碳纤维增强镁合金层合板拉伸性能和层间断裂韧性

玻璃纤维增强铝金属层合板,已广泛应用于航空、航天等领域。现采用密度更小的镁合金板取代铝合金板,并用抗拉强度更高、弹性模量更大的碳纤维来代替玻璃纤维,会得到一种新型的复合材料——碳纤维增强镁合金层合板。通过对不同纤维/树脂复合材料体积比的碳纤维增强镁合金层合板进行拉伸以及单悬臂梁试验,分别得到其强度、刚度及界面断裂韧性等机械性能。并与工程实际中广泛使用的玻璃纤维增强铝合金层合板进行比较。结果表明,碳纤维增强镁合金层合板具有比玻璃纤维增强铝合金层合板更高的比强度、比刚度以及界面断裂韧性。碳纤维增强镁合金层合板是一种非常有前途的新型复合材料。     

含接缝纤维/金属层合板分层行为的内聚力模拟

基于双线性内聚力模型,对面内载荷作用下,双接缝、单接缝和非对称接缝三种形式的纤维/金属层合板的分层破坏行为进行三维有限元数值模拟.与试验结果对比表明,内聚力界面单元模型能够对含接缝的纤维/金属层合板的界面分层行为做出正确预测.经过模拟发现含接缝层合板的分层破坏以II型剪切分层为主,不同的接缝形式将产生不同的分层破坏特点.还讨论了界面力学性能参数对计算结果的影响.     

纤维-金属层合板层间应力分析

依据有限元方法,建立了纤维-金属层合板的有限元模型,有效模拟了金属层的弹塑性以及其层间的应力分布;分析了纤维-金属层合板的拉伸特性,与试验数值比较,证明了该有限元模型的准确性;从不同类型纤维-金属层合板的应力-应变曲线,得出结论:层合板在金属层进入塑性形变阶段后,强度下降较快且玻璃纤维层采用相同的铺排方式,有利于降低层间应力集中程度.     

新型三线性本构内聚力模型的界面参数研究

复合材料多向层合板分层扩展行为的准确模拟对层板结构设计非常重要。笔者前期工作已经建立了一种基于失效机理的新型三线性本构内聚力模型来考虑纤维桥接对分层行为的影响。在此基础上,基于二维有限元模型对该新型内聚力本构中的关键参数开展了数值研究,获得了适用于复合材料多向层合板数值模拟的内聚力本构参数取值方案。最后采用确定的本构参数对复合材料多向层合板的分层扩展行为进行了模拟,所得模拟结果与试验结果之间的一致性较好,进而验证了所建立参数取值方案的有效性。     

Glare连接件力学性能研究

兼具玻璃纤维和铝合金两种材料优点的玻璃纤维增强铝合金层合板(Glare)是航空领域未来的选材之一。Glare层合板属于纤维增强合金层合板的一种,其不仅仅是具有纤维增强合金层合板的一半特点,还有着相当强的抗疲劳性能以及很高的强度。本文简述了Glare层合板在航空结构上的应用情况。研究了干涉配合对单钉单剪玻璃纤维增强铝合金连接件挤压强度的影响。     

复合材料铺层板低速冲击作用下损伤的有限元分析

建立了分析纤维增强树脂基复合材料层合板在横向低速冲击作用下损伤和变形行为的有限元模型.针对铺层板的层内损伤,在采用应变描述的Hashin失效准则的基础上,建立了单层板的逐渐累积损伤本构模型;针对铺层板的层间脱层损伤,使用界面单元模拟层间粘接区域,在采用力与相对位移表示的材料模型的基础上,建立了各向同性脱层损伤模型,通过结合传统的应力失效准则和断裂力学中的能量释放率准则定义界面损伤演化规律.计算模型通过有限元软件ABAQUS/Explicit的材料模型用户子程序实现.使用该计算模型对铺层方式为(04,904)S的碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板在不同横向低速冲击作用下的损伤和变形行为进行预测分析,并将数值仿真结果与试验结果进行了比较,验证了所提出模型的正确性.     

基于接触算法的复合材料层板脱层损伤分析

针对长纤维增强树脂基复合材料层合板的脱层损伤破坏,提出了基于接触算法的脱层预测模型.在潜在产生脱层区域模拟为粘结接触,并将脱层模型作为界面的接触行为,引入一个损伤变量来表征在达到宏观裂纹之前的微裂纹和微缺陷区域面积,从而获得产生损伤时界面的有效刚度.通过结合传统的应力失效准则和断裂力学中的能量释放率准则定义了损伤发展过程中的损伤面,分析了脱层产生和扩展的整个过程.并将该模型通过ABAQUS/Explicit的用户子程序VUINTER实现.对控制双悬臂梁张开位移率方式下裂纹扩展的数值仿真结果与实验结果进行了比较,取得了满意的结果,验证了该模型的正确性.     

