层合板冲击损伤特性的影响

针对一种采用预浸料成型工艺制备的复合材料层合板,开展不同撞击物作用下复合材料层合板低能量冲击损伤特性研究. 通过对比相同冲击能量（60 J）下,钢球、铝球和聚合物球撞击复合材料层合板的落锤/气炮冲击试验结果和冲击后含损伤结构的压缩试验结果,研究了不同撞击因素对复合材料低能量冲击损伤面积和剩余压缩强度的影响. 结果表明,相同冲击能量下,同种材质撞击物（不同质量）以不同速度冲击复合材料层合板的损伤特性相似;而不同材质撞击物（不同弹性模量和泊松比）得到的结果差异显著. 结合赫兹接触理论,初步解释了撞击物弹性性能影响接触刚度和冲击损伤程度的规律.      

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.     

复合材料机身对接壁板双向拉伸试验研究

为研究复合材料机身环向对接壁板受轴向和环向拉伸载荷下的耐久性/损伤容限问题,设计了一种新型壁板双向拉伸试验装置;可在单轴试验机上实现双向拉伸载荷,提高疲劳试验加载频率,降低试验成本。利用有限元分析和各向同性基准件验证试验两种手段对试验装置的有效性进行了评估,满足工程要求。利用双向拉伸试验装置对复合材料机身环向对接壁板进行了耐久性/损伤容限试验,结果表明,机身环向对接壁板满足静强度要求,由于对接区金属和复合材料混合结构的冲击损伤阻抗较强,在耐久性试验和剩余强度试验后未发生损伤扩展。试验结果为复合材料机身设计提供了一定的依据。     

三维编织复合材料抗侵彻性能--准静态侵彻实验与弹道侵彻有限元计算的对比

用钢制圆柱锥体对四步法三维编织芳纶／环氧复合材料在MTS材料试验机上作准静态侵彻测试，得到准静态侵彻载荷一位移曲线，并由此计算得到侵彻功一位移曲线。在对复合材料侵彻破坏的细观观测中发现，复合材料主要以拉伸断裂方式为主并在受侵彻面伴有压缩和剪切破坏。由于弹道侵彻破坏很难测量侵彻过程中的侵彻功随侵彻位移的变化，这里用有限元程序LS—DYNA960并结合由准静态得到的破坏判据、复合材料力学性质常数模拟动态侵彻，对比准静态侵彻功一位移曲线和弹道侵彻模拟曲线，两者有较好的一致性，表明用该类复合材料的准静态侵彻性能模拟弹道侵彻性能有一定的可行性。     

复合材料蜂窝夹芯板挖补修理后的侧压性能

 对3种方法修理后复合材料蜂窝夹芯板的侧压性能进行:实验研究.实验结果表明,不同修理方法均可有效地恢复试件的侧压强度,所有试件的侧压强度恢复率均在完好板强度的79%以上.其中,初始损伤最小的蜂窝夹芯板有最高的强度恢复率,此外非对称的修理设计会导致附加弯矩,从而对结构承载能力造成不利的影响.在实验基础上建立三维有限元模型对修理后蜂窝夹芯板的侧压性能进行研究,数值模型得到的结构刚度、极限载荷与破坏模式均与实验结果吻合良好,为复合材料蜂窝夹芯板的修理设计提供了可靠的数值方法.     

地应力作用下裂隙对锚杆预应力扩散机制的影响

为深入了解裂隙对锚杆预应力扩散机制的影响,采用将锚杆预应力在裂隙围岩中形成的应力场-锚杆预应力场从围岩应力场中分离出来的方法,系统地研究了地应力作用下裂隙位置、长度和倾角对锚杆预应力扩散机制的影响。研究发现:裂隙长度对锚杆预应力场的影响最显著、次为倾角、再次为位置。裂隙长度存在阈值;随其长度增加,拉、压应力峰值区位置发生转移,拉应力峰值单调增加,压应力峰值则先增大再减小。随裂隙向围岩深部移动,拉、压应力区位置发生互换,拉、压应力峰值总体呈减小趋势。裂隙倾角90°时的锚杆预应力场与30°~75°时的显著不同;随裂隙倾角增大,拉应力峰值按减小→增大→减小的规律变化,压应力峰值先减小再增大。     

