薄面板复合材料蜂窝夹层结构冲击穿透试验与失效机理

为研究薄面板复合材料蜂窝夹层结构冲击穿透损伤的失效机理,对具有3层平面编织复合材料面板的蜂窝夹层板试验件进行了多种能量的冲击试验.并在考虑了面板材料的渐进失效以及面内剪切非线性应力应变关系基础上,运用LS-DYNA有限元分析软件建立了夹层板的数值模型,用以分析失效过程.结果 表明,数值模拟结果与试验结果一致.上面板穿透或整体贯穿时面板均呈花瓣状裂开,前者蜂窝以压溃损伤为主,后者则额外产生蜂窝芯体与下面板间的界面脱粘以及蜂窝壁的断裂损伤.无面板穿透时,冲击接触力将保持纤维断裂损伤阈值力大小直至冲头回弹;面板穿透则使冲击区域刚度下降,接触力随之下降,其中板整体贯穿时接触力会出现两个峰值.薄面板复合材料蜂窝夹层结构冲击穿透过程中的主要能量耗散在复合材料面板的纤维拉伸断裂,蜂窝的压溃和断裂过程也消耗部分能量.     

纤维增强复合材料U型夹层板的弯曲性能

通过泡桐木芯材和纤维增强复合材料(FRP)面板厚度不同的9组复合材料U型夹层板构件的3点弯曲性能试验,分析该类型组合板的弯曲性能、变形性能和破坏模式。研究表明:在截面高度、宽度、翼缘板与腹板夹角相同的情况下,随着芯材厚度和FRP面板厚度的增加,复合材料U型夹层板的抗弯、抗剪能力相应提高。将试验得到的变形值与Timoshenko梁方程计算值对比,发现在弹性范围内U型夹层板弯曲变形值与计算值较为吻合。     

腹板增强复合材料夹层板低速冲击试验与有限元分析

通过格构腹板增强复合材料泡沫夹层板的低速冲击试验,分析试件破坏形态及峰值撞击力。采用ANSYS/LS-DYNA对夹层板的低速冲击性能进行数值分析及试验验证,并通过有限元方法研究纵向格构腹板间距、横向格构腹板间距、面板厚度及芯材高度对峰值撞击力的影响。结果表明:设置格构腹板能减轻试件破坏程度,提高夹层板抗冲击能力。峰值撞击力会随着纵向格构腹板间距、横向格构腹板间距、芯材高度的减小而增大,而面板厚度对峰值撞击力的影响较小。     

菱苦土新型夹芯结构的研究

研究一种新型复合夹芯结构，即低密度泡沫芯材与菱苦土柱状结构复合芯材．由于复合芯材具有较高的抗剪切性能和抗平压性能，使得新型夹芯结构具有很高的抗弯刚度性能，而且夹芯结构的芯材与面板同时成型，没有界面，从根本上解决了夹芯结构芯材面板界面性能薄弱的问题．如果该夹芯结构应用于菱苦土夹芯板中，将使菱苦土夹芯板在结构、工艺、性能、安装等方面都有很大提高．     

复合材料泡沫夹芯板低能量冲击响应试验研究

采用ASTM D7766/D7766M—15试验标准,对聚氨酯泡沫夹芯、T700/3234碳纤维增强树脂面板试验件采用落锤冲击,分析了不同冲击能量、不同泡沫芯材、不同冲头作用下复合材料泡沫夹芯板的冲击响应,发现其可以分为3种破坏模型.随冲击能量增大,最大冲击力增大,达到峰值的时间缩短,上面板损伤开始较早,结构损伤增大,泡沫夹芯板压缩量增大;密度较大的泡沫夹芯结构上面板产生的冲击力的峰值大、位移小、吸收能量多,下面板的变形减小,结构抵抗变形能力强,应变小;直径小的冲头穿透性强,上面板应变较小,下面板应变增大.     

环境温湿度对泡沫复合材料夹层结构界面性能的影响

复合材料夹层结构是由复合材料作为面板、轻质材料作为芯材而形成的强度高、耐腐性好、可设计性强的高效结构形式。环境温湿度变化时,因面板和芯材的吸湿性能和热膨胀系数不同,界面处易积聚应力而导致剥离破坏。本文研究不同时间的干湿循环老化作用下泡沫复合材料夹层结构及其面板、芯材的吸湿性能,达到吸湿平衡时,芯材的吸湿率是面板的10倍左右;由于双侧面板的约束作用,夹层结构与面板的吸湿率相当。通过双悬臂梁界面剥离拉伸试验研究干湿循环老化构件在25和70℃两种温度环境条件下的界面性能,从试验所得的荷载-位移曲线可以看出:结构的界面强度随老化时间的延长而降低;温度对老化构件的界面力学性能影响显著,温度越高,界面强度越低,裂纹扩展越稳定。     

