平纹编织复合材料挖补修理附加层优化研究

平纹编织复合材料应用广泛,但该类型结构维修关键参数的研究较少,文章根据实际维修情况建立复合材料层板挖补结构的有限元计算模型,并通过试验验证了分析模型的准确性,基于该模型进行了附加铺层尺寸参数优化研究。结果表明,附加层的铺设对于提高修补板强度有积极的效果,但过多的附加铺层数容易增加修补缺陷,建议修理中附加铺层数不宜过多。优化过程中发现复合材料挖补维修存在一个对强度影响较大的附加铺层长度值,该临界长度正比于维修总区域,实际维修中附加铺层长度参数建议为该临界值的2~3倍,文中修补条件下的推荐值为20~25mm,该结论可为复合材料结构修补提供较为准确的维修指导。     

平纹编织复合材料层板维修的挖补角度优化分析与试验验证

鉴于平纹编织复合材料的广泛应用与该类型层板维修研究的缺失性,研究针对一系列不同修补角度的平纹编织复合材料层板维修工况,进行了三维有限元模型分析计算与试验验证,得到结论如下:修补角度的选取对于恢复强度的影响极为明显。研究使用的平纹编织复合材料层板结构最佳修补角度为4°,最大强度修复率达到了66.98%;分析采用的三维有限元修补模型得到的强度计算值与试验数据基本吻合,说明该计算模型能够满足维修设计的需求,为实际修理提供较好的维修指导。     

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Hashin失效准则的复合材料螺栓连接损伤破坏研究

本文介绍了复合材料螺栓连接二维模型的损伤破坏分析方法,Hashin失效准则和刚度降方法,考虑接触关系,剪切非线性和材料刚度降低,针对Hashin失效准则编制相应的损伤程序,然后采用有限元软件ABAQUS对复合材料层合板螺栓连接件强度进行数值计算。研究结果表明,利用损伤子程序可以较好的预测层合板的破坏载荷以及损伤初始发生的铺层及其扩展方向,损伤的发生和扩展只与铺层角有关,而与铺层顺序、铺层的厚度无关,剪切非线性分析更加合理,考虑非线性影响时,失效准则中包括剪切应力项,损伤产生较早。     

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.     

基于双线性损伤本构的复合材料修理后强度数值分析方法

针对胶接挖补修理后复合材料结构的强度分析,建立了同时考虑复合材料和胶层损伤状态的三维有限元分析模型。采用混合型损伤内聚力模型模拟胶层的脱黏失效行为。建立基于损伤力学的复合材料三维双线性本构关系,量化损伤程度;并编写为有限元软件ABAQUS的材料子程序VUMAT。通过数值计算对结构强度和损伤过程进行预测。分析实例的计算结果与试验吻合得较好,验证了分析方法的有效性。     

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.     

金属和复合材料单钉接头变形与失效分析

采用大型有限元软件ANSYS的参数化编程语言APDL,编写了金属和复合材料层压板紧固件连接三维建模和损伤失效分析程序。模型考虑了连接区复杂多面接触、预紧力、摩擦力和紧固件变形,采用了复合材料分区失效退化。进行了两种铺层单钉双剪连接件拉伸试验,记录从开始加载到最终失效过程中连接件的载荷-变形位移曲线(P-δ曲线)和破坏强度。计算预测结果和试验结果在P-δ曲线、破坏模式和拉伸强度上取得了很好的一致。     

玻璃纤维平纹编织层合板面内剪切渐进失效分析

为研究玻璃纤维平纹编织层合板面内剪切性能,建立其面内剪切渐进失效分析模型。基于Ramberg-Osgood方程建立考虑面内剪切的非线性本构模型,编写VUMAT子程序,设置Hashin失效准则和刚度退化准则,采用ABAQUS/Explicit求解器对玻璃纤维平纹编织层合板的面内剪切过程进行模拟。研究表明：建立的非线性模型能够很好的描述面内剪切非线性;面内剪切过程中,首先发生纤维-基体的剪切失效,然后是经纬向纤维的拉伸失效,最后是经纬向纤维的压缩失效;预测得到的面内剪切强度、初始剪切模量、位移载荷曲线和失效模式与试验结果吻合,证明所建立模型的有效性。     

