复合材料层合板冲击后疲劳寿命试验研究与数值模拟

通过对复合材料典型层合板进行落锤冲击试验引入冲击损伤,并对冲击后的复合材料层合板进行不同载荷水平的压-压疲劳试验,得到了不同疲劳载荷作用下层合板损伤扩展规律及疲劳寿命。建立了冲击后层合板疲劳寿命有限元数值计算模型,对层合板进行冲击仿真,并利用有限元软件用户子程序编程,将冲击后计算所得损伤分布结果设置为层合板压—压疲劳寿命计算的起始状态,从而获得层合板在不同疲劳载荷水平下的损伤扩展结果及压—压疲劳寿命数值仿真结果。将试验与有限元数值计算疲劳寿命结果绘制了S-N曲线,通过对比验证了计算结果的准确性,形成一套复合材料层合板冲击后疲劳寿命预测数值计算模型。     

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。     

复合材料层合板冲击损伤影响因素分析

应用三维逐渐累积损伤理论和有限元分析技术对复合材料层合板的低能冲击过程进行了详细分析,研究了不同材料的冲头、不同复合材料体系和不同铺层方式对复合材料层合板冲击损伤的影响规律。研究结果可为更有效地进行复合材料抗冲击结构设计提供一定的指导。     

基于内聚单元的复合材料层合板低速冲击损伤的数值模拟

建立了一套有限元模型来预测复合材料正交层合板由低速冲击载荷引起的层间应力及损伤。采用连续壳单元模拟层合板的各个单层,在复合材料层合板的可能损伤区域设置内聚单元模拟面内基体裂纹和层间分层损伤的起始和扩展。引入层间摩擦力模型模拟层间压缩应力对分层损伤的抑制作用。对于正交层合板,有限元模型准确的模拟了低速冲击载荷引起的分层损伤的面积和形状。数值模拟结果也表明面内基体裂纹与层间分层存在着相互作用关系,基体裂纹影响着分层损伤预测的准确性。有限元模拟结果和试验结果的对比表明,基于内聚单元的有限元模型可以用在复合材料正交层合板低速冲击损伤的数值模拟中。     

玻璃纤维层合板低能量冲击试验研究

为研究玻璃纤维层合板抗冲击性能,利用落锤冲击实验机,以两种不同能量,对两种预制裂纹的玻璃纤维复合材料层合板进行低能量冲击;对实验中的冲击载荷、能量、位移和速度进行采集;对冲击损伤进行力学分析和对比;并对损伤形貌进行了SEM观察。结果显示:在相同能量冲击下,预制裂纹层合板冲击后的损伤程度与预制裂纹的大小和面积成线性关系;在不同能量冲击下,复合材料层合板具有不同的破坏结构,其主要损伤为基体开裂和层间分离。     

冲击后复合材料板剩余抗拉强度影响因素分析

应用提出的全程分析方法和三维逐渐累积损伤理论,对层合板的冲击过程以及冲击后含损伤层合板在拉伸载荷下的破坏过程进行详细分析.研究不同冲击能量、不同材料的冲头、不同复合材料体系和不同铺层方式等因素对层合板冲击损伤及剩余抗拉强度的影响规律,为更有效地进行复合材料抗冲击结构设计提供一定的指导作用.     

E-玻璃纤维2D编织层铺增强复合材料的损伤力学本构模型及应用

由拉伸试验获得E-玻璃纤维2D编织层铺增强树脂基复合材料的力学性能,通过弹性力学推导出材料正交各向异性的本构关系,并对本构关系中的刚度矩阵进行数值解析,得到复合材料的弹性本构方程;将结果应用于Hashin强度准则,建立了以连续损伤力学为基础的正交各向异性损伤本构模型。将所建立的弹性及损伤本构关系赋予层合板三维模型,通过ABAQUS/Explicit软件模拟弹丸冲击复合材料层合板的过程,并对模拟结果进行分析。结果表明:当冲击载荷达到材料的临界损伤值(732N)时层合板发生破裂,并在24μs达到最大变形量,此时应力重新分配,且复合材料横截面上的应力在中心处从0向外逐渐增大到509.8MPa;在冲击整个过程中,材料的损伤从中心向四周呈放射状递减。     

