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。     

Glare连接件力学性能研究

兼具玻璃纤维和铝合金两种材料优点的玻璃纤维增强铝合金层合板(Glare)是航空领域未来的选材之一。Glare层合板属于纤维增强合金层合板的一种,其不仅仅是具有纤维增强合金层合板的一半特点,还有着相当强的抗疲劳性能以及很高的强度。本文简述了Glare层合板在航空结构上的应用情况。研究了干涉配合对单钉单剪玻璃纤维增强铝合金连接件挤压强度的影响。     

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.     

缝纫对复合材料层合板分层屈曲的影响

基于包含若干分层的缝纫复合材料层合板在面内压缩载荷作用下发生屈曲破坏的机理,即厚度方向上的缝纫线被拉断,把缝纫线的极限伸长率作为层合板屈曲破坏的控制参数,采用能量的方法建立了用于预测缝纫复合材料层合板屈曲强度的理论模型.采用最小势能原理计算了缝纫及未缝纫复合材料层合板的屈曲强度.在此基础上,定义一个缝纫增强比,用一个算例证明了缝纫复合材料层合板较未缝纫复合材料层合板有更高的屈曲强度.研究了缝纫参数(包括缝纫线直径,缝纫针距和行距)对缝纫复合材料层合板屈曲强度的影响.     

复合材料层合板补强结构破坏分析

提出一种胶单元,将极大降低层合板的折减刚度,采用蔡-希尔强度理论和蔡氏刚度退化准则,对复合材料补强结构进行刚度分析和强度分析。通过算例,对不同的补强方式对结构挠度的影响,以及补强层合板的极限破坏载荷进行了分析和讨论,得到一些有益的结论。     

高温环境对含孔复合材料层合板屈曲性能的影响

为了研究高温环境下含有不同直径大小的孔的碳纤维增强复合材料层合板的屈曲性能与室温环境下的屈曲性能之间的差异,首先对纵向压缩载荷作用下碳纤维增强复合材料层合板的临界屈曲载荷的计算理论进行了分析并选定了用于衡量屈曲性能的指标——最小正特征值;随后,在商业化有限元软件ABAQUS中建立了一系列含有不同孔径大小的碳纤维增强复合材料层合板的有限元模型,并通过改变材料的性能参数来模拟碳纤维增强复合材料层合板所处的温度环境.ABAQUS软件的屈曲分析结果表明:高温环境会使得碳纤维增强复合材料层合板的屈曲性能有所下降,且随着孔径的增大,碳纤维增强复合材料层合板的屈曲性能降低得越快.     

基于拓扑优化的复合材料汽车座椅骨架设计

为满足汽车座椅轻量化和安全性的需求,综合采用轻量化材料和结构拓扑优化设计技术,提出了一种碳纤维复合材料乘用车座椅设计方法.新型座椅骨架由碳纤维层合板外壳和短切碳纤维加强筋两部分组成.首先,为提高座椅结构刚度和稳定性,利用结构拓扑优化技术在碳纤维层合板外壳区域内布置合理的加强筋,然后,通过优化碳纤维层合板外壳,提高结构整体刚度,降低骨架质量.结果表明,与参考钢制骨架相比,新型座椅骨架不仅整体刚度得到大幅提升,而且质量减少了30.72%,有显著的轻量化效果.     

碳纤维增强铝合金层合方管轴向吸能特性

为减轻薄壁吸能结构质量、提高结构能量吸收性能,制备碳纤维增强铝合金层合方管试样。对方管试样进行准静态轴向压缩试验,研究碳纤维增强铝合金层合方管的变形模式和机理。提出分段碳纤维复合材料层合方管的设计方法;并对其轴向吸能特性进行对比验证。结果表明,外层碳纤维复合材料与内层铝合金材料的界面出现脱层断裂,内层铝合金材料对方管变形起到了引导作用,外层碳纤维复合材料阻碍铝合金材料的折叠变形,碳纤维增强层合方管较原铝合金方管有效压缩能量提高了35.79%,压缩力效率提高了28.38%;而分段碳纤维增强铝合金层合方管还能有效降低初始峰值压缩力,提高薄壁结构压缩力效率,压缩力效率较原来提高了13.53%,进一步提升碳纤维增强薄壁结构的吸能特性。     

考虑破坏过程含损复合材料层合板动力响应

旨在研究含分层损伤层合板的动力响应和破坏行为．基于层合板的一阶剪切理论采用了分项等参插值并推导了复合材料层合板刚度阵、质量阵列式，在瑞利阻尼的基础上构造了相应的阻尼阵列式；建立了用于含分层损伤复合材料层合板动力分析的分层模型和虚拟界面连接单元，以防止低阶模态中在分层处出现的上、下子板不合理的脱离和嵌入现象；同时又采用了Tsai提出的0．44刚度退化准则和动力分析的Newmark法，对含分层损伤复合材料层合板结构进行了动荷载作用下的破坏分析．通过算例，分别讨论了外载频率、分层长度、位置以及破坏过程的刚度退化对含损伤复合材料动力响应特征的影响．     

