高性能航空复合材料低速冲击损伤分析

针对复合材料层合板冲击损伤模拟问题,基于各向异性材料连续介质损伤力学分析法,采用基于应变描述的失效判据来判断损伤,引入材料损伤状态变量对复合材料损伤情况进行描述;并考虑材料的剪切非线性,建立了复合材料层合板在低速冲击作用下的3D非线性连续损伤有限元模型。通过编写VUMAT材料用户子程序可以实现层内各类损伤的判断和演化。使用界面单元模拟层间区域,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来判断分层损伤的起始和演化规律。为了更准确模拟试验中层合板的动态响应,有限元模型较为真实地反映了实际的试验条件。有限元模拟结果与试验结果吻合较好,证明了基于该方法建立的有限元模型的有效性。     

考虑剪切非线性的复合材料渐进损伤模型

针对具有明显剪切非线性的复合材料,提出了一种考虑剪切非线性影响、能够分析和预测复合材料层合板极限承载能力的损伤模型.采用Ramberg-Osgood方程描述层合板剪切非线性的应力与应变本构关系,基于连续介质损伤理论建立了分析复合材料结构渐进损伤的三维有限元模型,采用已有的应变描述的三维Hashin失效准则和Ye-分层失效准则预测其损伤起始,引入损伤状态变量来分析层合板的损伤扩展,通过UMAT子程序实现了损伤模型的模拟,并运用黏性正则化方法确保计算收敛.同时,将模型运用于AS4/PEEK复合材料开孔层合板渐进损伤实验的模拟分析.结果表明,模拟计算结果与实验结果较吻合,对比已有模型的预测结果,所提出的方法具有更高的准确性.     

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。     

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。     

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。     

撞击物对复合材料层合板冲击损伤特性的影响

针对一种采用预浸料成型工艺制备的复合材料层合板,开展不同撞击物作用下复合材料层合板低能量冲击损伤特性研究. 通过对比相同冲击能量（60 J）下,钢球、铝球和聚合物球撞击复合材料层合板的落锤/气炮冲击试验结果和冲击后含损伤结构的压缩试验结果,研究了不同撞击因素对复合材料低能量冲击损伤面积和剩余压缩强度的影响. 结果表明,相同冲击能量下,同种材质撞击物（不同质量）以不同速度冲击复合材料层合板的损伤特性相似;而不同材质撞击物（不同弹性模量和泊松比）得到的结果差异显著. 结合赫兹接触理论,初步解释了撞击物弹性性能影响接触刚度和冲击损伤程度的规律.      

复合材料层合厚板的冲击响应及分层损伤

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。     

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。     

含分层损伤复合材料加筋板动力响应分析接触效应

基于考虑一阶剪切效应的复合材料层合板单元和层合梁单元,提出了含嵌入圆形分层损伤的复合材料加筋板非线性动力响应有限元分析方法,其中包括采用A dam s应变能法与R ay le igh阻尼模型相结合的方法,构造了相应的阻尼阵列式;建立了一种H ertz型非线性动力接触界面单元模型,有效地解决了含分层损伤的复合材料加筋板,在进行动力响应分析时,低阶模态中在分层处出现的上、下子板不合理的嵌入现象;提出了含损伤结构的动力响应的精细积分法.在上述分析模型和方法的基础上,通过对典型数例的分析和讨论表明,在含分层损伤加筋层合板动力响应分析时,必须考虑分层子板间真实的接触状态.     

三维渐进损伤的复合材料层合板低速冲击模型

为了有效反映复合材料层合板面内和层间的非线性损伤,建立了一个新型的损伤模型,该模型基于三维实体单元和内聚力单元可以有效分析复合材料层合板在低速冲击作用下的层内和层间非线性失效行为.对于复合材料层合板面内损伤,以改进的Hashin失效准则作为起始损伤准则,提出了一种基于能量释放率的损伤变量指数渐进演化模型,既描述了复合材料损伤的渐进失效过程,又避免了材料刚度突然下降导致刚度矩阵奇异的不足,同时引入特征长度来降低结果对网格的依赖性,最终建立了单层板的渐进损伤非线性分析模型;针对层合板的层间损伤,采用内聚力单元来模拟,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了界面损伤演化规律.该损伤模型通过商用有限元软件ABAQUS/Explicit的用户子程序VUMAT实现,并使用该模型对碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板在横向低速冲击作用下的损伤和变形行为进行预测分析.数值仿真的结果与试验结果进行了比较,吻合良好,验证了该模型的有效性.     