纤维环向缠绕复合材料气瓶冲击损伤容限研究

为研究纤维缠绕复合材料层CNG气瓶冲击后损伤容限问题,采用疲劳应变比率作为损伤变量,建立疲劳累积损伤模型;对气瓶缠绕层的冲击损伤剩余强度采用开孔等效计算方法,应用Nuismer—Whitney平均应力准则,关联疲劳累积损伤函数中的最大应力与拉伸载荷下的含孔层合板剩余强度的关系,建立适用于在疲劳载荷下的含孔层合板结构剩余强度的估算方法,用于复合材料CNG气瓶冲击剩余强度的预测。结果表明,文中提出的分析模型预测结果与专家提出的复合材料气瓶冲击损伤评定标准基本吻合。     

复合材料层合板低速冲击后压缩破坏的数值模拟

采用软化夹杂法来模拟低速冲击后层合板的压缩破坏。笔者用ABAQUS软件建立冲击损伤的有限元模型,模型将损伤区等效成一个圆形的软化夹杂,研究了不同的损伤深度对冲击后剩余压缩强度的影响;分析了层合板在压缩过程中,各单层的载荷分配情况;并且模拟了复合材料层合板从损伤开始到完全失去承载能力的压缩破坏全过程。计算结果表明:复合材料层合板冲击后的压缩破坏,损伤最早发生在冲击损伤区周围的±45°铺层,主要发生基体压缩损伤;在压缩载荷下,0°铺层主要的损伤形式是纤维的屈曲;90°铺层发生的主要损伤形式也是基体压缩损伤,但损伤的面积较小。     

低速冲击下复合材料层合板的三维损伤

考虑横向剪应力效应,对复合材料层合板低速冲击损伤进行有限元数值模拟和超声C(ultrasonic C)扫描无损检测.结果表明,用九节点厚壳单元和三维Tsai-Wu失效准则求解层合板冲击问题,损伤包络区域与超声检测结果一致性好,厚度方向上的损伤剖面为倒"T"字形,内部近似圆台形,背面层损伤为"枣核"形.     

低速冲击作用下层合板损伤试验研究与数值分析

参照标准试验方法,开展了层合板低速落锤冲击试验,获取了不同冲击能量下凹坑深度等试验数据,并对含冲击损伤层合板进行了剩余压缩强度试验。研究了凹坑深度-冲击能量、剩余压缩强度-凹坑深度的变化关系,并讨论了低速冲击过程中的损伤演变过程和层合板的压缩破坏模式。建立了层合板低速冲击损伤分析模型,分别采用Hashin失效准则和界面单元模拟单层失效与分层损伤,利用有限元分析了层合板低速冲击过程,得到了不同冲击能量下分层损伤面积。结果表明,凹坑深度可以较好地表征层合板抵抗冲击的能力,随着冲击能量的增大,剩余压缩强度随凹坑深度的增加而明显降低。有限元分析得到的分层损伤面积与含损伤层合板超声C扫描结果吻合较好。     

层合板低速冲击损伤的数值模拟

为了分析复合材料层合板在冲击载荷作用下,层合板的损伤演化发展情况,结合采用单元失效技术和铺层刚度退化技术建立层合板低速冲击的三维有限元分析模型。在该模型中,当有限元模型中的单元发生某种冲击失效形式时,定义该单元发生部分失效,并将其刚度适当的退化。计算发现冲击背面容易产生基体开裂,并由此导致分层发生,而且靠近冲击背面的界面所产生的分层面积要较靠近冲击正面的界面的分层面积要大;随着冲击能量的增大,分层面积也增大;当冲击能量很高时,铺层内会出现纤维断裂,同时在层合板的边界处也容易出现损伤,计算结果和试验结果吻合。     

