含孔复合材料厚板渐进失效分析

基于厚板理论和材料的参数退化准则,以三维HASHIN准则作为失效判据,研究了一种考虑Z向应力复合材料层压板结构的渐进失效计算方法,发展了复合材料中厚尺度含孔层压板渐进失效模型。使用ABAQUS软件的用户材料子程序UMAT,编写材料属性程序,建立含孔复合材料厚板的渐进失效分析模型,较好地预测了复合材料层压板的损伤扩展过程,并预测的极限强度与复合材料层压板开孔拉伸标准试验的试验数据吻合较好,验证了该模型在预测复合材料层压板极限强度上的有效性,该模型在对网格划分的简化极大地提高了计算效率。     

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.     

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。     

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。     

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。     

T700碳纤维增强复合材料螺栓连接的渐进损伤分析

为了研究及预测T 700碳/环氧复合材料螺栓连接的失效模式和失效载荷,建立基于蔡吴准则的T 700碳纤维复合材料[45_3/90_3/-45_3/0_3]_s双搭接螺栓连接的渐进损伤模型;采用渐进损伤模型分析了不同孔端距/孔直径(E/D)值对螺栓连接失效载荷的影响。结果表明:复合材料中90°铺层损伤最为严重,±45°铺层相比90°铺层损伤较少,0°铺层损伤与其他铺层相比最低。当E/D≤3时,E/D的增加能显著提高失效载荷;当E/D3时,E/D的增加对失效载荷的提高不明显,表明整体预测误差在8%以内,可见该渐进损伤模型可以较好地预测螺栓连接的失效模式及失效载荷。     

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。     

复合材料T型接头拉伸断裂行为的数值模拟

针对碳纤维复合材料T型接头在拉伸载荷下的断裂行为及其失效强度进行了数值预测,并将预测结果与试验数据进行了对比分析.在该数值模型中,分别使用增强有限单元法和内聚力模型考虑了T型接头三角区填充材料裂纹和层间界面分层的萌生与传播过程.结果表明,数值计算结果与试验结果对比较好,三角填充区域是T型接头结构中裂纹最先萌生的位置;填充材料的断裂行为并不影响T型接头最终失效载荷;加强筋层合板与蒙皮层合板间的分层行为是T型接头拉伸失效的根本原因.     

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.     

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.     

基于准三维有限元模型的复合材料层合板强度预测

构建能够求解三维应力的准三维有限元模型,进行基于渐进损伤的复合材料层合板强度预测。此方法能够合理地反映铺层次序和层间应力对最终失效强度的影响,形象地展现面内损伤以及层间损伤的产生及其扩展过程。用此方法模拟了多种铺层的无缺口层合板和带孔层合板在面内拉伸载荷作用下的损伤过程,并进行强度预测。计算结果表明,拉伸强度的预测值和实测值吻合较好。     

组合桥面板U肋螺栓接头疲劳受力性能

针对组合桥面板受力特点,采用一种宽口U肋,设计制作了1个足尺试件,通过疲劳加载试验检验U肋螺栓接头的受力性能,并通过有限元模型对接头受力进行了分析。试验结果显示,开裂源于母板栓孔边缘并最终裂透至手孔。有限元分析表明,母板的头排栓孔附近,距孔边缘约1/3孔径处应力集中明显,集中系数约为2.5;手孔形状、拼接板厚度及栓孔大小对母板栓孔应力集中影响很小;相较8 mm厚U肋的组合板或常规钢桥面板,该组合板的接头母板栓孔受力要大许多,但其疲劳强度也满足规范要求。     

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.     

考虑劈裂对应力集中缓解作用的纤维增强复合材料损伤破坏分析

外载荷作用下含缺口纤维增强复合材料层合板在缺口边缘存在很高的应力集中,在载荷水平较低时,缺口边缘纤维间基体受剪切作用会发生沿纤维方向的纵向劈裂,该纵向劈裂会降低缺口处的应力集中并提高层合板的承载能力。为准确模拟纵向劈裂对缺口边缘应力集中的缓解作用,利用扩展有限元方法模拟劈裂建立了复合材料层合板渐进性损伤破坏分析的仿真模型,模型选用Hashin破坏准则对复合材料层合板的失效进行预测,分别研究了铺层顺序和缺口形状对复合材料层合板抗拉强度的影响,并与现有文献中的实验结果进行了对比,模拟结果表明破坏模式和破坏强度均与实验结果相吻合,验证了本文渐进性损伤破坏分析仿真模型的有效性。     

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.     

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.     

新型全螺栓连接承载力的试验研究及性能分析

为进一步完善方钢管柱与钢梁之间连接,提出一种半刚性的新型全螺栓单边梁柱节点连接,这种连接方法具有现场安装方便,造价经济,以及较好的侧移变形能力和抗震性能,所以对于轻钢结构是一种理想连接方式。本文对不同螺栓直径(M16、M20)10.9级高强螺栓与不同厚度钢板(Q345)之间全螺栓连接的32个试件进行了抗压试验,在试验数据分析基础上总结了不同组合连接试件破坏特征以及新型全螺栓抗压强度的变化规律,并且根据有关机械零件强度计算公式,推导出不同组合下新型全螺栓抗压承载力公式,为进一步设计和研究新型全螺栓连接节点提供依据。试验结果表明:极限破坏状态主要为组合板螺纹牙脱扣强度破坏:螺栓直径和组合板板厚是新型全螺栓连接承载力的重要影响因素;推导出的承载力公式为安全考虑,建议K_m取值为较小值0.7。     

多钉连接复合材料板钉传载荷的估算

多钉连接的钉传载荷和板孔应力的计算是很重要也很复杂的一个问题。采用各向异性板的复变函数理论和边界配置方法,对连接件进行分区,加以限制条件,对多钉连接的复合材料层合板的钉载和板与螺栓间的接触应力和接触区域进行了计算。板和钉之间的接触应力显著受到连接板的几何尺寸、加载的条件、材料的各向异性、钉与孔之间的间隙、钉的柔度等因素的影响。在计算条件中施加了这些因素的影响。