铺层角度对碳纤维/环氧树脂基复合材料板等效刚度的影响

为了准确计算复合材料等效刚度,指导复合材料设计过程中铺层角度的选择。该文基于经典层合板理论,建立了考虑拉剪耦合效应的三维层合板等效刚度计算方法。基于该方法对碳纤维/环氧树脂基复合材料板等效刚度随铺层角的变化趋势进行了分析,结果显示:随着铺层角θ_1的增加,铺层方式为(θ_1)_(25)/(θ_2)_(25)的层合板的面内轴向刚度E_x、横向刚度E_y的变化曲线包含变化率显著不同的两个阶段;法向刚度E_z呈正弦变化趋势且当正交铺层时有最大值;面内剪切刚度G_(xy)在θ_1=45°且θ_2=135°时有最大值;面外剪切刚度G_(xz)和G_(yz)变化曲线关于θ_2=90°对称。通过比较层合板与单向板等效刚度发现,选择合适的铺层角度组合能够有效提高结构的法向刚度和面内剪切刚度。     

Hygrothermal and temperature effects on load-carrying capacity and failure mechanism of open-hole laminates prepared with narrow tape prepreg of GFRP

The tensile and compressive properties of the open-hole laminates fabricated with glass fiber reinforced polymer (GFRP) under various temperature/humidity coupled conditions are important design parameters for GFRP structures in helicopter. In current work, a comprehensive experimental study about the effects of temperature and hygrothermal on the open-hole mechanical property of HS6/AC318 glass/epoxy multidirectional laminates was conducted. The load-displacement responses, fracture morphologies and failure mechanisms of quasi-isotropic GFRP laminates with a center hole under tensile and compressive loads at the five environmental conditions were compared, and the effects of the temperature and hygrothermal on the open-hole tensile (OHL) strengths and open-hole compressive (OHC) strengths of GFRP laminates were investigated. In addition, the relevancies between the OHL and OHC strength of open-hole laminates and the basic material properties of unidirectional laminates were explored, and some links between the OHL strength and interlaminar fracture toughness were found. The results showed that the OHC strength of open-hole laminates was directly proportional to the 0° compressive strength of unidirectional laminates. Based on the experimental data and analysis an empirical formula of the OHC strength at arbitrary temperature and humidity combined conditions was proposed.     

纤维金属层板的拉伸性能研究

GLARE是一种先进的混杂层板材料,由高韧度薄铝合金层和高强度玻璃纤维/环氧树脂层交替铺设而成,具有独特的轻质、耐疲劳、耐冲击、高阻燃性和耐腐蚀属性.系统地对GLARE层板进行了静力拉伸测试,展示了铺层结构和铺层类型对其静力学性能的影响,并对混杂模型的适用性进行了验证.结果显示:采用混杂模型法预测GLARE层的轴向弹性模量具有较高的精度,但进行强度预测时对于部分类型的层板需要考虑纤维的桥接作用.     

维尼纶纤维增强石膏基复合材料力学性能研究

研究了石膏基复合材料的结构、耐水机理和物理力学性能.结合弯曲载荷变形曲线,分析了维尼纶纤维增强石膏基复合材料的断裂机理;利用扫描电子显微镜,分析了复合材料界面性能.结果表明:石膏基复合材料实现了单一的结晶到晶胶共生的结构转变,材料的强度和耐水性得到改善;维尼纶纤维能提高复合材料的抗折强度、断裂能、断裂韧性和冲击韧度;维尼纶纤维增强石膏基复合材料断裂过程可分为3个阶段:基体断裂、纤维脱粘和纤维拔出;纤维和基体间界面结合强度较弱.     

Al-Mg-Mn-Zr-Er合金冲击韧性研究

研究了不同加工工艺、不同镁含量对Al-Mg-Mn-Zr-Er合金冲击韧性和拉伸性能的影响。用金相显微镜和透射电镜对冲击变形前的合金进行了原始组织分析,并用扫描电镜分析了冲击断口形貌。结果表明,在相同的加工状态下,随着镁含量的提高冲击韧性下降,而合金的抗拉强度和屈服强度明显增大;在相同的镁含量的情况下,热轧板的冲击韧性明显高于冷轧板,而抗拉强度和屈服强度显著下降。     