泡沫夹层复合材料与复合材料层合板低速冲击性能的比较

采用[0°]8,[0°,90°]2s方式铺成的碳纤维增强环氧树脂预浸料作为泡沫夹层复合材料的面板,PMI(聚甲基丙烯酰亚胺)泡沫作为芯材,制得泡沫夹层复合材料(12mm厚);采用相同预浸料和[0°]16,[0°,90°]4s的铺层方式制备了复合材料层合板(2mm厚),对比研究了两种复合材料的低速冲击性能。结果表明:无论是泡沫夹层复合材料还是复合材料层合板,正交铺层结构比单向铺层结构的冲击载荷峰值高,冲击损伤程度小,抗冲击能力好;在两种铺层方式下,泡沫夹层复合材料的抗冲击能力明显优于复合材料层合板的。     

复合材料缠绕压力容器冲击损伤分析

基于复合材料经典层合板理论和冲击动力学理论,采用Chang -Chang损伤准则对受低速冲击后的复合材料缠绕层进行损伤判定,并进行相应的刚度折减,分析复合材料纤维缠绕压力容器在冲击载荷作用下的动态响应和损伤状况.结合动力松弛法分析冲击能量对不同工作压力下复合材料缠绕压力容器抗冲击性能的影响,并对压力容器不同部位的抗冲击敏感性进行了相应研究,预测出压力容器的缠绕层损伤特征和最不利的冲击位置.     

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。     

基于应变损伤模型的复合材料层合板低速冲击数值模拟

提出了一种基于应变的复合材料损伤模型,考虑了复合材料冲击过程中出现的面内纤维断裂与压缩,基体开裂与挤裂。在使用Abaqus软件进行数值模拟计算时,自编的用户子程序VUMAT和Cohe-sive模型分别实现了复合材料面板的损伤和层间分层。通过对层合板在不同能量下的低速冲击的有限元模拟发现,模拟得到的分层损伤形状和面积、冲头最大挠度、接触力和凹坑深度都与试验结果吻合较好。     

基于三维CDM的复合材料开口层合板失效分析

建立了复合材料层合板三维连续介质损伤力学模型,并将该模型应用于复合材料开口层合板的损伤破坏分析中。与相关试验中开口层合板强度和损伤破坏情况对比分析表明:本文模型能够有效地模拟开口层合板从初始损伤到完全破坏的全过程,具有较高的计算精度和良好的数值模拟收敛性。基于该模型,详细分析了在单向拉伸载荷作用下开口层合板不同铺层的损伤破坏情况。     

含分层复合材料层合板拉伸剩余强度研究

以T300/BMP316复合材料层合板为研究对象,开展了含预制分层层合板的静拉伸试验及静强度预测方法研究.通过试验获得含预制分层层合板的拉伸剩余强度.基于三维逐渐损伤分析方法,采用双层节点法模拟初始分层,建立了含分层复合材料层合板的静载逐渐损伤分析模型,静强度预测误差在5％以内.采用所建立的方法对分层处于不同层间位置的含分层层合板的拉伸剩余强度进行预测,分析了此种层合板的分层危险层间位置.     

飞机复合材料雷击损伤热电耦合仿真

参照国外已有的雷击实验结果,建立了复合材料层合板的三维有限元模型,通过施加电边界和热边界以及引入材料性能参数之间的相互依赖关系,运用ABAQUS仿真软件真实地模拟出复合材料在雷击过程中雷电流的传导以及损伤过程.通过仿真研究复合材料层合板在遭遇雷击时热、电之间的耦合作用,得到雷电流注入后层合板中的温度分布场,对比分析后得出了不同层的烧蚀形貌和尺寸均有所不同的结论.通过对比不同铺层层合板的雷击损伤结果发现,当顶层为0°铺层(即与结构长度方向一致)时层合板的损伤面积较大.     

含分层复合材料层合板剪切屈曲的实验研究

对含分层损伤的复合材料层合板在纯剪切条件下进行屈曲试验,并通过对试验载荷-应变曲线及损伤形貌的分析以及试验结果和有限元模拟结果的比较,得出复合材料层合板预制分层损伤面积对其剪切屈曲性能的影响.结果表明,试验件含分层损伤面积越大,其破坏载荷越大,而对应的破坏应变越大,因此分层损伤会降低复合材料层合板的承载力和刚度.含分层损伤的层合板试验件其屈曲临界载荷随着分层损伤面积的增加而减小,抗屈曲性能也随之降低.