湿热环境下复合材料冲击损伤的近场动力学模拟

研究在湿热条件下复合材料的冲击损伤特征,是复合材料应用在舰船壳体的一个重要基础。现有的有限元方法在分析损伤及裂纹扩展问题中遇到了一定困难,需引入近场动力学(PD)理论,用于分析复合材料湿热冲击损伤。在复合材料近场动力学模型中,定义层内和层间共4种不同作用键;在本构方程中引入湿热伸长率项,改进键伸长率判定和键常数为湿热环境下的形式,建立了湿热环境下复合材料层合板PD模型。基于上述模型,模拟了不同湿热环境下复合材料层合板冲击损伤,并分析冲击速度对湿热处理复合材料层合板吸能性能的影响。结果表明:在冲击速度较低情况下,湿热因素对层合板冲击损伤影响较大;当温度与湿度共同作用时,层合板抵抗冲击能力更强。     

在Ⅰ型模式下异型截面Z-pin增强效果的数值分析

针对单根Z-pin拔出试验以及未增强/Z-pin增强的双悬臂梁(DCB)试验建立了三维有限元仿真模型.在拔出试验的模拟过程中,以静-动摩擦系数模拟Z-pin在基体中的脱胶-拔出过程,以计算所得桥联力作为输入参数,通过连接器模拟Z-pin在层合板中的桥联作用,得到了DCB试验的载荷-位移曲线.同时,将所建模型用于计算异型截面Z-pin的桥联力,以及异型截面Z-pin增强DCB试件的载荷,以定量分析Z-pin截面周长对其增强效果的影响.结果表明,所建立的有限元模型的模拟结果与实验值较吻合.     

在I型模式下异型截面Z-pin增强效果的数值分析

摘要： 针对单根Z-pin拔出试验以及未增强/Z-pin增强的双悬臂梁（DCB）试验建立了三维有限元仿真模型.在拔出试验的模拟过程中,以静-动摩擦系数模拟Z-pin在基体中的脱胶 拔出过程,以计算所得桥联力作为输入参数,通过连接器模拟Z-pin在层合板中的桥联作用,得到了DCB试验的载荷-位移曲线.同时,将所建模型用于计算异型截面Z-pin的桥联力,以及异型截面Z-pin增强DCB试件的载荷,以定量分析Z-pin截面周长对其增强效果的影响.结果表明,所建立的有限元模型的模拟结果与实验值较吻合.     

高温环境对含孔复合材料层合板屈曲性能的影响

为了研究高温环境下含有不同直径大小的孔的碳纤维增强复合材料层合板的屈曲性能与室温环境下的屈曲性能之间的差异,首先对纵向压缩载荷作用下碳纤维增强复合材料层合板的临界屈曲载荷的计算理论进行了分析并选定了用于衡量屈曲性能的指标——最小正特征值;随后,在商业化有限元软件ABAQUS中建立了一系列含有不同孔径大小的碳纤维增强复合材料层合板的有限元模型,并通过改变材料的性能参数来模拟碳纤维增强复合材料层合板所处的温度环境.ABAQUS软件的屈曲分析结果表明:高温环境会使得碳纤维增强复合材料层合板的屈曲性能有所下降,且随着孔径的增大,碳纤维增强复合材料层合板的屈曲性能降低得越快.     

缝纫对复合材料层合板分层屈曲的影响

基于包含若干分层的缝纫复合材料层合板在面内压缩载荷作用下发生屈曲破坏的机理,即厚度方向上的缝纫线被拉断,把缝纫线的极限伸长率作为层合板屈曲破坏的控制参数,采用能量的方法建立了用于预测缝纫复合材料层合板屈曲强度的理论模型.采用最小势能原理计算了缝纫及未缝纫复合材料层合板的屈曲强度.在此基础上,定义一个缝纫增强比,用一个算例证明了缝纫复合材料层合板较未缝纫复合材料层合板有更高的屈曲强度.研究了缝纫参数(包括缝纫线直径,缝纫针距和行距)对缝纫复合材料层合板屈曲强度的影响.     

复合材料板弯扭耦合特性数值模拟

为研究复合材料风机叶片弯扭耦合特性,将风机叶片简化为对称非均匀复合材料层合板,研究不同的耦合区域对弯扭耦合效应的影响.在复合材料层合板不同区域对称铺设相同纤维角度的增强板.分析在集中静力荷栽作用下,层合板的静态弯扭耦合特性;结合模态分析方法,利用模态置信准则(MAC),定量分析不同位置耦合层合板的弯扭耦合动态效应.结果...     