织物结构对增强复合材料层间断裂韧性的影响

采用粘贴片式双悬臂梁(DCB)试件和端部切口弯曲(ENF)试件研究了平纹织物的经纬纱密度对玻璃平纹织物/环氧树脂复合材料的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性的影响.实验结果表明,织物的密度对层间断裂韧性有显著的影响.提出了在织物增强复合材料层合板中,基体在织物孔洞中形成层间铆接,并研究了其与层间GⅠC和GⅡC的关系.     

层合板厚度对桥接和层间断裂韧性影响的研究

复合材料层合板分层扩展行为的准确模拟与分析对层合板结构设计十分重要.针对现有研究未定量描述Ⅰ型层间断裂韧性与层合板厚度之间关系这点不足,借助ABAQUS有限元软件建立平面应变模型,通过对厚度与层数比例的控制,采用迭代方法来确定试样厚度对桥接区牵引分离行为的影响. 同时,考虑内聚力本构关系,利用有限元方法研究厚度为2、4、8 mm的单向碳/环氧复合材料试样层间分层扩展行为.结果表明,层间的稳态断裂韧性随着试样厚度的增加而增加,但初始断裂韧性与厚度无关,进而验证试样厚度对层合板层间断裂韧性的影响,分析结果与实验值有较好的一致性.     

含弱界面的复合材料层合板对水平剪切波的散射

对含有弱界面的复合材料层合板,采用弱连接界面的剪切弹簧模型,借助波函数法研究了水平剪切波入射时层合板对波的散射,得到了解析结果.数值计算结果表明,弱界面处在不同位置时,对以一定角度入射到复合材料层合板的水平剪切波,其反射和透射系数有明显变化;当层合板中弱界面的力学性能参数强弱不同时,以入射角为变量所得到的透射系数和反射系数曲线呈现出明显差异.证明了根据含弱界面复合材料层合板所得到的水平剪切波的散射规律,不仅能够确定反映弱界面力学性质的参数R的大小,而且还能够判明弱界面所在的位置,这将为复合材料层合板中弱界面的超声无损检测提供依据.     

多点成形有限元参数化建模的研究

介绍了多点成形的基本原理、有限元参数化建模的流程和计算基本体高度的方法,利用ANSYS/APDL开发了多点成形有限元参数化建模程序,通过VC++编写了友好的参数输入界面,使得在进行多点成形数值模拟研究中仅需输入一些相关参数即能建立不同类型的有限元模型,即参数化建模,从而避免了很多繁琐的建立有限元模型的工作,并利用该程序分别建立了发动机罩以及轿车顶盖的多点成形有限元模型。     

钢筋混凝土柱的参数化有限元分析

基于ANSYS提供的二次开发工具APDL,开发钢筋混凝土柱有限元参数化分析技术,能够大大提高钢筋混凝土梁分析效率.     

大跨度公路斜拉桥车桥耦合振动竖向响应分析

在数值分析软件MATLAB平台上,运用三角级数法将桥面不平顺模拟为具有各态历经的平稳随机过程．根据有限元法建立大跨度斜拉桥分析模型,将车辆模拟为5个自由度的质量一弹簧一阻尼体系,分别建立车辆和桥梁结构的振动微分方程,通过位移协调和力的平衡条件形成车桥系统的耦合振动微分方程．采用Newmark—β法,利用有限元分析软件ANSYS编写了迭代计算的APDL命令流,进行主跨为550m的福建长门大跨度公路斜拉桥的车桥耦合振动分析．计算结果表明：桥梁结构动力响应随桥面状况的恶化而显著增大,随结构阻尼的增大而近似呈线性关系减小．随车重的增加而先增大后减小,在开始阶段,响应迅速增大,而后缓慢减小．     

岩体不连续面的几何特性与剪切强度的关系

利用新开发设计的三维非接触式激光表面形状测定仪,在精确测定岩体不连续面的表面形状的基础上,建立了新的岩体不连续面的分形几何模型,模型中的两个分形参数定量表述了岩体不连续表面形状的几何特性（一级倾斜度和高级次起伏度）,并进一步提出了由这两个分形参数组合出的代表岩体不连续面表面粗糙特性的平均粗糙角Ｕ的概念和计算方法。最后,结合岩体不连续的剪切强度实验,建立了剪切强度与分形参数有及平均粗糙角Ｕ间的定量关     

