含孔复合材料层合板孔口缝合补强的层间应力分析

使用有限元模拟计算了含孔复合材料层合板开口缝合补强结构。研究了含孔复合材料层合板在轴向拉伸载荷作用下孔边各个铺层的层间应力分布情况,并将缝合后的层间应力值与缝合前的相关数值进行了比较,主要研究了不同缝合参数对孔边层间应力的影响。通过有限元模拟计算可得,层合板缝合补强后,孔边的层间应力比未缝合前显著减小,孔边附近层间应力的分布与相邻铺层的铺层角有关,不同铺层之间的层间应力沿孔边区域存在应力的转换点,并且存在显著差别。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

层合板层内损伤检测的模态位移不平整系数法

为了准确识别复合材料损伤的位置和程度，提出一种以模态曲率差幂函数为损伤指标的新检测方法.基于ANSYS的APDL语言，应用Shell181单元建立简支层合板模型，并通过Camanho损伤准则构建层内纤维失效模型.利用模态分析获得层合板的固有频率及网格节点模态位移，应用差分法得到曲面的高斯曲率，研究损伤前后高斯曲率差随损伤位置和程度的变化规律.采用高斯曲率差的平方增加峰值与其他区域的差距，将其定义为模态位移不平整系数并进行层内损伤位置和程度检测.结果表明:模态位移不平整系数使损伤位置检测的准确性提高，且随损伤程度的增加而增大.研究结论为改进复合材料层合板层内损伤的无损检测方法提供指导.     

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。     

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.     

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.     

非概率可靠性的拉伸载荷下飞机含孔复合材料安全性分析

针对拉伸载荷作用下飞机含孔复合材料易发生损伤失效的问题,为研究穿透型圆孔对复合材料安全性的影响,根据某型飞机实际使用的碳纤维复合材料,设计了无孔和含孔试样进行拉伸试验,获得宏观拉伸性能参数,对比分析穿透型圆孔对拉伸性能的影响;基于非概率可靠性分析方法,采用最小无穷范数指标,分别对训练强度提高前后的拉伸强度可靠性进行计算与分析,并总结了复合材料安全性分析方法。结果表明：穿透型圆孔会导致该复合材料拉伸强度的大幅下降,而对拉伸刚度影响不大,且拉伸强度下降率与孔径成正比;穿透型圆孔会引起该复合材料拉伸强度可靠性的大幅下降,下降程度随孔径的增大而增大;训练强度提高后,可靠性进一步下降,三种孔径的复合材料拉伸强度可靠性均降至1以下,严重影响复合材料安全性。     

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.     

拉伸圆孔板孔边裂纹应力强度因子解析解

裂纹尖端应力强度因子是判断裂纹扩展和结构失效的重要标准,探究拉伸荷载下圆孔与裂纹相互作用的裂纹尖端应力强度因子对材料断裂准则和残余强度分析具有重要意义。基于叠加原理和弹性力学初始解,采用Westergaard应力函数求得单轴拉伸圆孔板孔边裂纹应力强度因子的积分方程,使用切比雪夫多项式得到积分方程的近似解,运用Exponential函数对近似解修正得到裂纹尖端应力强度因子修正解;运用Abaqus对同一问题进行模拟分析并与修正解结果进行对比;分析了裂纹尺寸、圆孔半径、裂纹位置角以及裂纹倾角对裂纹尖端应力强度因子的影响。结果表明：修正解与Abaqus模拟解基本吻合;应力强度因子随裂纹尺寸和圆孔半径增大而增大,随裂纹位置角和裂纹倾角增大而减小。     

圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁受弯性能研究

为研究圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁的受弯性能,设计制作了4根试验梁,并对其进行受弯加载试验。研究表明:圆形孔蜂窝型钢高强混凝土梁的受力过程可划分为弹性工作阶段、弹塑性工作阶段及破坏阶段;试验梁在加载过程中没有过早开裂,并且试件在屈服后依然有着较高的安全储备;试验梁破坏时的挠度值均在14 mm以上,远大于规范规定限值,表现出了良好的变形性能;基于试验结果,利用ABAQUS软件对试件进行非线性有限元分析,结果显示,两者吻合较好,进一步拓展分析可知:型钢及混凝土强度对试件初始阶段的弹性刚度影响不大,随着型钢或混凝土强度的增加,试件承载能力会逐渐上升,而其延性系数则会逐渐下降。     

含预制孔洞混凝土的断裂实验研究

为研究含孔洞缺陷类岩体在单轴加载条件下裂缝萌生、扩展、演化及贯通的过程,制作了含不同数量的预制孔洞混凝土试件,进行单轴加载断裂实验,根据实验过程使用ANSYS软件进行数值模拟,分析其应力分布情况,将实验结果和数值计算进行对比,结果表明:试件的破坏模式及孔洞的贯通模式与孔洞的数量及分布有关,试件破坏模式主要为劈裂破坏和剪切破坏,使用ANSYS软件计算所得的结果和实验结果较为吻合.      

