基于APDL的纤维增强金属层合板层间断裂韧性分析

纤维增强金属层合板,因其优异的综合性能而广泛应用于现代工业中。但由于界面的存在,在其使用过程中会出现分层破坏。界面是纤维增强金属层合板中最薄弱的部位。界面部位材料结合的牢固程度由界面的断裂韧性确定,是纤维增强金属层合板的重要力学性能指标,通常由单悬臂梁试验测定。采用有限元分析软件ANSYS的参数化设计语言APDL建立了碳纤维增强镁合金层合板的模型,并利用生死单元技术,编写程序对测定界面断裂韧性的单悬臂梁试验进行模拟。结果表明,数值模拟与试验结果非常接近。数值模拟是一种非常有效的确定纤维增强金属层合板层间断裂韧性的方法。     

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.     

含孔复合材料层合板孔口缝合补强的层间应力分析

使用有限元模拟计算了含孔复合材料层合板开口缝合补强结构。研究了含孔复合材料层合板在轴向拉伸载荷作用下孔边各个铺层的层间应力分布情况,并将缝合后的层间应力值与缝合前的相关数值进行了比较,主要研究了不同缝合参数对孔边层间应力的影响。通过有限元模拟计算可得,层合板缝合补强后,孔边的层间应力比未缝合前显著减小,孔边附近层间应力的分布与相邻铺层的铺层角有关,不同铺层之间的层间应力沿孔边区域存在应力的转换点,并且存在显著差别。     

基于数值方法的预应力状态下复合材料板冲击响应研究

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。     

复合材料扁壳的层间应力分析

给出了复合材料层合板壳变曲变形的高阶位移模式,利用连续条件,导出了层间应力修正公式,并推导了相应的有限元方程,算例计算了多种铺设方式和多种材料组合的剪应力分布,分析了壳体曲率对层间应力的影响,结果表明,纤维铺设方向和不同材料组合对层间应力沿厚度的分布有较大影响,曲率的变化对层间应力的大小有一定影响,而对应力沿厚度的分布影响较小。     

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。     

带圆孔复合材料层合板的孔边层间应力研究

含圆孔纤维增强层合板的孔边层间应力研究属三维各向异性弹性力学范畴,是一个较复杂的问题。本文利用块体八结点各向异性等参元,求解了在两种平面载荷作用下,含不同圆孔孔径的多层纤维增强层合板孔边层间应力的分布。     

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.     

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。     

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。     

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ABAQUS的编织纤维层合板结构分析

描述复合材料编织纤维层合板结构的特点,提出了一种利用ABAQUS软件建立复合材料编织纤维层合板结构有限元模型来模拟实验结果的方法与步骤,简单阐述了后处理方法,并通过一组有限元计算实例与实验数据进行的比较验证该方法的准确性。     

弹性支承玻纤增强层合板装配应力分析

提出了弹性支承正交纤维增强层合板装配应力的数值计算方法.0°层合板抗弯性高于45°层合板33%,而45°层合板抗扭性高于0°层合板84%.     

开孔碳纤维复合材料层合板的拉伸失效有限元分析

基于ABAQUS有限元软件中的二维壳单元和三维实体单元,对铺层角度为［0°/(±45°)₃/(90°)₃］_s的开孔T300/1034-C碳纤维复合材料层合板在拉伸载荷作用下的失效过程进行研究.首先,在ABAQUS有限元软件中建立壳单元和连续壳单元碳纤维复合材料模型,利用自带的2D Hashin准则与退化模型模拟了层内失效.但二维模型没有考虑各层失效间的相互影响,进而通过编写材料子程序VUMAT,引入3D Hashin准则和基于断裂能的等效应力-应变双线性退化方式,采用实体单元模拟碳纤维复合材料的失效行为.通过对三种单元模型进行模拟,结果表明:开孔造成的应力集中会使层合板在拉伸过程中纤维与基体更易失效,成为裂纹源;在层合板失效过程中,都呈现“X形”向“沙漏形”失效发展趋势,最终沿宽度方向断裂;实体模型模拟精度相比于传统壳单元、连续壳单元的偏高更接近实验数值,三种单元模拟极限失效载荷与实验数据相差分别为26.1%,31.1%,8.64%.     

SMA纤维混杂层合板PE阻尼振动响应研究

建立了形状记忆合金纤维混杂复合材料矩形层合板振动响应的理论分析模型。首先提出简化的描述ＳＭＡ超弹性应力－应变关系的分段线性化模型,采用多胞细胞力不方法确定ＳＭＡ纤维浊支板的宏观力学性能参数;根据层合板力学分析方法建立ＳＭＡ纤维混杂交交对称铺设矩形板在超弹性相变阻尼影响下的横向振动响应求解的数学模型。     

含分层复合材料层合板的高阶有限元分析方法

本文以勒让德（Ｌｅｇｅｎｄｒｅ）多项式逼近位移场沿板厚度方向的变化规律，考虑了含分层损伤复合材料层合板分层区域的横向剪应力分布，对层合板分层区域的刚度进行了修正，并在此基础上建立了分析含分层损伤复合材料层合板的高阶有限元模型，编制了相应的计算程序，分析了分层损伤对复合材料层合板弯曲变形和应力的影响。     

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.     

纤维增强复合材料螺旋弹簧刚度预测模型

建立了一种通用形式的复合材料螺旋弹簧刚度预测模型,提出一种无需限定网格和节点的复合材料螺旋弹簧有限元建模方法.基于复合材料层合板理论,推导了复合材料层合板等效剪切模量,并据此建立了纤维增强复合材料螺旋弹簧刚度预测模型,该模型能够适用于任意铺层角度的纤维分布.为了解决在有限元建模过程中复合材料螺旋弹簧单元方向设置的难题,提出建立复合材料弹簧有限元模型的新方法,可直接对铺层进行设计,避免了划分网格时单元坐标系与簧丝螺旋线方向难以协调的问题.刚度预测模型计算结果与文献实验结果的对比表明,所建立的预测模型具有更好的计算精度.针对复合材料类型和纤维铺层角度的不同组合形式,利用所建立的有限元分析模型和刚度预测模型进行了对比分析,结果表明两者之间的计算误差较小,有效性较好.      

内部分层对复合材料层合板承载能力的影响

根据含分层损伤复合材料的高阶有限元模型,分析了内部分层对复合材料层合结构的影响。分析表明,内部分层将引起层合板应力分布变化,应力值提高,由此将导致复合材料层合结构承载能力的显著下降。     

含单个分层复合材料层合板后屈曲性态研究

基于Mindlin假定下大变形的板／壳理论,采用参考面单元和虚拟杆单元相结合的非线性有限元方法,建立了分层损伤层合板后屈曲分析的有限元计算模型,并研究了考虑层间接触效应的单分层层合板的后屈曲性态．着重研究了分层深度、铺层次序和分层尺寸对含单个穿透分层层合板后屈曲性态的影响,如随分层位置沿厚度方向由表面向中心靠近,层合板后屈曲载荷呈下降趋势;当分层尺寸确定时,层合板的铺层次序及分层深度对后屈曲载荷的影响呈现明显的规律性;不同分层尺寸对后屈曲模态有显著影响等．所得结论对层合板结构设计和评估有指导意义。