基于扩展二相杂交应力有限元法的两相材料界面裂纹断裂力学分析

实际应用过程中,由于复合材料界面两侧各相材料性能各异以及制造过程中存在的缺陷,在外载荷的作用下,界面处产生大量初始微裂纹进而扩展相交形成宏观裂纹最后扩展贯通导致结构失效。因此,对于界面裂纹的分析研究对优化复合材料,提高其应用性能及可靠性是十分重要的。提出了一种扩展二相杂交应力有限元法,通过构建包含边界裂纹、水平中心裂纹以及倾斜裂纹的两相材料的扩展二相杂交应力有限元单元模型对界面裂纹进行断裂力学分析。应用Lagrange乘子法将各个界面裂纹面面力为零边界条件和未断裂界面的面力连续条件引入修正余能泛函中,在每一相材料域内假设高阶多项式应力函数,充分考虑界面形状的影响,构建互作用应力函数,引入双材料界面裂纹裂尖附近奇异应力场函数。基于Fortran程序求解后得到单元应力场,采用最小二乘法计算了界面裂纹的应力强度因子。通过该方法得到的数值模拟结果和传统有限元分析的数值结果进行比较,验证该方法的有效性和准确性。     

岩溶区多软弱层复合边坡变形破坏机制分析

岩溶和软弱层的存在对边坡稳定性有重大影响。为了揭示岩溶作用下复合边坡失稳机制,本文以富含岩溶区某变电站场区复合边坡为研究对象,通过三维地质建模技术对钻孔数据进行处理,从而准确获取多软弱岩层界面位置以及坡体内岩溶状态。结合AutoCAD软件生成拟研究边坡地质剖面,通过ABAQUS模拟软件与AutoCAD数据接口将典型地质剖面图导入有限元数值模拟软件中,从而构建含岩溶复合边坡数值模型。采用强度折减法分别分析了复合边坡在不含岩溶时、岩溶无充填时、岩溶被黏土充填时的失稳特征。模拟结果表明：多软弱层复合边坡岩层界面对坡体的稳定有决定性作用,坡体滑移破裂均源于岩层界面处,坡体沿岩层分界面剪切滑移贯通成圆弧状潜在破裂面。岩溶对边坡的影响主要由沉降变形引起,岩溶沉降较大时,边坡呈现垮塌为主和岩层界面剪切滑移为辅的破裂形式。理论上,在某些特定情况下,坡体内岩溶对边坡稳定性有积极作用。该研究结果对于指导含岩溶复合边坡防护设计具有重要意义。     

裂隙岩体中隧道变形破坏的节理有限元模拟计算

裂隙岩体是地下工程施工中经常遇到的一类岩体,研究其变形和破坏机理是工程安全施工的保证。以天平线关山隧道工程为例,采用基于修正Goodman单元的节理网络有限元法,将裂隙岩体看作由岩块和节理、裂隙组成的二元结构,其中岩块和节理、裂隙分别采用线性Mohr-Coulomb强度准则和非线性Barton-Bandis剪切强度准则。通过有限元软件Phase~2模拟分析了隧道开挖过程中裂隙岩体的变形破坏特点以及不同工况下隧道拱顶的沉降量,并讨论了Barton-Bandis准则中节理粗糙程度(J_(RC))的取值对围岩稳定性的影响。研究方法为裂隙岩体的数值计算提供了新手段,节理粗糙度(J_(RC))的反演结果能为支护设计和加固措施提供参考依据。     

大理岩II型断裂规律试验及数值模拟分析

通过对预制裂纹的大理石矩形板的剪切试验,分析了加载方式和预制裂纹的几何参量a/w对岩板产生II型断裂模式的影响.当a/w<0.30时,岩板在2种加载方式下均能沿预制裂纹尖端连线发生II型剪切断裂;当a/w>0.30时,岩板的断裂模式以I型张拉裂纹为主.通过有限元计算所得岩板内部状态参量的分布规律,利用最小二乘法对计算所得的KII因子进行多项式拟合,建立相应边界条件下几何修正函数,并通过试验计算断裂韧度KIIC.最后,利用辅助劈裂试验,验证了a/w对岩板II型断裂的影响的实质是由于岩板的预制裂纹外部的岩石优先开始发生劈裂.     

焊接热应力模拟及基于VC的二次开发

建立了基于Ansys的简单TIG焊温度场、应力场模型,并采用Windows通用软件开发平台VC 6.0结合Ansys分析过程开发了焊接热应力有限元分析程序.研究了利用VC和Ansys参数化设计语言APDL进行二次开发的技术,开发的程序主要包括用户界面模块、Ansys计算模块、VC调用接口模块和VC后处理模块等.模拟结果表明,所开发的程序能实现VC和Ansys软件的交互调用和结果显示,拓展和丰富了进行焊接过程模拟的方法及软件交互性.