薄蜂窝复合材料夹芯结构侧压性能研究

对不同构型薄蜂窝复合材料夹芯结构侧向压缩响应进行了试验研究,研究参数包括芯材高度、芯材密度和面板刚度。结果表明,蜂窝芯材高度严重影响蜂窝结构失稳载荷和峰值载荷,而上下面板的刚度不对称性会严重降低失稳载荷却对峰值载荷影响不大。薄蜂窝复合材料夹芯结构的整体破坏过程与芯材密度、芯材高度均有关系,而受刚度不对称性影响不大。薄蜂窝复合材料夹芯结构在侧向压缩载荷下的主要失效模式是蜂窝芯材剪切破坏,通过高速摄像机对蜂窝局部进行观察,发现失效起始于单个蜂格的剪切破坏,导致其高度降低,继而引起上下两侧蜂格破坏,并且迅速扩展到上下约3个蜂格,导致载荷突降。若继续加载,破坏继续向两侧蜂格扩展,且载荷基本不变。     

箭型蜂窝夹层板力学性能及等效方法研究

针对箭型负泊松比蜂窝夹层板,给出了线弹性范围内蜂窝芯层的等效力学参数理论公式,并通过拉伸试验和有限元仿真验证了公式的准确性.分别选取三明治夹芯板理论、Reissner等刚度理论、Hoff等刚度理论对夹层板进行等效,建立等效后的有限元模型,完成静力分析和模态分析,与实体单元模型的计算结果进行对比.结果表明:在不同加载形式下,考虑了芯层剪切刚度和面板弯曲刚度的三明治夹芯板理论,等效精度最高,更适合用于箭型负泊松比蜂窝夹层板的简化分析.     

泡桐木夹层结构材料的力学性能

选用泡桐木为原料,制备出夹层结构用泡桐木绿色夹芯材料,其木质纤维具有天然蜂窝形状,结构类似于目前航空航天领域常用的蜂窝芯材;泡桐木芯材除密度略高于Balsa轻木外,其他力学性能测试指标均优于轻木,同时在价格上占有绝对的优势。采用真空导入成型工艺,成功制备出轻质高强的泡桐木夹层复合材料,通过不同跨高比试件的三点与四点弯试验,研究其典型受力破坏形态与机制;利用经典夹层梁理论预估试件抗弯刚度和受弯极限承载力,理论值与实测值符合较好,并以此为基础,提出了基于强度的优化设计方法。     

正交加筋复合材料夹层板的自由振动求解

均质正交加筋芯材基于一阶剪切理论,采用δ函数描述其非连续性;复合材料面板采用Kirchhoff假设,以上、下面板面内位移和结构整体横向位移为响应函数,通过哈密顿原理推导了正交加筋复合材料夹层板的动力学控制方程.采用级数解的形式近似求解了四边简支正交加筋复合材料夹层板的自由振动问题,通过夹层板固有频率数值仿真验证了理论推导的正确性.考虑复合材料面板的阻尼损耗,讨论了面板厚度、筋材薄壁厚度、高度、加筋间距对夹层板固有频率和结构损耗因子的影响规律.结果表明,当面密度相同时,改变筋材薄壁厚度或加筋间距对结构固有频率值无影响.     

层压板小质量物体冲击下接触力测量与损伤响应

为了发展复合材料层压板在小质量物体冲击下损伤性能的测试技术,研发了小质量冲击试验机,可模拟自由状态小质量物体产生的冲击,冲击能量可调节,冲击点挠度可测量。通过冲击头加速度和冲击点挠度测量接触力,结果显示,加速度传感器谐振会明显干扰测量信号。采用滤波技术后,冲击头的加速度响应可以有效地测量冲击接触力。用冲击点挠度计算接触力,结果也与试验结果吻合。对层压板进行多个能量下的冲击试验,发现产生明显分层损伤时,由加速度传感器测得的接触力在特定值处明显下降,随后可能继续升高;由冲击点挠度得到的接触力斜率发生变化,这可作为小质量冲击分层阈值力的识别方法。     

考虑接触效应的具脱层复合材料层合梁的非线性动力响应分析

基于非线性弹性梁理论,建立了考虑接触效应的具任意脱层复合材料层合梁的非线性运动控制方程．通过引入假想弹簧所算得的接触力,对系统的横向振动控制方程进行修正,有效地避免了脱层之间的相互贯穿,并给出了假想弹簧系数的计算式．整个问题采用有限差分法进行求解,算例中详细讨论了脱层的大小、深度以及载荷等因素对具脱层复合材料层合梁非线性动力响应的影响．数值计算结果表明,考虑接触效应对脱层结构动力响应分析是非常重要的,可避免脱层结构出现物理上不可能的相互贯穿．     

