复合材料层板低速冲击损伤有限元模拟

利用三维动态有限元模拟计算复合材料层板的低速冲击损伤的过程,采用了基体开裂判据和分层扩展判据,分类考虑不同的损伤形式,通过修正损伤铺层材料的常数来模拟层板损伤所造成的局部刚度下降对冲击过程的影响,讨论了接触定律在冲击损伤问题中的适用性,并结合实验结果给出适于严重冲击损伤层板的卸载定理,模拟计算结果得到的低速冲击后各界面的分层损伤面积与实验结果吻合较好。     

复合材料层板冰雹高速冲击损伤预测及失效分析

针对冰雹冲击对复合材料结构安全造成的潜在风险,提出了一种基于连续介质损伤力学的非线性有限元模型,研究了碳纤维复合材料层板冰雹高速冲击力学行为。综合采用拉格朗日法和光滑粒子流体动力学（SPH）法对冰雹进行建模,引入水的状态方程描述冰雹破碎后的流动特性;考虑应变率的单向复合材料本构模型,根据三维Hashin失效准则及材料刚度折减方案,进行复合材料层内损伤预测;引入界面单元结合双线性内聚力模型模拟层间分层现象;编写用户材料VUMAT子程序,实现基于ABAQUS/Explicit显式模块的数值求解。模拟了冰雹高速冲击复合材料层板的瞬态过程,分析了材料的损伤特性和失效机理。探讨了冰雹冲击速度、冲击角度对层板冲击损伤性能的影响,为复合材料结构冰雹冲击问题数值分析提供参考。      

复合材料低速冲击损伤分析方法

为了研究复合材料层间损伤,建立了一种新型零厚度界面单元模型,可以准确预测复合材料低速冲击与冲击后压缩过程中的分层损伤.模型包括本构关系建立、损伤准则和损伤演化引入,并在大型商用有限元软件ABAQUS用户单元子程序VUEL中实现.层内使用三维实体单元,采用三维Hashin准则作为纤维与基体损伤的判据,并在用户子程序VUSDFLD中实现.将该模型应用于国产碳纤维增强树脂基复合材料(CCF300/5428)低速冲击与冲击后压缩的模拟分析中.结果表明:此方法能够准确预测复合材料低速冲击与冲击后压缩过程中的损伤,为复合材料低速冲击损伤分析提供了一种有效的方法.     

低速冲击下复合材料加筋板的损伤阻抗性能

为确定冲击能量、几何尺寸对低速冲击下复合材料加筋板损伤阻抗性能的影响,对3组工型加筋板进行了试验和数值模拟研究。通过落锤式低速冲击试验,得到了试验件的接触历程、凹坑深度和分层面积等损伤特征。基于引入纤维断裂损伤的各向异性弹塑性理论建立了有限元(FE)模型,对试验件凹坑深度进行了模拟预测,模拟结果与试验结果吻合较好。研究表明,复合材料加筋板凹坑深度随冲击能量的变化曲线存在拐点,拐点后表面冲击部位出现纤维断裂。随着冲击能量的增大,试验件的最大接触力不断增大,而分层起始载荷及分层面积则变化不大。含1.5 mm深凹坑试验件对应的冲击能量和最大接触力随筋条或蒙皮厚度的增大而不断增大,而分层起始载荷仅随蒙皮厚度的增大而增大。      

复合材料开孔层板压缩渐进损伤分析

首先,针对纤维增强复合材料开孔层板进行了压缩试验,通过微距数显设备、电镜扫描和X光扫描设备检测了加载过程中的渐进损伤和试验件最终破坏模式,观测了损伤起始和45°与90°铺层间的分层现象. 其次,将复合材料开孔层板失效分为层内失效和层间失效,基于细观损伤力学MMF3理论和界面胶层单元方法建立了开孔压缩损伤跨尺度分析模型.最后,应用该模型对开孔压缩损伤起始、损伤扩展和层板破坏模式进行了预测,获得了纤维和基体损伤起始位置、分层产生位置及扩展过程、最终的分层和压入破坏等计算结果.计算结果与试验结果获得了较好的吻合,表明该计算模型适用于分析复合材料开孔压缩渐进损伤问题.      

复合材料蜂窝夹芯板低速冲击后的压缩

对含低速冲击损伤的Nomex蜂窝夹芯板试件进行了压缩实验,用X光技术、热揭层技术和外观检测等对压缩破坏损伤发展的过程进行了研究,分析了压缩破坏机理,结果表明:剩余压缩强度随冲击能量的增加而减少;夹芯板的压缩破坏主要由前面板控制,前面板发生局部屈曲的载荷与板的压缩破坏载荷几乎相等;表面玻璃布不仅能减少冲击损伤,而且能使板内的损伤显露在表面,容易让人发现.     