近爆场下固支铝合金圆板的动态响应研究

对2024-T3铝合金圆板在近爆场下进行了爆炸冲击试验,利用Henrych经验公式与有限元法分别进行了计算和数值模拟,对比了近爆场的冲击波超压,考察了铝合金圆板的动态响应特性与变形失效模式,分析了药量及爆距的影响.结果表明:在爆炸冲击载荷的作用下,随着载荷的增强,即随着药量的增大、爆距及比例距离的减小,固支铝合金圆板呈现出3种变形失效模式、塑性变形、中心拉伸破孔失效、中心破孔,并发生圆板开裂;塑性变形首先在铝合金圆板的固支边界处产生,随后迅速扩展到板中心区域;随着比例距离的减小,发生中心拉伸破孔板的破孔尺寸逐渐增大,而发生边界拉伸断裂板的鼓包程度逐渐减小.      

Micromechanics-BEM Analysis for Piezoelectric Composites

The effective material properties of piezoelectric composites are predicted using micromechanics models of the composite structure combined with a boundary element method (BEM) solution of the governing equation. The composites consist of inclusion and matrix phases. The micromechanics method gives formulae for the overall material constants as functions of the concentration matrix, while the boundary element simulation gives numerical solutions of the boundary displacement and electric potential equations for inclusion or hole problems. Numerical results for a piezoelectric plate with circular inclusions are presented to illustrate applications of the proposed micromechanics-BEM formulation.     

超高性能混凝土RPC的抗冲击压缩特性

利用分离式Hopkinson 压杆试验装置,完成了超高性能混凝土RPC及其在钢管约束情况下的冲击压缩性能试验,比较了RPC材料在无约束和有约束2种受力状态下的变形和破坏特点,分析了RPC材料与C60自密实混凝土材料的应变速率效应的差异,给出了RPC材料与C60自密实混凝土的冲击破坏阈值.结果表明:在达到冲击破坏阈值的冲击荷载作用下,RPC材料呈现脆性破坏形态,对RPC侧向施加钢管约束可大大改善其抗冲击性能;RPC材料具有一定的应变速率效应,但RPC材料强度随加载速率提高的幅度比普通高强混凝土C60的要小,并且随着RPC材料强度等级提高应变速率效应逐渐减小.     

小型航空Wankel发动机转子结构优化仿真

三角转子是小型航空Wankel转子发动机的核心部件,其高速旋转过程中承受着温度、惯性力和燃气爆发压力等复杂载荷耦合作用,更加容易因强度不足发生失效与破坏。针对多重载荷耦合工况下,三角转子应力集中与强度问题,建立发动机热力学模型,获得发动机单循环内燃烧室缸温、缸压以及换热系数变化曲线,计算转子各处热边界条件,分别在机械应力、热应力与热 机械耦合条件下,采用有限元的方法对三角转子进行温度场、应力场与变形量仿真分析,并提出转子腰部圆孔边缘处加工圆角和冷却孔处布置散热片优化方法。仿真结果表明：优化后三角转子最大应力由原来的687.0 MPa下降为403.9 MPa,约为原来的58.79%;转子腰部圆孔边缘应力由577.5 MPa下降为306.1 MPa,降低为原来的53.02%;冷却孔处应力值也由212.6 MPa降至113.2 MPa,约为原来的53.25%。布置散热片后,转子平均温度下降20 K以上,转子腰部圆孔边缘与冷却孔温度下降40 K左右,密封槽尖端变形量由0.21 mm降至0.15 mm,减小27.7%。转子应力场得到改善,变形量减小。     

二氧化碳管道输送过程管径设计分析

以洞口尺寸、形状和净距为参数,对28根开孔梁和2根实腹梁的力学性能进行了试验研究与对比分析,研究其破坏形态及破坏机理等,并与未开孔梁的试验结果进行对比.提出了基于费氏空腹桁架理论的开孔梁承载力计算公式.结果表明,开孔梁内的应力分布、挠度变化不再完全符合传统弯曲理论.随着径腹比的加大,开孔梁的承载力和刚度呈显著下降趋势.方孔梁的承载力略大于外接圆孔,以外接圆孔代替方孔梁的承载力偏于安全.对于径腹比为0.5的多洞口梁而言,当方洞和圆洞净距分别大于2倍和2.5倍孔长时,可忽略洞口间的相互影响.通过对比分析,理论结果与实验结果的误差平均值为15%左右,从而验证了修正后的空腹桁架理论计算公式的准确性和可靠性.