复合材料层合板修补结构高速冲击分析

复合材料以其优异的综合性能,在航空航天和防护装备等领域得到广泛应用,胶接修补是复合材料出现损伤、破坏时优先使用的修补方法。对复合材料层合板胶接修补结构在冲击过程中的不同形状和尺寸补片对修补效果的影响,以及1号补片修补结构在修补过程中层合板材料失效情况进行了研究。层合板采用最大应力失效模式,并与已有文献进行对比,验证模型正确性。计算结果表明,在高速冲击过程中,在子弹穿透层合板之前,层合板发生纤维断裂失效,分层失效伴随整个冲击过程。补片的形状和尺寸对修补效果产生重要影响,其中2号补片修补效果最好。     

胶结修补对复合材料层合板各铺层失效形式的影响

复合材料由于重量轻、强度高等诸多优点使得其应用非常广泛,然而不可避免地也会在使用过程中出现损伤。受损结构的修补问题,成为日前急待解决的技术问题。在工程实际应用中,对受损复合材料层合板的常见处理方法就是在受损处用胶粘上一补片,用以弥补受损结构的不连续性。采用ANSYS参数化编程语言,以三维逐渐损伤理论为依据,考虑多种失效形式,按已有文献建立相应模型,并通过对比验证模型程序及算法的正确性。分别建立半穿透型及穿透型受损复合材料层合板受损修补模型,在拉伸载荷下对模型进行多参数计算,分别模拟受损不补与胶结修补模型的整个失效过程,取出其中最典型的三组数据进行对比。针对不同大小补片进行计算,得出胶结修补对复合材料层合板各铺层失效形式的具体影响。     

搭接长度对平纹机织复合材料胶接结构连接性能影响的多尺度分析

针对平纹机织复合材料层合板，首先基于均匀化方法确定细观模型的性能参数，其次采用Hashin准则分析细观模型损伤过程，最后引入连续损伤力学模型和内聚力模型建立层合板胶接结构宏观模型。研究结果表明，平纹机织复合材料层合板的数值曲线与试验结果吻合较好，验证多尺度模型的有效性；搭接长度在5~15 mm时，随着搭接长度的增大，单搭和双搭胶接结构的极限失效载荷逐渐增大，并趋于稳定，而搭接剪切强度逐渐减小；单搭和双搭胶接结构的失效形式随着搭接长度的增大逐渐由胶层剪切失效过渡到层间分层失效；相同搭接长度下，与单搭胶接结构相比，双搭结构的极限失效载荷较大。基于均匀化方法、Hashin失效准则、内聚力模型和连续损伤力学模型，提出一种平纹机织复合材料多尺度模型，对结构性能设计和使用寿命具有重要意义。     

真空辅助湿法斜接型挖补修理后层合板拉伸性能研究

对真空辅助玻璃纤维增强复合材料斜接型挖补修理后结构进行了拉伸强度试验研究,获得了修理后结构最终破坏模式。分别建立了挖补修理结构中母板与补片三维有限元模型,采用了各向异性连续损伤力学模型模拟了母板与补片复合材料单向带失效模式,假定母板与补片通过黏性力接触,在真空辅助湿法挖补修理形成的无厚度二次固化界面处定义了接触面, 采用指数型软化cohesive模型模拟了界面接触属性。试验结果与数值模拟结果吻合较好,表明所采用的模型能很好地预测整个修理结构的拉伸性能。分析了整个拉伸过程中层合板斜接挖补修理结构的损伤破坏过程,发现了附加补片引起的应力集中是造成母板中薄弱层过早损伤的原因。讨论了不同斜接挖补角度对修理后结构强度的影响,结论可以引导工艺人员制订合理的修补方案。     

复合材料斜接接头强度数值仿真研究

复合材料斜接接头是胶接结构主要形式之一,其失效模式复杂,包括复合材料层合板和胶层的多种失效模式。提出了一种包含两种不同失效模型的分析方法,采用基于三维Hashin失效准则和指数型刚度退化准则的渐进损伤模型仿真复合材料层合板层内失效,采用内聚力模型仿真胶层失效和层合板层间失效。基于该方法建立了复合材料斜接接头强度分析三维模型,使用试验数据验证了该仿真模型,并利用该模型分析了接头的失效机理。在此基础上,研究了接头斜削角和胶层断裂韧性等设计参数对连接强度的影响,得到了上述参数对斜接接头强度影响的规律。     