平纹铺层及三维角联锁复合材料热氧老化后低速冲击及剩余弯曲性能

以平纹铺层和三维角联锁碳纤维/环氧树脂复合材料为研究对象,探究其在180℃高温下分别老化4、8、16和32 d后的低速冲击响应,并结合其冲击后弯曲性能,比较两种结构复合材料抗冲击性能随老化时间的变化规律。结果表明:随着老化时间的增加,冲击加载下平纹铺层和三维角联锁纤维环氧树脂两种复合材料试件的最大冲击载荷减小,能量吸收率增大,承载性能退化;相同老化条件下,三维角联锁结构试件的剩余模量和强度保留率均高于平纹铺层试件。两者微观形貌的分析表明:平纹铺层结构试件易在热氧老化过程中形成连续的层间裂纹,并在外加载荷作用下扩展造成层间失效;三维角联锁结构试件因厚度方向的接结纱作用,界面裂纹扩展受阻,从而缓解热氧老化引起的界面性能退化。     

复合材料螺接修理层压板剩余强度评估

复合材料结构修理是飞机复合材料结构全寿命周期中不可或缺的重要环节。螺接修理传递载荷大,操作简单,易于外场实施。快速估算螺接修理结构的剩余强度,有助于修理参数优化及修理方案的设计。采用基于子模型法的有限元数值分析方法,快速预估螺接修理层压板结构的承载能力。模型中复合材料层压板和金属补片用壳元模拟,螺栓用梁元模拟,采用多点约束技术模拟螺栓与螺栓孔的接触。在整体模型应力分析的基础上,选择高应力区建立子模型,提出0°层点应力准则判断层压板是否破坏,根据粱元剪力的大小用工程方法评估螺栓的强度。分析表明,分析方法建模简单、计算周期短、分析结果与试验结果误差在5%以内,可以满足工程设计和分析要求。     

褶皱偏移角度对玻璃纤维复合材料层合板拉伸性能的影响

为了考察褶皱偏移角度对玻璃纤维复合材料层合板拉伸性能的影响,通过参考美国材料与试验协会(American Soci-ety for Testing and Materials,ASTM)D3039标准开展了含不同褶皱层数的玻璃纤维复合材料试验件拉伸性能测试,并基于三维Hashin失效准则和渐进损伤失效理论建立了有限元强度预测模型,得到试验结果与数值仿真.研究了不同褶皱偏移角度下对层合板应力应变、强度以及破坏模式的影响.结果表明:试验结果和仿真结果吻合度较高,验证了建立的有限元分析模型正确;无偏移角度的试验件和不同偏移角度的试验件应力-应变曲线均在起始阶段曲线呈线性增长,但无褶皱试验件明显可承受的形变更大,90°褶皱偏移角度试验件可承受应力与应变最小.对于不同褶皱偏移角度对拉伸强度的影响,发现随着褶皱偏移角度的减小,层压板的抗拉强度也随之减小;通过以褶皱偏移角度为60°的褶皱仿真模型为例,进行渐进损伤失效过程分析可知,其最终失效模式均主要集中在褶皱富树脂区域和纤维起皱处,与拉伸实验现象相一致.     

FRP管-混凝土-钢管组合短柱轴压性能试验及有限元分析

为了研究FRP管-混凝土-钢管组合短柱的轴压性能,进行了3个实心组合短柱的轴压试验.基于非线性有限元分析软件ANSYS,通过选择合适的单元类型以及材料的本构关系,对实心组合短柱进行了数值仿真分析,并与试验结果进行对比,证明了所采用的非线性有限元分析模型可以较好地模拟实心组合短柱的受力过程.结合已建立的有限元模型,开展了参数的敏感性分析,探讨了FRP管厚度、钢管厚度和强度、核心混凝土强度等参数对实心组合短柱轴压性能的影响.模拟结果表明:FRP管厚度对实心组合短柱的轴压性能有显著影响,钢管厚度和强度对实心组合短柱的影响规律较相似,对第二线性阶段斜率均无影响,其中钢管厚度对实心组合短柱的初始刚度略有影响,核心混凝土强度变化对极限承载力有较大影响.     