非对称铺层T700复合材料层合板铺层顺序优化

为分析经过铺层顺序优化后的复合材料层合板的承载能力,基于有限元优化设计软件,构建碳纤维复合材料层合板有限元模型,施加边界条件与轴向载荷,进行力学性能分析;以碳纤维复合材料层合板铺层顺序为设计变量,以层合板主应变、连续角度铺层不超过四层等为约束条件,最大承载能力为设计目标,对层合板进行优化;并对优化后的层合板基于强度理论进行校核,结合力学试验对比分析优化前后的层合板力学性能差异.结果表明:碳纤维复合材料层合板铺层顺序经过优化后,承载能力增强,试验结果与仿真结果具有一致性,优化方法是合理可靠的.     

Z-pin增强复合材料T型接头拉伸数值模拟与参数分析

利用内聚力模型建立了Z-pin增强复合材料T型接头拉伸破坏过程的数值分析模型,并对Z-pin的分布进行参数分析.通过Z-pin桥联试验得到Z-pin拔出的位移-载荷曲线,再将该曲线转化为Z-pin所在区域的界面单元属性,从而模拟Z-pin对T型接头性能的增强效果.通过静力拉伸试验验证了该模型的可靠性.在此基础上分析了不同Z-pin分布对T型接头拉伸性能的影响,结果表明:Z-pin列距越小则拉脱载荷及极限位移越大,Z-pin行距的变化对结构承载能力影响较小,而Z-pin与中轴面的距离增大会使拉脱载荷呈线性减小的变化趋势.     

复合材料层间基体铆接与层间剪切强度的关系

采用一种新的实验测试方法研究织物增强复合材料层合板的层间剪切强度,对该测试方法作了理论分析并建立了数学模型.提出了织物增强复合材料层合板中基体层间铆接的存在.采用不同经纬密度的织物作增强材料,研究了铆接与层间剪切强度的关系.为织物增强复合材料的细观力学设计提供了依据.     

考虑劈裂对应力集中缓解作用的纤维增强复合材料损伤破坏分析

外载荷作用下含缺口纤维增强复合材料层合板在缺口边缘存在很高的应力集中,在载荷水平较低时,缺口边缘纤维间基体受剪切作用会发生沿纤维方向的纵向劈裂,该纵向劈裂会降低缺口处的应力集中并提高层合板的承载能力。为准确模拟纵向劈裂对缺口边缘应力集中的缓解作用,利用扩展有限元方法模拟劈裂建立了复合材料层合板渐进性损伤破坏分析的仿真模型,模型选用Hashin破坏准则对复合材料层合板的失效进行预测,分别研究了铺层顺序和缺口形状对复合材料层合板抗拉强度的影响,并与现有文献中的实验结果进行了对比,模拟结果表明破坏模式和破坏强度均与实验结果相吻合,验证了本文渐进性损伤破坏分析仿真模型的有效性。     

复合材料对称层合板的强度预测

基于层合板五层等效约束模型(Equivalent Constraint Model,ECM),建立了基体开裂下的层合板残余强度的分析方法.基体开裂导致层合板内部应力重分配,使得主受力层(0°层)应力或应变条件恶化.认为0°层控制层合板的最终失效破坏:当0°层失效时,整个层合板发生失效破坏.对不同材料体系和铺层结构的复合材料对称层合板的强度进行了预测.计算结果表明:这种强度准则的预测值与实验结果吻合较好.     

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。     

基于改进桥联模型的CFRP层合结构抗冲击载荷动态力学性能研究

为研究碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在冲击载荷下的力学响应,本文基于桥联模型,采用含应变率效应的动态本构方程以及屈服准则,对CFRP层合板进行了优化设计和动态压缩强度分析.利用相关文献中的层合板准静态及动态试验结果,对改进的桥联模型程序进行验证,结果吻合良好.在此基础上,对比分析了几种CFRP层合板铺层设计方案,优选并制备其中一铺层的层合板,实施了中等应变率的压缩试验,前期理论计算结果与试验结果有较好一致性.本文工作可用于抗高冲击载荷CFRP层合结构的优化设计及性能预测.     