不同胶接参数对CFRP层合板单搭胶接结构强度的影响及优化设计

对于碳纤维增强基复合材料(Carbon fibre-reinforced polymer,CFRP)层合板单搭胶接结构的优化问题,首先利用连续损伤力学模型、三维Hashin准则和内聚力模型研究不同胶接参数对CFRP层压板单搭胶接结构力学性能的影响,其次采用拉丁超立方试验设计方法和响应面法构建了拉伸强度代理模型,最后基于遗传算法和代理模型进行联合优化.结果 表明,仿真与试验吻合较好,数值结果与试验结果的误差均低于10％,验证了有限元模型的精确性.随着搭接长度的增大,拉伸强度和层合板层间分层损伤程度逐渐增大,剪切强度和胶层自身剪切失效程度逐渐减小;胶接结构的力学性能及失效形式随着铺层方式的不同而改变.最佳铺层顺序、胶接长度、胶层厚度和搭接宽度分别为[03/903]2s、20 mm、0.0607 mm和10 mm.与常规单搭胶接结构相比,拉伸强度和剪切强度分别提高了25.92％和25.88％.采用遗传算法对CFRP层合板单搭胶接结构进行优化,对提高单搭接接头的力学性能具有重要意义.     

基于有限元法的飞机蒙皮裂纹加强补片优化设计

胶接增强修复补片的可设计性是胶接技术的优点之一,科学设计飞机结构损伤部位的增强补片是保证修补效果的重要因素。本文利用 ANSYS 软件对飞机2024蒙皮裂纹复合材料增强补片进行三维有限元建模与仿真计算,计算了复合材料单级补片和多级补片边缘胶层最大剪应力,给出了飞机2024蒙皮裂纹单侧修补时的补片优化设计参数。计算表明,用复合材料增强修补铝合金蒙皮裂纹时,补片应设计成多级形式;当补片级数超过5级时,补片边缘的胶层剪应力显著减小,与单级补片相比,其最大剪应力下降了85%。     

复合材料胶接强度分析

以Von Mises屈服准则为胶层失效判据及基于应力分布的三维Hashin失效准则为复合材料层合板失效判据,采用材料刚度退化的方法,在ANSYS中建立了考虑复合材料层合板和胶层失效的复合材料胶接强度分析模型;利用该模型对复合材料胶接强度进行了准确预测.重点研究了胶层厚度和胶接长度两个设计参数对复合材料胶接强度的影响,结果表明:胶接强度在一定范围内随着胶层厚度和胶接长度的增大而增大,呈非线性关系.     

补片倒角对复合材料胶接修理后承载能力的影响

以圆孔型损伤为例,利用三维有限元模型分析了复合材料层合板的贴补修理,研究了6种不同补片倒角对胶层剪应力和修补结构承载能力的影响。计算结果表明:在其它参数不变的前提下,合理选择补片倒角可降低胶层剪应力的最大值,提高复合材料修理结构的承载能力,对更有效实施复合材料结构贴补修理方案设计具有一定的指导意义。     

含孔复合材料层合板的疲劳寿命研究

建立了三维有限元模型,分析了复合材料层合板的应力场。使用修正Hashin失效准则判定复合材料的失效模式,并突降失效单元的材料性能。疲劳载荷引起复合材料刚度降和强度降依靠缓降模型实现。笔者将突降模型和缓降模型植入有限元模型中,模拟了复合材料层合板在拉伸和压缩疲劳载荷下的渐进损伤过程,并计算了层合板的纵向刚度损伤和疲劳寿命。层合板的纵向刚度损伤具有三阶段特点,与试验观察是一致的。层合板疲劳寿命预测值与试验值吻合地很好。     

层合复合材料板的低速冲击损伤及剩余压缩强度研究

针对复合材料层合板的冲击及冲击后的压缩破坏过程提出了一种全程分析方法。该方法应用三维逐渐累积损伤理论和分析技术,对层合板的冲击以及冲击后含损伤的层合板在压缩载荷下损伤扩展的全过程进行分析,分析中没有对冲击后层合板的损伤状态做人为假设,而是把冲击后层合板的预测损伤直接用于剩余压缩强度研究,从而不仅提高了最终失效载荷的预测精度,而且避免了为获得冲击后损伤状态参数所进行的大量试验,同时开发了模拟程序,该程序可以预测任意铺层角度、铺层厚度的层合板受外物冲击以及冲击后的损伤状态及在压缩载荷下的逐渐损伤破坏过程和最终失效载荷。通过与已有文献结果进行比较,验证了方法及程序的正确性。     

损伤复合材料层板胶接修理的优化设计

针对复合材料单面胶接修理结构建立力学分析模型,并通过试验验证模型的可靠性.利用该模型分析补片参数对胶接修理效果的影响,得到优化设计的补片参数.计算分析和验证试验均表明,补片直径为孔径的2～3倍、厚度为孔深的45%～60%、铺排和母板一致时,修理结构的强度恢复能达到最大值.     