双级过时效工艺对7050铝合金力学性能的影响

双级过时效是优化工业化大尺寸7050铝合金锻件综合性能的有效手段。对7050铝合金锻件进行双级过时效处理,研究第二级时效时间对其组织与力学性能的影响。结果表明,随着第二级时效时间的延长,晶界处析出相逐渐粗化,并由连续分布转变为断续分布,合金的硬度、屈服强度和抗拉强度随之降低,伸长率与断裂韧性逐渐升高,并且拉伸及断裂韧性测试样品的断裂模式从沿晶断裂向韧窝型断裂转变。当第二级时效时间延长至一定程度时,合金力学性能趋于平稳。为通过双级过时效工艺调控7050铝合金锻件的综合力学性能提供了研究基础和理论指导。     

热处理对含Y元素AZ31镁合金板材组织和性能的影响

对含Y元素AZ31镁合金板材进行退火处理后的组织和性能进行了研究.结果表明:随着退火温度的升高,镁合金晶粒尺寸逐渐增大,力学性能略有提高然后降低;退火时间对镁合金晶粒尺寸影响不大;在300℃下退火1 h后板材性能达到最佳,抗拉强度为255 MPa,屈服强度为170 MPa,延伸率为24%;经过热处理后镁合金断裂方式为准解理断裂和韧性断裂的复合形式.     

Mg/Al异种材料瞬间液相过冷连接工艺研究

采用瞬间液相过冷连接工艺对AZ31镁合金和5083铝合金进行连接实验,研究保温扩散时间t2对焊缝微观组织及力学性能的影响。利用SEM,EDS,XRD和微观硬度计对接头剖面的微观组织和力学性能进行表征;在拉伸试验机上测试接头拉伸强度,利用SEM对断口形貌进行分析。研究结果表明:采用瞬间液相过冷连接工艺可以实现Mg/Al异种材料的有效连接;随着保温扩散时间t2的增加,接头的抗拉强度随之提高,当t2=30 min时,接头抗拉强度最高达到20.5 MPa;拉伸断口形貌具有明显的脆性断裂的特征,铝合金侧主要有解理面和撕裂棱组成,而镁合金侧属于典型的沿晶断裂形貌;在接头处形成MgAl,Mg2Al3,Mg0.44Al0.56和Mg17Al12金属间化合物,结合界面的微观维氏硬度最高达320。     

Synergistic effect of Al and Gd on enhancement of mechanical properties of magnesium alloys

The effect of Gd/Al ratio on the properties of as-cast Mg-Gd-Al-Zn alloys was investigated by changing the chemical composition from that of AZ61 to GZ61. At the ratio of 1, the Al2Gd phase becomes predominant and Mg17Al12 is hardly seen in the microstructure. As a potent inoculant, the Al2Gd phase resulted in intense grain refinement and enhancement of strength, ductility and toughness. For instance, the tensile strength and elongation to failure of Mg-3Gd-3Al-1Zn alloy were enhanced by ~4% and 180% compared with those of AZ61 alloy, respectively. However, at high Gd/Al ratios, the Al2Gd phase was replaced by (Mg,Al)3Gd and Mg5Gd phases and very large grain sizes were achieved, which led to poor tensile properties and the appearance of cleavage facets on the fracture surfaces. Therefore, it can be deduced that the presence of Gd and Al, in appropriate amounts to reach Gd/Al ratio of ~ 1, is required for the achievement of grain refinement, good ductility, high strength, and the appearance of ductile fracture surfaces in the Mg-Gd-Al-Zn system. Conclusively, the Mg-Gd-Al-Zn alloys can be considered as a new class of structural magnesium alloy and it is superior to both AZ (Mg-Al-Zn) and GZ (Mg-Gd-Zn) series of alloys.     

高挤压比下挤压工艺对AZ31B镁合金组织与力学性能的影响

研究了高挤压比条件下挤压温度、速度对AZ31B镁合金微观组织、力学性能的影响。采用光学显微镜观察了显微组织,拉伸试验测试了力学性能,并配合扫描电镜观察了拉伸试样的断口形貌。结果表明,高挤压比条件下,动态再结晶较为充分,少量晶粒长大,混晶组织消失。低温、高速挤压有助于晶粒细化,并使晶粒尺寸分布均匀,因而可获得高的抗拉强度、屈服强度以及良好的塑性。350 ℃,2 m/min条件下挤压,试样抗拉强度与延伸率最高,为336.5 MPa与 23%。低温、高速下的挤压试样的拉伸断口韧窝较深且细密,呈现明显的韧性断裂特征,而高温、低速的断口为混合断裂。     

羊毛纤维的结构弱节及力学行为

纤维结构弱节决定纤维的力学性能。本文提出的断裂端特征的SEM观察及该纤维对应拉伸性质的组合分析方法，可获得羊毛纤维结构弱节及破坏的特征与证据。实验证明，依据拉伸曲线和断裂端形貌特征可知羊毛纤维的弱节结构主要表现为集中缺陷结构、细颈弱结构、机械损伤弱结构和散布缺陷结构，其与力学行为和形态弱节存在很好的相关。缺陷散布性弱节结构，应该引入曲线的抖动特征或临界断裂功判定依据。