静力拉伸载荷下纤维金属层板的变形行为

为研究静力拉伸载荷下纤维金属层板变形行为,在标准试验之外引入数字图像关联技术(简称DIC),观测了GLARE2-3/2、GLARE3-3/2和GLARE6-3/2层板试样的应变变化过程.对比分析了获得的应力-应变曲线、应变云图及试样不同位置处的应变随载荷时间历程变化的过程.结果显示:GLARE2-3/2层板试样的应变变化过程均匀稳定,无明显边界效应;GLARE3-3/2层板试样轴向有瞬时的性能退化,横向具有边界效应;GLARE6-3/2铺层试样具有两次瞬时性能退化,横向边界效应与GLARE3层板试样相反.     

含孔型缺口的纤维金属层板剩余强度

纤维金属层板(fiber metal laminates,FMLs)作为混合层板家族中一员,由铝合金层和预浸料层交替铺设而成.相比于铝合金板,含缺口的纤维金属层板强度下降更为明显.为研究含孔型缺口的纤维金属层板的剩余强度,测试了光滑试样的静力拉伸性能和缺口试样的剩余强度.分析了铺层结构对剩余强度的影响,引入应力失效模型预测了纤维金属层板含孔型缺口的剩余强度,讨论了含缺口纤维金属层板的失效模式、损伤萌生和扩展过程.结果显示:带孔GLARE3层板的强度下降约为40%,铺层增加后缺口敏感性下降,特征长度增加,约在90%的剩余强度时缺口处有损伤发生.     

GLARE层板性能研究进展

 GLARE层板是高级飞行器结构中使用的新型纤维金属层板,它的使用给航空工业材料发展注入新的血液.本文回顾了纤维金属层板的发展历程,介绍了GLARE层板种类及制造方法,着重分析了GLARE层板的基本力学性能、抗冲击性能、挤压性能、疲劳性能、缺口剩余强度和环境耐久性,检测和修理的相关内容亦有所介绍.总结已有的GLARE层板相关性能研究进展,提出了GLARE层板研究领域需要解决和关注的若干问题,包括基本力学性能实验、裂纹增长预测与模拟、高温高湿情况下损伤处剩余强度研究等.     

变幅载荷下纤维金属层板的疲劳与寿命预测

文章建立了纤维金属层板等幅疲劳载荷下的疲劳裂纹扩展速率与寿命预测模型。在此基础上对玻璃纤维-铝合金层板（GLARE）的疲劳裂纹扩展与分层扩展行为进行了试验研究,探讨了层板过载疲劳行为的机理,提出了纤维金属层板变幅载荷下疲劳寿命预测的等效裂纹闭合模型,并在GLARE层板上得到了验证。     

玻璃纤维铝合金板低速冲击损伤演化数值模拟

编写了复合材料损伤的VUMAT子程序,并结合Johnson-Cook金属损伤模型和表面内聚力行为层间分层方法建立了玻璃纤维增强铝合金层板(GLARE)受落锤低速冲击的数值模型.分析了能量吸收、形变情况及锤头接触力的变化,并通过与实验结果的比较验证了有限元方法的可靠性.利用有限元方法能够更全面分析材料损伤变化的优势,模拟了GLARE三维渐进失效、铝合金层的失效以及纤维层和铝合金层界面分层的破坏模式.通过综合分析该三种渐进失效与能量吸收、形变情况及锤头接触力的变化,揭示了玻璃纤维增强铝合金层板受落锤低速冲击下的破坏机理,验证了铝合金层板的加入对于玻璃纤维增强铝合金层板抗冲击性能增强规律.     

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.     

平纹编织复合材料层板单面挖补修理的附加铺层分析研究及试验验证

针对平纹编织复合材料在航空中的不断应用与该类型层板维修研究的缺失性,根据不同附加铺层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,制订了综合母板、胶层、补片的多重失效准则,并进行了相应的试验验证,得到结论如下:附加层的铺设对于提高修补板强度有积极的效果,试验中发现增加附加铺层数会由于粘接区域的增加,而导致更多的维修缺陷影响恢复效果,建议修理中附加铺层数不宜过多;铺层条件下的平纹编织碳纤维/环氧材料层板结构最佳附加铺层为一层,结构最高修复强度恢复率达到了65.57%,该结论也可为其他类型的平纹编织复合材料层板维修提供参考。分析过程中采用的三维有限元修补模型得到的强度值和破坏区域与试验数据基本吻合,说明计算模型与失效准则能够满足维修设计的需求,为实际修理提供较为准确的参考指标。     

含孔对称复合层板纤维铺设角度最优设计

复合材料的可设计性使工程设计可延伸到材料设计阶段。这里讨论了“积分型总极值”最优化方法在带孔的对称复合材料层合板纤维铺设角度优化中的一个应用。这里分剐对含椭圆孔、方形孔的单向铺层板、均匀斜交铺层板以及一般对称铺层板的各层纤维铺设角进行了最优化设计，使孔边的应力集中有明显的降低。实例表明“积分型总极值”最优化方法具有优化效果好和收敛速度较快的特点。     

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.     

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。     

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.     

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。     

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.     

界面损伤对正交叠层板最终拉伸强度的影响

基于现有应力集中分析结果及随机扩大临界核统计理论,对正交(混杂)叠层复合材料中由于90°层的基体开裂、层间界面破坏、0°层中部分纤维断裂及纤维/基体界面损伤相互作用的最终拉伸破坏过程进行统计分析.计算结果为现有的实验所证实.计算结果表明,正交叠层板的最终拉伸强度与界面剪切强度有关,适宜的界面黏结,相应的强度最高.本研究可对此类复合材料的最终拉伸强度作出合理的预报,并为复合材料叠层板的优化设计提供理论依据.     

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。     

高速铁路绝缘轨距块用增强尼龙专用料研究

以尼龙(PA)为基体树脂,通过不同黏度的PA复合,优化选择了具有较好加工性能和机械强度的基体材料。同时,选择不同直径的玻璃纤维,研究玻璃纤维种类和含量对复合材料性能的影响,对比普通玻璃纤维和无碱玻璃纤维对复合材料的耐醇解性能影响,使复合材料具有优异的耐高温性能和较好的耐醇解性能。为了提高抗氧剂的物理损耗性能,制备了纳米二氧化硅表面负载抗氧剂,并采用红外光谱法研究了接枝结构。     

复合纤维对混凝土抗裂性能的影响

由于复合纤维具有良好的力学性能,通过掺入一定比例的多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合纤维制备具有抗裂性能的混凝土,使用WA-1000B型液压式万能试验机和PTS-E0系统分别对试件的力学性能和抗裂性能进行测试,并结合混凝土综合抗裂模型,对掺加量为1.2~2.1 kg/m3的4组混凝土的力学性能和抗裂性能进行研究.实验结果表明:复合纤维的掺入可以提高水泥混凝土强度40%左右,同时减少了表面裂缝的出现,混凝土的力学性能和抗裂性能随着复合纤维掺加量的增加呈现增强趋势,但复合纤维的工程用量需要综合考虑.