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.     

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.     

真空吸渗挤压二维正交铺层C_f/Al复合材料压缩失效机制

采用真空吸渗挤压技术制备了二维正交铺层碳纤维增强铝基(2D-C_f/Al)复合材料,研究了室温下2D-C_f/Al复合材料沿不同方向的压缩性能及其失效行为.研究结果表明:利用真空吸渗挤压技术制备的复合材料的浸渗质量良好,微观组织致密,基体铝合金和纤维分布均匀,无明显缺陷存在;沿垂直于纤维铺层方向的压缩屈服强度约为平行方向的2.5倍,比基体铝合金的压缩强度提高了57%.复合材料的压缩破坏机制与纤维铺层方向密切相关:当压缩载荷垂直于纤维铺层方向时,主要以剪切失效为主;当压缩载荷平行于纤维铺层方向时,主要以界面脱粘和纤维弯折失效为主.     

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.     

碳纤维增强树脂开孔层合板轴向拉伸失效模拟分析

基于ABAQUS平台,建立了开孔复合材料层合板轴向拉伸渐进失效模型.以二维Hashin作为损伤准则,考虑了基体拉伸、压缩失效和纤维拉伸、压缩失效模式.讨论了层合板的受力与失效形式,分析了铺层角度、中心孔尺寸对极限载荷的影响.研究结果表明:失效模式主要表现为纤维拉伸失效和基体拉伸失效,纤维作为复合材料板的主要强度来源,在力与纤维方向发生偏差时,层合板力学性能急速下降;中心孔越大,层合板力学性能越差,并且层合板力学性能与中心孔尺寸成线性关系.     

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。     

UHMWPE背板铺层角度对陶瓷复合靶板抗弹性的影响

由于背板强度对陶瓷/纤维复合装甲的抗弹性能存在明显影响，采用12.7 mm穿燃弹(刚脆性)冲击实验研究了不同UHMWPE背板铺层角度对陶瓷/纤维复合装甲弹道冲击性能的影响.通过观测回收的弹芯、靶体陶瓷及纤维背板宏观破坏特征，分析了陶瓷/纤维复合装甲的耗能机理及抗弹性能.试验结果表明，陶瓷锥是陶瓷面板的主要破坏模式，其宏观裂纹主要有:径向、环向及与锥形裂纹；纤维背板变形模式为动态锥形鼓包及边界褶皱，其破坏失效模式有:剪切失效及层间剥离.并且，背板强度对陶瓷/纤维复合靶板的抗弹性能有明显影响，随着UHMWPE背板铺层角度的减小，背板强度以及陶瓷/纤维靶板整体结构刚度随之增大，靶板对弹芯的破碎作用越明显，冲击后剩余弹芯最大碎片质量减小，小碎块数量增多，弹丸碎块穿透靶板后剩余侵彻能力减弱，复合靶板整体抗弹性能增加，同时背板鼓包高度减小，锥形鼓包所形成的角度增大，纤维层合板的破坏失效模式从剪切失效向层间剥离转变.      

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。     

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.     

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.     

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.     

悬臂纤维金属复合薄板固有特性分析及验证

通过理论与实践相结合的方式,对悬臂边界下纤维金属复合薄板固有特性进行了分析与验证.针对所研究复合薄板的结构特点,基于复合材料力学和经典层合板理论进行建模,利用正交多项式法求解其固有特性并提出计算流程,搭建相应试验系统,以TA2/TC500纤维金属复合薄板为研究对象进行测试.结果表明,提出的计算方法所获得固有频率的结果与试验测试结果间的误差在1.2%~4.7%之间,对应模态振型的变化规律也完全一致,验证了所提方法的正确性.     

复合材料层合厚板的冲击响应及分层损伤研究

复合材料层合结构是飞机的主要受力构件,研究其冲击响应及分层损伤非常重要。针对5 mm厚40层铺层的层合板分别进行15 J、30 J、45 J的落锤实验,研究低能量冲击的动力响应。然后进行超声C扫描检测获得各界面的分层损伤情况,以分析分层损伤在面内及厚度方向上的分布特性,并在此基础上研究损伤的形成机理,对分层的分布特性进行解释。据此,可对层合板界面分层损伤进行预测,使其得以在实际工程中评估剩余强度以保证构件安全,同时也将有助于层合板的结构优化设计。     

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。     

含填充孔复合材料层压板极限压缩强度分析与预测

基于复合材料层压板与填充螺栓之间的载荷分配情况,提出一种估算含填充孔复合材料层压板压缩极限强度的方法。利用MSC.Patran/Nastran有限元分析软件,建立考虑界面接触的有限元模型。分析了层压板刚度和螺栓刚度对载荷分配系数的影响规律,界面单元应力表明层压板与螺栓之间接触力分布为余弦函数形式。同时,开展了三种铺层T700/LT—03A碳纤维复合材料层压板开孔和填充孔极限压缩强度试验。试验结果表明,含填充孔层压板压缩强度较开孔压缩极限强度提高约30%左右。与试验结果相比,方法的预测值较为保守,且预测误差小于5%。此外,对文献中的T800/3900—2层压板试验数据进行分析,预测误差小于5%,说明该方法能较好地预测含填充孔复合材料层压板压缩极限强度,具有一定的工程应用意义。     

复合材料层合板的强度鲁棒性特征

针对复合材料强度行为的复杂性和准确预测的困难，首次提出复合材料强度鲁棒性的概念，即研究复合材料强度相对各种影响因素的变动所具有的稳定性特征，为复合材料的合理设计与利用提供新的分析思路和手段，通过对CFRP层合板进行试验和数值分析对比研究，讨论了加载方向对初始层失效应力（初始强度）的影响，在确认有限元计算的有效性之后，进一步讨论了加载方向以及单层板弹性常数的小范围变动对强度的影响。结果表明，为了获得较稳定的强度特征，当弹性模量E1较小时，应尽量控制E1本身的变动，而在E1较大的情况，控制加载方向的偏离更为重要。     

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。     

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.     

基于纤维静强度分布的层合板刚度退化模型

本文从纤维静强度分布函数出发,建立了单层板和层合板中纤维断裂的扩展模型,分析了不同载荷水平下纤维断裂的发展历程及趋势。计算结果表明,纤维断裂的演化过程是与外载荷紧密相关的,同时也与纤维本身强度的分散性有关。静强度不足是影响纤维断裂的重要因素,因此,分析层合板弹性性能的退化应该同时考虑基体裂纹和纤维断裂两种损伤影响。