复合材料蜂窝夹芯板低速冲击后压缩强度估算

基于低速冲击后复合材料蜂窝夹芯板压缩破坏机理的实验研究,用当量分层来模拟Nomex蜂窝夹芯板的低速冲击损伤,假设当量分层区子层板的边界为固支,并且认为子层板失稳时夹芯板所承受的载荷为压缩破坏载荷.将计算结果与实验结果进行比较,表明了对面板无明显断裂的低速冲击损伤情况,用损伤当量法计算蜂窝夹芯板的剩余压缩强度是可行的.     

蜂窝夹芯叠层板的低速冲击损伤分析

建立复合材料蜂窝夹芯叠层板（以下简称蜂窝板）低速冲击损伤模型,应用动态有限元分析程序估算蜂窝板低速冲击损伤的发生和扩展,该程序采用２０节点等参元和弹簧元分别模拟面板和促使闪芯,该模型建立在面板的初始损伤准则（蔡－胡强度准则）和损伤扩展准则（Ｆ．Ｋ．Ｃｈａｎｇ的冲击分层损伤判据）以及本文提出的蜂窝夹芯的简化损伤准则的基础上,并进行了低速冲击损伤实验以验证模拟计算结果,比较表明预测结果与实验数据吻合较     

基体性能和铺层顺序对碳／环氧复合材料层板损伤的影响

本文对三种环氧树脂基体的碳纤维复合材料含中心圆孔层板的损伤历程进行了实验研究,每种材料分别选用了两种铺层形式;从材料性能的角度讨论了基体和作为一种工艺因素的铺层顺序对层板损伤的影响。     

低速冲击下碳/玻混杂复合材料红外辐射特征

碳/玻混杂复合材料在工业应用中表现出巨大的应用潜力。基于红外热像法试验研究了碳/玻混杂复合材料层压板与2种非混杂材料低速冲击下的红外辐射特征。通过目视、超声C扫描和光学显微镜等方法确定冲击后层压板的损伤模式,分析热图序列的时序变化特征和温度分布特征,从而表征冲击过程中的热耗散效应。结果表明：红外热成像技术非常适合监测低速冲击下纤维增强复合材料的损伤过程,通过热图序列可以建立起监测特征与各损伤模式之间的联系;同时发现碳/玻纤维的层间混杂可有效提升碳纤维强基复合材料（CFRP）的抗分层能力,随着冲击能量增加其抗分层能力愈加明显,冲击后的碳/玻混杂复合材料兼具较大的表面损伤和较小的分层损伤,拥有较好的损伤容限。     

二维织物增强层合板高速冲击后拉伸性能模拟

针对目前国内直升机结构上常用的两种二维织物增强复合材料层合板进行了高速冲击后的拉伸性能分析.根据层合板高速冲击的损伤,在大型商用有限元软件的基础上利用逐渐损伤累积方法建立了损伤后层合板的拉伸损伤扩展与破坏的有限元分析模型,并将其计算结果与经验公式进行了对比.结果表明,该模型结果与经验公式结果吻合,且能直观给出各铺层的损伤扩展过程和机理,对于分析受高速冲击后二维织物增强复合材料层合板的损伤容限性能有重要参考价值.      

复合材料层压板低速冲击行为及剩余拉伸强度

通过实验研究了复合材料层压板的低速冲击行为和剩余拉伸强度。首先,通过冲击实验研究了冲头类型和铺层形式对层压板冲击响应的影响,并通过凹坑深度、损伤投影面积、冲击力和冲击能量转化等对冲击损伤特性进行评估。其次,通过准静态拉伸实验调查了层压板的冲击后拉伸响应和剩余拉伸强度。最后,分析了冲头类型和铺层形式对层压板冲击行为和剩余拉伸强度的影响机理。结果表明:冲头类型对层压板冲击损伤的影响与冲击接触面投影面积和凹坑深度的函数关系密切相关;在较高的冲击能量下,条刃形冲头是造成损伤的关键冲击威胁,而立方角形冲头造成的损伤相对不严重;铺层形式对层压板的冲击损伤阻抗性能和拉伸断裂形貌有明显的影响。      