含孔层合板轴压稳定性分析的边界元法

用边界元法对具有中心圆孔的纤维增强复合材料对称角铺设层合板的轴压稳定性进行了研究。分析了铺设角和孔径一板宽比对具有中心圆孔复合材料层合板在轴压荷载作用下的临界荷载值的影响。同有限元法比较，结果表明，应用边界元法节约了计算机时，而且计算精度较高。     

织物增强复合材料层间基体铆接与层间剪切强度的关系

采用一种新的实验测试方法研究织物增强复合材料层合板的层间剪切强度，对该测试方法作了理论分析并建立了数学模型．提出了织物增强复合材料层合板中基体层间铆接的存在．采用不同经纬密度的织物作增强材料，研究了铆接与层间剪切强度的关系．为织物增强复合材料的细观力学设计提供了依据．     

环境温度对碳纤维复合材料层合板力学性能的影响

环境温度对飞机复合材料结构的力学性能有着至关重要的影响。为了更好地掌握碳纤维/树脂基复合材料层合板在不同温度环境下的力学性能变化情况,以W-3021FF/LY 1564 SPT/XB 3487复合材料为研究对象,在湿法成型工艺下,分别在-54℃、25℃(室温)、71℃温度环境下进行拉伸、压缩力学性能试验,并利用扫描电镜显微镜(SEM)对力学性能试样断口进行扫描分析。试验结果表明:与室温环境相比,低温环境下碳纤维与环氧树脂基黏合增强,复合材料层合板的拉伸与压缩强度提高;而高温环境碳纤维与环氧树脂基结合弱化,复合材料试样的拉伸与压缩强度均降低。     

考虑应变率效应的复合材料层合板冲击动态响应

基于对分离式霍普金斯拉杆试验结果的分析,建立了T300/epoxy复合材料考虑应变率效应的黏弹性本构模型,并将该模型引入有限元分析软件LS-DYNA,对T300/epoxy复合材料层合板进行了冲击动态响应模拟计算,计算结果与试验结果吻合较好,验证了模型的有效性.从层合板抗冲击性能的角度提出了有效冲击时间的概念,探讨了考虑应变率效应时复合材料层合板在高速冲击有效时间内的应力(应变)分布、挠度随冲击速度的变化等动态响应规律.分析发现:最大正应变和层间剪应力沿层合板边长方向的衰减先快后慢,衰减速度明显变小的范围大约在距弹着点20 mm附近;在相同冲击速度条件下,层合板的挠度随到冲击点距离的增大而减小,在2个垂直方向上挠度分布规律基本相同,层合板表现出整体变形的对称性;存在冲击影响域,在一定范围(10 mm)之外,冲击速度高时层合板的挠度反而小,冲击影响域也小.     

分层缺损对复合材料结构压缩强度的影响

 以碳纤维增强环氧树脂基复合材料结构为研究对象,设计了含有预埋分层缺陷复合材料层合板的典型试件及压缩试验装置,采用试验与数值模拟相结合的方法,研究了分层缺陷位置、大小对结构压缩强度的影响.研究结果表明,分层缺陷的位置会改变层合板的分层形式,且小尺寸分层缺陷对于层合板的压缩强度几乎无影响.此结论可为复合材料结构应用于飞机结构的设计和制造提供依据.     

铺层拼接层合板抗拉强度研究

针对复合材料结构设计中会遇到含铺层拼接的层合板强度预测问题, 设计了含铺层交错拼接区的碳/双马复合材料层合板试件,采用简单拉伸试验方法测定了该材料的力学性能,得到了不同拼接长度下层合板的抗拉强度.试验结果表明,铺层拼接状态差异将会对层合板的承载能力有显著影响.根据试验结果建立了铺层拼接层合板的抗拉强度随拼接长度变化的经验公式,可为复合材料层合板结构的铺层设计和强度分析提供理论依据.     

高速船复合材料层合板非线性动力响应分析

研究了高速船复合材料层合板在冲击载荷作用下的非线性动力响应 .基于经典的层合板理论及板的大挠度基本假设 ,得到四边简支层合板的非线性运动方程及变形协调方程 ;用级数展开把非线性偏微分方程组化为易于求解的 Kronecker张量积形式的二阶常微分方程组 ,并由四阶Runge- Kutta法数值求解 .讨论了载荷形式对复合材料层合板动力响应的影响