TiNi形状记忆合金低速冲击响应行为的研究

利用单摆冲击试验设备，对TiNi合金不同冲击能量及温度条件下的冲击响应行为进行了研究。冲击过程中的接触载荷由压力传感器及数字信号处理系统实时测量。根据接触载荷数据，可计算得到接触载荷与样品表面变形的关系。结果表明，同一冲击高度时，随温度升高马氏体TiNi合金的最大接触载荷增加，而接触时问降低；母相TiNi合金的最大接触载荷随冲击高度的增加会出现载荷平台段即伪弹变形段，处于平台段时母相TiNi合金吸收冲击能量，且不产生不可恢复的塑性变形，最大接触载荷降低，从而可减轻材料损伤。     

具脱层复合材料层合梁-板的自由振动分析

基于经典弹性理论,建立了含脱层复合材料层合梁的运动控制方程,研究了脱层复合材料层合梁自由振动频率和振动模态。分析中,对脱层梁结构采用分区处理,同时结合边界条件、内力平衡条件以及位移连续条件,建立了梁模态分析的特征方程。最后利用具体算例,探讨了具脱层梁不同脱层参数、铺设角度下的一、二阶固有频率,并对比分析了不同的脱层深度、脱层长度和脱层位置以及不同的铺设材料对复合材料层合梁模态的影响。     

叠合面对叠合剪力墙极限承载力影响的数值分析

归纳总结目前国外相关规范对界面抗剪强度的规定,通过有限元建立预制层和现浇层的接触面,定义叠合面的黏结-脱离损伤模型,分析叠合面的影响.研究结果表明,建立叠合面的黏结-脱离损伤模型能够反映叠合面在受力过程中的脱离破坏程度;在不同轴压比下,叠合面对叠合剪力墙极限承载力影响均较小,边缘构件现浇的叠合剪力墙叠合面脱离破坏程度较边缘构件预制的叠合剪力墙小.     

冲击载荷作用下层间短纤维增韧研究

采用基于全量Lagrangian理论的非线性有限元方法研究了冲击载荷作用下含层间短纤维的复合材料层板的分层扩展问题.通过Newmark方法求解动力学方程,以能量释放率作为裂纹扩展准则.用节点双编号和节点分离技术模拟裂纹扩展,用双向弹簧单元模拟层间短纤维作用.通过改变弹簧刚度修正短纤维桥联力,在裂纹表面和冲击接触区设置接触单元,并以罚函数法计算接触力,分析了层间短纤维的桥联作用对裂尖应力场和能量释放率的影响.结果表明:层间短纤维的桥联作用有效地降低了层间应力集中程度和裂尖能量释放率,增韧效果明显.     

基于冲击原理的磨削接触区及磨削力建模

磨削力是滑擦、耕犁及切削三个阶段共同作用的结果,仅对切削阶段进行研究通常造成切削力计算值与实测值的误差较大;因此本文考虑磨削接触区冲击效应对整个平面磨削加工过程的影响,将接触区划分为冲击区和切削区两部分.通过分析磨粒在冲击区内对工件产生的冲击载荷的变化情况,建立了单颗磨粒的冲击载荷模型及参与冲击的磨粒数目模型,并结合磨削力在切削区的变化情况,构建磨削力理论计算模型及总磨削力数学模型.最后通过实验研究验证了理论分析的合理性.     

TC4热氧化钛合金内空半球壳体的动态响应

利用有限元程序对TC4(Ti-6Al-4V)热氧化钛合金内空半球壳体进行子弹冲击模拟,基于准静态压缩实验和动态Hopkinson压杆实验数据,研究了径厚比、冲击速度、应变率效应对TC4热氧化钛合金内空半球壳体动态响应的影响,得到了不同工况下的TC4热氧化钛合金内空半球壳体的接触力峰值以及顶点位移.TC4热氧化钛合金的材料模型由实验数据拟合得到的考虑应变率效应和温度效应的Johnson-Cook本构方程描述,其中,实验数据由Hopkinson压杆技术测得.结果表明:接触力峰值和顶点位移均与径厚比成反比;接触力峰值和顶点位移均与冲击速度成正比;考虑应变率效应更能反映TC4热氧化钛合金内空半球壳体的抗冲击能力和抗变形能力.     

基于ABAQUS的游离磨粒对单晶锗表面冲击作用仿真分析

为研究固液两相流方法加工原理,建立ABAQUS冲击仿真模型,分别分析单晶锗材料变形过程中应力变化、不同速度冲击作用、不同角度冲击作用。仿真结果表明:加工过程中被加工材料表面在受到水平切削力和竖直挤压力共同作用下,产生塑性变形;不同速度冲击作用下,材料表面塑性形变量随速度增加而增大,最大接触应力值呈先增大后减小的趋势;不同角度冲击作用下,单晶锗弹性模量各向异性与冲击角度共同影响最大接触应力值,弹性模量各向异性不影响材料变形量,冲击角度影响材料变形量及是否会在材料表面产生应力集中现象。