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。     

混凝土细观数值试验的随机损伤本构模型

混凝土在细观尺度下是由粗骨料、砂浆和界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料。目前考虑细观尺度上这三相之间力学性能的不同,已经进行了大量的细观数值试验研究。然而混凝土为典型的多尺度材料,在细观尺度下混凝土各相自身也是非均质的。鉴于此,提出了细观尺度下代表性体积单元(RVE)的随机损伤本构模型,并编制了相应的有限元程序。利用编制的程序,进行了随机骨料模型单轴拉伸和压缩数值试验;并进行了双骨料试件单轴拉伸数值试验。结果表明,该模型虽然结构简单,但能较好地反映混凝土的主要宏观力学行为和细观损伤的产生和演化发展。最后,通过参数敏感性分析,阐明了不同模型参数对混凝土宏观力学特性的影响。该模型可为混凝土细观数值试验研究提供支撑。     

基于冲击瞬时能量梯度的蜂窝夹芯复合材料结构损伤监测

碳纤维增强复合材料具有独特的材料特性、可设计性,在现代卫星研制过程中的作用日益凸显,但其极易受到外太空碎片的撞击而产生多种类型的损伤,严重威胁在轨卫星的可靠性与稳定性。针对一种预制损伤的铝蜂窝夹芯碳纤维复合材料的安全监测需求,利用光纤Bragg光栅构建了分布式全光纤监测系统,监测在冲击过程中损伤区域处感应的光响应信号。通过总体经验模式分解(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)结合希尔伯特变换(Hilbert transform,HT),对冲击时域信号进行了有效提取,获得了冲击瞬时能量密度谱,提取相关能量特征并进行对比,进而生成冲击能量云图。实验结果表明:传感网络中任意一支传感器能够检测出四处损伤位置。该方法可为部分传感器失效情况下的损伤监测提供有益参考。     

混凝土经历荷载历史后损伤特性研究

混凝土在各种加栽形式下的损伤机制越来越受到工程界的关注．本文首先简单介绍了混凝土损伤特性的研究方法，并从数学形式的角度追溯了损伤变量的发展过程．在此基础上，结合国内外的研究成果，提出了损伤的新概念与研究损伤的技术路线，即分别用经历过荷栽历史后混凝土试件的抗压强度和抗拉强度劣化来定义其抗压损伤和抗拉损伤．然后，对混凝土经历各种三轴受压荷栽历史后损伤的演化规律进行了深入研究，并提出进一步研究应重点解决的问题．     

圆形洞室模型在双轴加载下的力学特征分析

为探究圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学特征变化,对制作的含圆形洞室的类岩石材料进行双轴加压试验,运用数字图像技术记录全场应变演化过程,并根据室内试验建立颗粒流模型,探究了围压对洞室围岩的抗压强度以及裂纹的发育的影响。结果表明：尺寸效应对模型的力学特征影响较大,圆形洞室模型峰值抗压强度随着洞室尺寸的增加而减小;当围压增大时,压剪作用增强,洞室模型的破坏模式由以张拉应变为主向拉剪复合破坏为主转变;圆形洞室应变集中区域会随着围压的增大由洞口上下侧向两帮转移;当围压逐渐增大,张拉作用被抑制,洞口两侧破坏程度逐渐增加,收缩变形程度逐渐增大;最后通过数值模拟验证了圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学变化特征。     

用于HPF加固RC结构的复合砂浆研究

高性能复合砂浆钢筋网(HPF)是一种有效的加固混凝土结构的方法,文章对该方法加固的复合砂浆进行了抗压、抗拉性能等试验研究,介绍了该方法对混凝土受弯构件加固的试验影响和作用。试验结果表明,这种砂浆配合其界面剂的使用,很适合于目前用水泥复合砂浆钢筋网加固RC结构的工程应用。