湿热环境下复合材料冲击损伤的近场动力学模拟

研究在湿热条件下复合材料的冲击损伤特征,是复合材料应用在舰船壳体的一个重要基础。现有的有限元方法在分析损伤及裂纹扩展问题中遇到了一定困难,需引入近场动力学(PD)理论,用于分析复合材料湿热冲击损伤。在复合材料近场动力学模型中,定义层内和层间共4种不同作用键;在本构方程中引入湿热伸长率项,改进键伸长率判定和键常数为湿热环境下的形式,建立了湿热环境下复合材料层合板PD模型。基于上述模型,模拟了不同湿热环境下复合材料层合板冲击损伤,并分析冲击速度对湿热处理复合材料层合板吸能性能的影响。结果表明:在冲击速度较低情况下,湿热因素对层合板冲击损伤影响较大;当温度与湿度共同作用时,层合板抵抗冲击能力更强。     

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。     

T800碳纤维复合材料低速冲击渐进损伤仿真与试验研究

利用有限元软件ABAQUS建立冲击渐进损伤模型,对国产T800碳纤维/环氧树脂基复合材料的低速冲击损伤进行了数值模拟;同时对复合材料进行低速冲击试验,通过分析不同冲击能量与凹坑深度和损伤形貌的关系研究了层合板的冲击损伤特性.结果表明:在模拟仿真过程中,复合材料冲击时的应力分布像花生状的椭圆形,同时基体的拉伸和压缩损伤大于纤维的拉伸和压缩损伤.在试验中随着冲击能量增大,凹坑深度在35 J左右出现拐点,拐点之前凹坑深度增加缓慢,冲击表面主要是无损伤和几乎不可见的冲击损伤,内部损伤形貌近似圆形;拐点后凹坑深度急剧增加,试样内部损伤形貌逐渐趋于椭圆形,并沿45°铺层方向呈锥形扩展;在65 J时达到穿透性损伤.模拟得到的凹坑深度与试验结果吻合较好,为分析T 800碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板受低速冲击后的损伤演化和规律提供了一种有效的方法.     

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。     

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.      

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。     

复合材料层合结构冲击损伤研究进展(Ⅱ)

简要介绍了复合材料层合结构冲击损伤破坏过程及冲击后力学性能的数值模拟,包括各种破坏准则、描述损伤破坏产生和扩展过程的有限元方法及冲击后力学性能的研究现状。     

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。     

复合材料层合圆柱壳体缓冲吸能的实验与模拟

根据复合材料层合圆柱壳体受轴向冲击作用下的动力学,通过准静态压缩实验对标准型和采用花瓣型引发方式的玻璃纤维增强复合材料(GFRP)层合圆柱壳体的缓冲吸能特性进行了研究,运用ANSYS/LS-DYNA基于Chang-Chang失效准则判断的模型对落锤冲击下复合材料层合圆柱壳体的动力响应过程进行了模拟,标准型复合材料层合圆柱壳体模拟的结果与关键性实验数据能较好地吻合,其中4ms时刻的速度、位移、加速度以及加速度峰值的误差分别为19.5%,12.0%,6.4%,14.6%.而花瓣型复合材料层合圆柱壳体在引发方式上的改进使得材料在比吸能上有所提高,而且能极大地降低初始荷载峰值并延长到达峰值所需的压溃位移长度.利用基于Chang-Chang失效准则判断的模型可准确模拟压溃过程和材料的失效现象.     

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。     

基于修正剑桥模型的软黏土中沉桩过程#br# 欧拉-拉格朗日耦合模拟分析

摘要： 利用CEL(Coupled Eulerian Lagrangian)有限元大变形方法模拟了不排水条件下软黏土中沉桩施工对桩周土体的影响.利用有效应力的方法实现了修正剑桥(MCC)模型Vumat子程序中超孔压的计算,通过与室内土工试验(一维压缩试验和三轴试验)结果对比证明了子程序的可靠性.将修正剑桥模型的Vumat子程序嵌入到Abaqus/Explicit的CEL方法中用于软黏土中沉桩效应的模拟分析.对计算得到的桩周土体流动、水平位移、超孔压、水平应力的分析表明,所采用的考虑孔压的CEL数值分析方法可以较好地模拟软黏土非排水条件下沉桩效应问题.     

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。     

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.     

TC18钛合金多次冲击损伤演化规律

为了探究TC18材料在多次冲击下的损伤演化规律,参考夏比冲击标准设计了三点弯冲击试验件,开展了多次冲击试验。通过动态拉伸试验以及两个应变水平的低周疲劳试验获得了TC18材料的Johnsonson-Cook本构模型、Lemaitre损伤模型中的材料参数,引入修正因子改进了Lemaitre损伤模型,并编写了子程序,基于Johnson-Cook本构模型和改进的Lemaitre损伤模型对试验件进行了多次冲击数值仿真。结果表明,采用改进的Lemaitre损伤模型的有限元仿真结果与试验结果符合较好,TC18材料在多次冲击下损伤变化呈现两个阶段——缓慢累积和迅速增长。     

单元尺寸对复合材料层压板蒙皮鸟撞模拟的影响分析

通过仿真与试验的对比分析,分析结构单元尺寸对飞机尾翼复合材料蒙皮鸟撞模拟精度的影响。基于PAM-CRASH软件,用光滑粒子流体动力学方法建立适航条例所规定鸟体结构模型,用二维壳单元模拟层压板结构,通过试算计算出多种单元尺寸下结构破损的临界速度。结果表明,在层压板不发生破损的情况下,单元尺寸对位移计算结果影响很小;临界破损速度的计算值随着单元尺寸的增大而增大;当层压板单元尺寸为5 mm时,临界破损速度和应变响应与实测结果吻合最好。     

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.     

冲击载荷下加筋板损伤行为研究

利用Chang-Chang失效准则及Tsai-Wu失效准则建立复合材料加筋板有限元模型,用LS-DYNA软件对其进行低速冲击模拟,研究不同冲击位置对加筋板结构损伤状态造成的影响。通过与实验值相比较,发现该模型可以近似反映加筋板结构的损伤情况。实验及模拟表明：加筋条对层板抗冲击性能的提高有明显的效果;在结构三个不同位置模拟冲击实验后发现,冲击位置离加筋条越近,层板损伤面积越小,加筋条与层板脱离现象越严重;层板损伤平行于加筋条扩展,最终损伤状态呈椭圆形,其长轴指向刚度大的方向。