基于三维应变渐进损伤准则的复合材料层合板大开孔压缩损伤研究

针对复合材料层合板大开孔压缩,将二维应变渐进损伤准则修正为三维应变渐进准则,使其能够模拟层合板的分层损伤,建立了复合材料层合板大开孔压缩损伤分析模型。利用UMAT子程序将基于三维应变渐进损伤准则引入到分析模型中预测纤维、基体及分层等失效演化过程;并对大开孔复合材料层合板进行试验研究。试验结果表明所建立的基于三维应变渐进损伤准则的层合板大开孔分析模型能很好地模拟大开口复合材料层合板压缩过程中的损伤起始、损伤扩展及破坏模式;并最终预测复合材料层合板大开孔的破坏强度。     

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。     

含孔复合材料层合板拉伸失效分析

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。     

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。     

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。     

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%.     

二维编织C/SiC复合材料开孔构件的拉-压力学性能研究

通过大量试验研究了二维编织C/SiC复合材料带孔构件的拉伸和压缩性能,结合断口观察分析了其在拉伸和压缩载荷下的损伤和破坏机理.试验结果表明,二维编织C/SiC复合材料带孔构件的强度主要受孔径w和构件宽度d之比的影响,其拉伸表现出完全的非线性特性,压缩在低应力时表现为线性,应力较高时则表现为非线性响应.断口观察表明,二维编织C/SiC复合材料开孔构件的拉伸和压缩都沿着开孔中线破坏.其拉伸断口较为平齐,基体开裂以及纤维拉伸断裂是主要破坏形式;压缩破坏呈现剪切断面,压缩断面和压缩加载方向形成一个较小夹角,层间分层和纵向纤维剪切断裂是其主要破坏形式.     

冲击载荷下Ti/CFRP层合板结构的数值模拟分析

为了研究钛合金/碳纤维增强复合材料(Ti/CFRP)层合板结构的抗冲击性能,采用基于三维Hashin准则的VUMAT材料子程序模拟复合材料层合板的损伤失效,采用内聚力单元模拟层合板与钛合金之间的胶层,采用Johnson-Cook本构模型模拟钛合金的塑性变形及失效,建立了Ti/CFRP层合板结构的冲击损伤有限元模型。分别讨论了冲击动能、钛板的厚度及复合材料的铺层角度等因素对层合板结构的抗冲击性能的影响,结果显示增加钛板的厚度可以有效提高层合板结构的抗冲击性能,Ti/CFRP层合板结构承受冲击载荷发生损伤失效时,失效模式以基体失效与拉伸分层失效为主,合理选择铺层角度可以改善复合材料层合板的抗冲击性能。分析结果可为Ti/CFRP层合板结构的设计及工程应用提供参考。     

玄武岩纤维/铝合金层合板的力学性能研究

通过单向拉伸、剪切以及三点弯曲实验研究了玄武岩纤维/铝合金层合板在不同加载方式下的准静态力学性能。利用空气动力枪对玄武岩纤维/铝合金层合板进行了子弹冲击加载实验。实验中得到了层合板材料不同的力学参数以及子弹冲击下典型的变形失效模式。实验结果表明:在单向拉伸载荷作用下层合板中纤维层将首先发生断裂破坏从而导致材料失效,45°拉伸剪切作用下由于纤维不承受拉伸载荷,其剪切强度较低而剪切应变较大,从而导致铝板发生面内弯曲变形。在12 mm子弹冲击载荷下玄武岩纤维/铝合金层合板具有较好的抗冲击性能,其弹道极限为97.9 m/s。     

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。     

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.     

受载复合材料角片弯角区域应力分布特征分析

为了分析受载复合材料角片在弯角区域的应力分布特征,建立了受载复合材料弯角的有限元模型.通过对一组复合材料弯角结构进行准静态拉伸试验,并通过对比载荷-位移曲线、载荷-应变曲线、失效模式和失效位置等力学响应,验证了有限元模型的正确性.应用所建模型,分析了复合材料角片弯角区域沿轴向、径向和宽度方向的应力分布特征,以及角片厚度对弯角区域应力分布特征的影响.结果发现:受载复合材料角片的主要失效模式是弯角区域分层,受载时材料内部面外剪应力相对较低,分层主要受面外正应力影响;对于所分析的14层复合材料角片,分层起始位置沿径向比较靠近内部圆角处、沿周向位于29°处、沿宽度方向位于中面处;随角片厚度的增加,其承载能力提高;角片越厚,在厚度方向上分层起始位置从绝对距离上说越远离内角,但是此分层起始位置至内角的距离与板厚的比值越小;角片越厚,其分层起始位置越靠近加载端.     

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。     

孔口缝合补强复合材料层合板的刚度退化及失效分析

本文通过对含孔复合材料层合板进行分析,提出一种有限元模型,并通过对材料进行轴向拉伸加载,通过考虑一种刚度退化理论,对复合材料的孔边强度失效进行分析研究。研究了未缝合的情况下的加上Hashin准则下的失效破坏分析,以及位层合板位移随载荷的变化情况。结果表明,在未缝合的情况下对材料进行加载,复合材料的孔边单元首先发生破坏,并随着载荷的加大不断扩展,最终导致材料完全失效。层合板的位移随载荷呈非线性变化。     

设置垫板的T形件螺栓连接力学性能有限元分析

应用ABAQUS软件建立了设置垫板的T形件螺栓连接有限元模型,变化垫板尺寸和T形件尺寸设计5个试件,分别对其在单调受拉、单调受压和往复拉压作用下的性能进行分析,并和已有试验结果进行比较.结果表明:建立的有限元模型能够很好的模拟该连接在单调拉力、单调压力和往复拉压作用下的性能,可在更大范围内调查该类型连接的性能.设置垫板的T形件连接在往复拉压作用下滞回性能稳定、滞回环饱满,在拉压方向上均能耗散能量,其耗能能力为不设置垫板的T形件连接的1.5～2倍左右;设置垫板对连接抗拉刚度和承载力等性能影响不大;随着垫板宽度增加,连接的抗压刚度和承载力均有一定程度的增加;随着T形件长度的增加,连接的拉压刚度、承载力和耗能能力均有提高.