三维六向编织复合材料力学性能的实验研究

通过拉伸 ( 含开孔拉伸 ) 、压缩 ( 含开孔压缩 ) 、面内剪切及冲击后压缩实验,获得了三维六向编织复合材料的主要力学性能参数。基于宏观实验,探讨了材料在拉伸、压缩及剪切载荷作用下的破坏模式和失效机理,分析了开孔类型 ( 机械孔、编织孔 ) 对材料拉、压性能的影响并研究了冲击对材料压缩性能的影响。所获结果为进一步研究三维六向编织复合材料的刚度、强度预报奠定了基础。     

湿热环境下开孔复合材料层合板的强度

通过试验研究T300/5405复合材料层合板在6种湿热环境下开孔拉伸、开孔压缩的极限强度,分析了湿热环境对开孔复合材料层合板强度性能的影响,对比了不同湿热环境下材料的破坏模式。在有限元仿真方面,通过考虑湿热环境对材料刚度和强度的影响,建立了湿热条件下复合材料开孔层合板极限强度的预测方法,模拟了开孔复合材料层合板在不同湿热环境、不同载荷类型下的损伤演化全过程。有限元预测结果与试验结果的误差在20%以内,验证了该预测方法的有效性。     

缝合复合材料层板抗拉强度的预测

提出了缝合复合材料层板抗拉强度微观分析方法,建立了针脚处纤维局部弯曲的几何模型,将有限元法、桥联模型和最大应力判据相结合,根据主承力层的失效得到层板的抗拉强度,预测的结果与试验值吻合较好.     

复合材料挖补修理结构的压缩强度分析

基于Patran/Nastran有限元软件对复合材料层板的挖补补强结构进行细节应力分析,引入Tsai-Hill强度准则和最大剪应力破坏判据预报其压缩强度,通过PCL语言实现了挖补结构的参数化建模并讨论主要修补参数的影响规律.结果表明:强度预报结果与试验结果较好吻合,误差小于10%.复合材料层板在单向和多向载荷作用下的最大挖补角度分别为5°和4°;胶层厚度在满足胶接强度的条件下越小越好,宜为0.10～0.15 mm;挖补修理适用于孔径小于70 mm的损伤.     

三维四向编织复合材料的几何建模及刚度预报

提出了四步法三维四向矩形编织复合材料的单胞几何模型, 该模型考虑了空间纤维束的相互扭结和挤压而造成的纤维束弯曲和截面形状变化。基于刚度体积平均思想, 采用微元段直纤维的单向层板刚度分析方法建立了相应的刚度预报模型, 得到了材料的工程弹性常数, 数值结果表明了该模型的有效性;分析了工艺参数和纤维束横截面形状对弹性常数的影响规律, 得到了一些有益结论。     

缝合参数对复合材料板面内刚度和强度影响研究

通过数值计算和对37组158个试件的实验测试与分析,研究了四种缝合参数对缝合复合材料板面内刚度和强度的影响。结果表明:1)缝合密度越大,缝合所产生的损伤就越大,对面内刚度的影响也就越大。几种常用缝合密度下的面内刚度差最大为纵向6%,横向11%,剪切9%;2)缝合密度和缝合工艺水平对面内拉伸强度和剪切强度有很大影响,缝合引起的拉伸强度和剪切强度降低分别达14%和17%,而对面内压缩强度的影响很小,最大强度降不到4%。3)当缝线方向与测试方向垂直时,可以得到较高的面内刚度值和较低的面内强度值。反之,当缝线方向与测试方向平行时,可以得到较低的面内刚度值和较高的面内强度值。最大变化幅值分别为21%和18%。     

复合材料加筋板低速冲击损伤的数值模拟

建立了复合材料加筋板在横向低速冲击载荷作用下的渐进损伤有限元模型。该模型考虑了复合材料加筋板受低速冲击时的纤维断裂、基体开裂及分层脱粘等五种典型的损伤形式, 在层内采用应变描述的失效判据, 结合相应的材料性能退化方案, 通过编写VUMAT用户自定义子程序以实现相应损伤类型的判断和演化。在层间以及筋条与层板间加入界面元, 模拟层间区域的情况, 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。通过对数值模拟结果与实验数据的比较, 验证了模型的合理性和有效性。同时探讨了不同位置、不同冲击能量以及含初始损伤(脱粘)等因素对复合材料加筋板低速冲击性能的影响。     

含脱粘损伤的复合材料加筋板压缩破坏渐进损伤数值分析

本文提出了基于连续损伤力学的复合材料层合加筋壁板渐进损伤分析模型。该模型采用界面单元模拟筋条和壁板之间的连接界面,连接界面和复合材料层板分别采用Quads准则和Hashin准则作为失效判据,基于内嵌连续损伤状态变量的材料刚度退化方案,采用非线性有限元方法,研究了复合材料加筋壁板在压缩载荷下的破坏过程,分析了结构相应失效模式的细观失效机理。数值分析结果与实验数据吻合较好,证明该方法的合理性和有效性,并详细探讨了界面单元关键参数和层板铺设角度对加筋壁板结构力学响应的影响规律,得到了一些富有价值的结论。     

三维编织复合材料弹性性能数值预测及细观应力分析

基于考虑纤维束面接触的细观结构模型, 引入周期性位移边界条件, 采用细观有限元方法建立了材料的弹性性能预报模型。模型数值结果与试件实测数据吻合较好, 证明了该模型的合理有效性。经详细分析单胞在典型工况载荷作用下的细观应力分布及变形, 表明模型体现了周期性相邻单胞表面力和位移的连续性, 能获得单胞更为合理的细观应力应变场。      

基于材料细观特性的TC4钛合金疲劳裂纹萌生寿命仿真

建立了TC4钛合金材料的疲劳裂纹萌生寿命的预测模型,并通过试验验证了此模型在预测TC4钛合金材料疲劳裂纹萌生寿命时的可行性.基于裂纹萌生的细观位错模型,采用Tanaka-Mura的开裂寿命公式,考虑了表面粗糙度,提出了分析TC4钛合金材料疲劳裂纹萌生的有限元模型,并通过实验验证仿真模型的有效性.结果 表明:模型裂纹萌生形式在不同载荷水平下存在差异,高应力水平状态下,模型除了主裂纹的萌生扩展还伴有大量独立微裂纹,裂纹密度大,而在低应力水平状态下,模型存在少量独立微裂纹,裂纹密度小.