湿热环境中含脱层复合材料层合板的界面裂纹扩展

处于恶劣湿热环境中的复合材料层合结构,受湿热残余应变和残余应力的作用,易产生局部屈曲和分层扩展。考虑湿热效应和脱层间接触效应的影响,对含脱层复合材料中厚板的非线性屈曲和界面裂纹扩展行为进行了理论分析。基于可动边界变分原理,建立层合板在湿-热-力载荷作用下的总势能,并推导出非线性后屈曲控制方程和脱层扩展能量释放率。应用摄动法和Galerkin法求解控制方程,获得以面内压缩载荷-挠度曲线为特征的含脱层复合材料层合板的后屈曲路径。根据求得的后屈曲解及Griffith断裂准则,确定脱层扩展临界压力的理论解。通过开发MATLAB程序,综合讨论了脱层尺寸、湿热环境对脱层复合材料层合板屈曲和扩展载荷的影响。研究结果与ABAQUS有限元解和经典理论解进行比较,验证了理论分析的有效性。结果表明：湿热环境会显著降低脱层复合材料层合板的屈曲载荷和扩展载荷。此外,忽略复合材料层合板的横向剪切应变将导致对层合板承载能力的高估。     

厚截面层合板非同步固化的三维有限元分析

建立了描述厚截面复合材料固化压实过程的三维有限元模型并进行了模型有效性验证,计算了400层AS4/3501-6层合板在固化过程中的温度场、固化度、粘性、树脂体积含量和厚度压缩率情况.模型计算结果表明：在固化过程中,层合板的中间层会出现高于保温平台约49K的温度峰值;层合板沿厚度方向的温度和固化度的非同步现象明显;层合板的中部存在明显的局部温度过热和快速固化区域,该区域内的树脂粘性变化剧烈、树脂流动时间缩短,阻碍了该区域及层合板下部的多余树脂流入吸胶膜,并最终导致了固化结束后树脂的不均匀分布,靠近吸胶膜的上表面树脂体积含量约为41%,靠近模具的下表面约为46.5%;层合板的最终固化压实率在15.7%左右.     

含初始裂缝水泥混凝土路面对冲击荷载响应分析

冲击荷载对水泥混凝土路面的破坏与普通交通荷载有很大不同。采用数值模拟方法,探索了冲击荷载作用下面层具有不同初始裂缝长度和位置的水泥混凝土路面的动态响应特性。研究发现水泥混凝土路面最终扩展的裂缝长度和沉降随初始裂缝长度的增加而增大,随初始裂缝与荷载作用中心距离的增加而减小。当初始裂缝长度与面层厚度的比超过某一值时,水泥混凝土路面会产生贯穿性的裂缝。初始裂缝长度的不同主要影响的是面层以下约5倍水泥混凝土面层厚度范围内石灰土和黄土的压缩变形。初始裂缝长度和位置的不同对荷载作用中心1 m范围内水泥混凝土路面的沉降有较显著的影响。      

不同工艺成型复合材料加筋板轴压破坏机理分析

对受到边界约束的不同工艺成型复合材料加筋板进行了轴压试验和数值模拟,研究二次胶接和共固化工艺成型加筋板轴向压缩破坏机理。轴压试验中,通过应变计实时监测试验件局部屈曲,及时记录试验件初始声响载荷,通过断面观测分析结构破坏机理。基于ABAQUS软件建立有限元模型模拟结构后屈曲损伤渐进直至破坏过程。计算结果和试验结果相吻合,研究表明工艺对结构稳定性及承载能力没有显著影响,而加筋板构型影响较大。聚甲基丙烯酰亚胺(Polymethacrylimide,PMI)泡沫不影响结构失稳载荷及破坏载荷,但能延缓结构初始损伤的发生。二次胶接成型加筋板界面临近破坏才出现损伤,而共固化成型加筋板界面损伤出现较早且扩展缓慢,表现出更好的损伤阻抗特性。      

复合式离心泵汽蚀特性的数值模拟与试验分析

为研究某型航天离心泵汽蚀特性,基于Mixture多相流模型与汽蚀模型相结合对长短复合叶轮离心泵内乙二醇水溶液进行不同的进口负压下汽液两相定常数值模拟并进行不同进口压力下的汽蚀性能特性试验,结果表明汽化区域随进口负压的增大而扩大。当进口负压在-50kPa,泵进出口压差在155kPa,已经接近额定压差的3%限制范围,此时离心泵的出口压力105kPa为临界汽蚀出口压力;进口负压到-60kPa时,出口流量突变为300L/h,该泵产生临界汽蚀状态,小于技术要求的最小进口压力10kPa,因此该泵在其工作范围内不会发生汽蚀现象,并证得本文数值模拟的可靠性。