混凝土梁弯拉断裂过程的细观分析

将混凝土看成是由骨料、砂浆和界面过渡层组成的三相复合材料.结合部分力学参数试验,采用非线性有限元对混凝土梁受弯拉破坏过程进行了数值模拟.按照试件的实际配比,由Walraven公式计算出各种粒径区间骨料的平面等效面积,然后由随机骨料模型生成混凝土数值试件.混凝土细观结构的破坏由最大拉应力准则判别,对于软化段,采用了应力张开位移模型以缓解计算结果的网格依赖性.计算结果表明:界面厚度取0.2～0.8 mm,对试件的荷载位移全曲线的影响不大;任意形状骨料与圆形骨料的计算结果相近;界面层断裂能对梁宏观荷载位移曲线的形状影响较大.     

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.     

论D-P系列强度准则边坡安全系数的转换本质

在岩土工程边坡稳定性分析中,Drucker-Prager系列强度准则因克服Mohr-Coulomb准则在数值计算方面的不足,而有着较大的工程应用价值。大型有限元软件ANSYS、ABAQUS等采用的材料屈服准则均为M-C六边形外角点外接圆D-P准则。在利用有限元强度折减法分析边坡稳定性时,由外角点外接圆D-P准则计算出的安全系数利用转换公式即可得到其他D-P准则下的安全系数,因此研究D-P系列准则间的一系列安全系数转换公式具有重大意义。许多学者就D-P系列强度准则之间的转换关系推导出不同的安全系数转换公式,对其进行了比较分析,论证了安全系数的转换本质;并提出一种安全系数转换的新方法,得到了D-P系列强度准则的安全系数之间转换的统一表达式,并通过算例验证该公式的正确性。     

复合材料层合板在低速冲击作用下的损伤分析

进行了复合材料层合板在低速冲击载荷作用下的损伤模拟数值分析。建立了实体单元与cohesive界面单元相结合的有限元分析模型。建立了面内和层间损伤逐渐累积的损伤模型,采用强度准则和适当的刚度退化方案表征基体与纤维的各种面内损伤形式。根据基于应变的失效准则和能量释放率准则来判断分层损伤的起始和扩展,以界面单元的失效表征分层扩展。实例计算结果和实验结果对比分析表明,本文所采用的模型、算法与损伤处理方法是合理的。     

轴载对复合式路面应力吸收层荷载应力的影响

研究改性沥青混合料应力吸收层在复合式路面结构中的受力状态,对于其材料组成设计具有指导意义。采用有限元数值分析方法,建立基于应力吸收层的复合式路面三维有限元模型,分析轴载、模量变化对应力吸收层荷载应力的影响。结果表明：应力吸收层本身处于极为不利的受力状态,刚性基层接缝处应力吸收层层底存在应力集中,应力增长了60%,其模量越低,应力集中越明显,层内荷载应力呈3阶多项式函数变化;应力吸收层层内荷载应力随轴载增加呈线性增长,轴载变化对层底荷载应力影响最显著。     

考虑层间应力的复合材料层压板静强度分析

构建了由刚性元、弹簧元和二维板元构成的准三维有限元模型,发展了一种考虑层间应力的、多向层压板静强度分析方法,包括应力分析、失效分析及材料性能退化三个主要部分,能够模拟面内和层间损伤产生、发展直至层压板整体破坏的完整过程,并得到强度值.对两种复合材料层压板进行了实际计算,静强度预测结果与试验结果吻合较好,同时预测并给出了损伤的分布及其在不同载荷下的演变过程.