飞机双弹洞损伤整体胶接修补技术参数分析

结合飞机战伤实际可能出现的多弹洞损伤整体修补问题,本文以双弹洞损伤结构为研究对象,采用Farhad Tahmasebi胶接弹簧元修补模型进行了数值模拟,详细分析了两种典型类型的双弹洞损伤整体胶接修补结构中双弹洞相对位置、补片尺寸以及厚度对修补后强度的影响。主要结论:(1)双洞间距的差异影响修补效果;(2)胶膜的承剪能力对修补效果的影响很大;(3)含贯穿性裂纹的双弹洞损伤与无贯穿性裂纹的双弹洞损伤相比,从修补效果到修补方法,都有较大差异。     

复合材料补片胶接补强修补技术参数分析

本文针对复合材料与金属结构穿透型损伤外贴复合材料补片胶接修补方式 ,采用“双板 -弹簧”有限元修正模型 ,进行了各修补参数 (补片直径、厚度、修补形式以及胶层厚度等 )对修补效率的影响分析。主要结论 :(1)补片直径对修补效率的影响非常小 ;(2 )单面修补取补片厚度为 5 0 %母板厚度 ,双面修补取 80 %是合理的 ;(3)胶层厚度通过影响胶层内最大剪应力大小影响修补效率 ;(4 )修补参数相同情况下 ,被修补结构的尺寸影响修补效率 ;(5 )金属修补与复合材料修补具有相同的曲线规律     

胶接修补结构在多向载荷作用下的极限强度

目前在国内外开展的复合材料及金属的胶接修补研究中 ,计算与试验都是采用单向加载方式。但在工程实际中需要修补的区域一般承受多向载荷。本文采用“双板 -弹簧”有限元修正模型 ,对多向载荷作用下的修补问题进行了研究。结果表明 ,在大多数情况下单向加载状态获得的极限强度恢复程度是偏保守的结果。     

损伤复合材料层板胶接修理试验研究

胶接修理是弥补复合材料结构在制造和服役过程中产生的损伤与缺陷的主要方法之一。文中通过强度试验研究在复合材料层板外表面粘接复合材料补片这种临时修理方法的实际效果，并讨论主要修理参数——补片直径、厚度、铺排方式的影响。     

纤维金属层板铆接剩余强度影响因素研究

为研究单搭铆接接头中纤维金属层板耦合损伤行为,运用金属硬化Johnson-Cook失效准则、纤维增强复合材料三维Hashin损伤准则、脱层B-K失效理论以及刚度退化失效准则建立了纤维金属层板铆接渐进失效模型,并结合实验验证了模型的合理性。考察了单搭铆接二次弯曲效应、层板铝合金体积分数、预紧力、层板孔边距对纤维金属层板铆接强度和失效模式的影响,为提高纤维金属层板铆接剩余强度提供可靠建议。分析结果表明：二次弯曲效应加速损伤发生,从而降低层板铆接强度,其中偏心加载可以削弱二次弯曲效应,更好地提高铆接强度;层板铝合金体积分数的增大能够提高层板铆接强度,但当体积分数大于50%时层板铆接比刚度和比强度反而下降;预紧力的增加能够提高层板铆接强度和增强层板损伤抗力;随着孔边距的递增,铆接剩余强度有所提高,破坏模式由灾难性拉断失效模式逐渐转化为理想的挤压失效模式,但当孔边距达到一定数值时,铆接强度不再明显提高,而失效模式也维持为挤压破坏。     

损伤复合材料胶接修理后承载能力的有限元分析

对复合材料损伤构件进行胶接修理,在MTS试验机上进行拉伸试验,记录不同修理方式下,修理构件能够承受的最大载荷;用Abaqus有限元软件对修理后构件进行强度仿真,计算损伤修理构件的最大承载能力,并与试验数据进行对比。结果表明:有限元分析结果与试验结果吻合较好,误差小于10%,证明有限元模型的建立及计算方法符合工程实际要求;最佳的修补参数为复合材料修理补片纤维方向与母板纤维方向成0°/90°,补片大小为损伤面积的2～3倍,补片厚度为损伤深度的0.6～0.75倍。