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。     

复合材料层合板在低速冲击作用下的损伤分析

进行了复合材料层合板在低速冲击载荷作用下的损伤模拟数值分析。建立了实体单元与cohesive界面单元相结合的有限元分析模型。建立了面内和层间损伤逐渐累积的损伤模型,采用强度准则和适当的刚度退化方案表征基体与纤维的各种面内损伤形式。根据基于应变的失效准则和能量释放率准则来判断分层损伤的起始和扩展,以界面单元的失效表征分层扩展。实例计算结果和实验结果对比分析表明,本文所采用的模型、算法与损伤处理方法是合理的。     

考虑应变率效应的复合材料层合板冲击动态响应

基于对分离式霍普金斯拉杆试验结果的分析,建立了T300/epoxy复合材料考虑应变率效应的黏弹性本构模型,并将该模型引入有限元分析软件LS-DYNA,对T300/epoxy复合材料层合板进行了冲击动态响应模拟计算,计算结果与试验结果吻合较好,验证了模型的有效性.从层合板抗冲击性能的角度提出了有效冲击时间的概念,探讨了考虑应变率效应时复合材料层合板在高速冲击有效时间内的应力(应变)分布、挠度随冲击速度的变化等动态响应规律.分析发现:最大正应变和层间剪应力沿层合板边长方向的衰减先快后慢,衰减速度明显变小的范围大约在距弹着点20 mm附近;在相同冲击速度条件下,层合板的挠度随到冲击点距离的增大而减小,在2个垂直方向上挠度分布规律基本相同,层合板表现出整体变形的对称性;存在冲击影响域,在一定范围(10 mm)之外,冲击速度高时层合板的挠度反而小,冲击影响域也小.     

GFRP层合板近缘和边缘低速冲击损伤数值模拟研究

近缘和边缘冲击对复合材料的剩余强度有较大的影响.基于应力描述的三维Hashin失效准则,结合改进Camanho退化方案,考虑冲击接触时间对试件冲击损伤,借助ABAQUS模拟玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料(GFRP)层合板的近缘和边缘冲击损伤与演化,同时采用Cohesive单元模拟层间界面,通过改进的Vumat子程序模拟...     

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．     

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.     

碳纤维复合材料层合板在低速冲击下的力学响应

利用改进的霍普金森杆对不同铺层方式的碳纤维复合材料层合板(CFRP)进行低速冲击试验,分析不同铺层顺序下,CFRP层合板的动态力学响应。搭建了基于高速三维数字图像相关方法(3D-DIC)的实验测量系统,该系统由3台高速相机组成,其中两台组成3D-DIC观测系统,用于三维成像,另外一台记录子弹飞行姿态,从而计算子弹飞行的速度。利用3D数字图像相关技术可以得到层合板损伤后的位移场,然后进行差分得到材料损伤后的应变场。利用ABAQUS/Explicit仿真软件对试验结果进行模拟,试验结果和模拟结果吻合较好,从而验证了3D-DIC在研究碳纤维复合材料层合板抗冲击性能中的有效应用。     

基于改进桥联模型的CFRP层合结构抗冲击载荷动态力学性能研究

为研究碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在冲击载荷下的力学响应,本文基于桥联模型,采用含应变率效应的动态本构方程以及屈服准则,对CFRP层合板进行了优化设计和动态压缩强度分析.利用相关文献中的层合板准静态及动态试验结果,对改进的桥联模型程序进行验证,结果吻合良好.在此基础上,对比分析了几种CFRP层合板铺层设计方案,优选并制备其中一铺层的层合板,实施了中等应变率的压缩试验,前期理论计算结果与试验结果有较好一致性.本文工作可用于抗高冲击载荷CFRP层合结构的优化设计及性能预测.     

斜荷载冲击层合板的响应研究

为了分析层合板受到斜荷载冲击时的响应,基于Kirchhoff经典层合板理论从平衡微分方程出发推导层合板振动的控制微分方程,利用模态叠加原理求解层合板振动控制微分方程得到层合板的位移、速度和加速度的响应.给出算例,分析了冲击力的大小、冲击的角度、板的尺寸等参数对接触面上最大剪应力的影响,并给出了剪应力在接触面上的分布情况.     

考虑应变率效应的复合材料层合板冲击动态响应

基于对分离式霍普金斯压杆试验结果的分析,建立了T300／epoxy复合材料考虑应变率效应的黏弹性本构模型,并将该本构模型引入到有限元分析软件LS-DYNA中,对T300／epoxy复合材料层合板进行了冲击动态响应模拟计算,计算结果与试验结果吻合较好,验证了这种本构和有限元模型的有效性。从层合板抗冲击性能的角度提出了有效冲击时间的概念,