各向异性复合材料开孔板拉伸强度预测及模型验证

基于有限断裂力学方法建立了一种预测多向复合材料开孔板拉伸强度的通用和半经验模型。该模型同时采用基于应力形式的失效准则和基于能量形式的失效准则预测失效。模型仅需铺层弹性常数、无缺口层合板的强度以及0°铺层的断裂韧性等参数。基于线弹性断裂力学建立了多向复合材料层合板的断裂韧性与0°铺层断裂韧性之间的关系, 进而预测了任意铺层复合材料开孔板发生纤维主导拉伸失效时的强度。将模型预测结果与开孔板拉伸强度的试验数据进行了对比验证, 预测误差最大为9.7%, 与点应力和平均应力等方法的对比表明, 该模型的预测精度高于传统的特征长度方法。      

有限宽度和椭圆孔形状对缺口层合板强度预测的影响

本文采用有限元方法对正交各向异性材料含有不同椭圆孔形状的有限宽度板作了分析,给出了有限宽度和椭圆孔形状对应力集中因子K₁和孔边应力分布σ_y(x,0)的影响公式。数值结果表明:正交各向异性板的有限宽度和椭圆孔形状对K_r和σ_y(x,0)的影响均与各向同性材料不同,所以有限宽度和椭圆孔形状将对缺口层合板强度的预测产生影响。      

无限板内椭圆孔周的应力分析

应用复变函数的方法，对于含有椭圆孔的各向异性板或各向同性板，导出了当椭圆孔周作用任意集中力或分布力时孔周周向应力的解析表达式；其特例与前人结果一致．     

含椭圆孔压电材料的电弹场

采用复变函数的方法,研究了含椭圆孔的压电材料在无限远处受力电荷载作用的平面问题。与已有文献不同,通过求解10元一次方程,得到了满足可导通和不可导通电边界条件,孔内和压电材料体内电弹场的通解。以PZT一4压电陶瓷为例,给出了孔内的电场、压电材料体内电弹场沿孔边和坐标轴向的分布情况。得出了以下新的结论:含椭圆孔压电材料的电弹场与边界条件、力电荷载的方向、椭圆孔的形状有关,但在水平方向的拉伸载荷和电位移的作用下,椭圆孔的形状对长半轴处的环向电位移和正应力的最大值没有影响。     

同时起爆单排炮孔等效均布荷载的计算方法

针对钻孔爆破数值模拟过程中爆破荷载的计算与施加问题,对单排同时起爆炮孔的等效均布荷载计算方法进行了研究。通过理论分析和文献对比,发现许红涛提出的等效均布荷载计算方法存在理论错误。为此,通过对圆孔壁上的径向均布压力的分解与合成,推导了2个相邻炮孔远区介质中垂直于炮孔连线方向的均布应力的计算公式。通过建立脉冲荷载分别作用于含炮孔和无炮孔的长柱有限元模型,对计算模型与许红涛计算模型进行了对比。对比结果表明：当在含炮孔模型的每个炮孔壁上施加峰值为4280 MPa的均布脉冲载荷时,模拟得到炮孔远区指定单元中径向荷载峰值约为120 MPa;当在无炮孔模型平整端面上施加等效均布荷载时,采用计算方法施加的等效均布荷载峰值为111 MPa,模拟得到指定单元中径向荷载峰值约为110 MPa;采用许洪涛计算方法施加的均布载荷峰值为729 MPa,指定单元中径向荷载峰值约为725 MPa。用许红涛模型模拟得到的测点应力峰值是正确解的6倍左右,而用本文模型得到值略低于正确解10%左右。因此,本文提出的炮孔等效均布荷载模型具有更高的计算精度,可用于炮孔远区复杂爆破荷载的近似计算。     

宽孔距小抵抗线多排孔微差爆破技术

宜春钽铌矿露天深孔爆破以4．5m*1.8m的宽孔距,小抵抗线的孔网参数取代原来的2．0m＊2.2m的孔网参数,进行多排孔微差爆破,取得了明显的经济效益。     

含有任意多个椭圆孔复合材料层合板的应力场计算

本文应用各向异性弹性力学的复变函数理论,用多保角变换的方法,导出了含有任意多个任意位置椭圆孔的各向异性复合材料板的多复变量应力函数表达式,然后在单位圆周上进行复Fourier级数展开,用待定系数法确定应力函数的未知系数,从而计算弹性板的应力场.编制了相应的多工况运行的FORTRAN77标准化程序,进行了考题和算例分析,给出了级数的收敛状况和孔边周向应力的分布图.      

开孔板连接件抗剪承载力试验研究

为建立组合结构桥梁使用的开孔板连接件抗剪承载力计算方法,对连接件的推出式和插入式两种抗剪试验方式进行比较;并以开孔孔径、混凝土抗压强度、孔中有无钢筋、孔中钢筋直径及屈服强度、开孔板厚度及高度、混凝土块厚度等为变化参数,进行了66个开孔板连接件模型试件的抗剪承载性能试验;基于国内外168个模型试验提出了开孔板连接件抗剪承载力的计算式。研究结果表明:该计算式包含孔中混凝土作用和孔中钢筋及其对混凝土约束的作用,物理意义明确;可适用于孔中钢筋有无、孔径35mm~90mm、混凝土强度等级C20~C70、孔中钢筋直径10mm~25mm及屈服强度295MPa~480MPa的开孔板连接件,适用范围较广。     

平行双自由面岩体爆破炮孔堵塞效应研究

为研究平行双自由面岩体炮孔堵塞效应,借助动量定理推导出炮孔堵塞长度范围计算公式;利用有限元软件LS-DYNA,采用ALE多物质算法,建立4 m深的四孔无限岩体模型。通过分析自由面附近单元应力峰值和岩体应力分布规律,得到:炸药长度为2.4 m的无堵塞炮孔爆破效果最优;1.2 m炸药长度的炮孔模型中,单向堵塞和非对称堵塞爆破对岩体的应力分布规律无影响,但岩体自由面附近单元的应力峰值增大,作用时间加长;双向对称堵塞的最佳堵塞长度为1.0~1.2 m。对比不同参数下的工程爆破效果,采用数值模拟结果的工程爆效最优,证明了数值模拟结果的正确性。     

销孔螺栓断裂分析

销孔螺栓在服役期限内发生断裂。借助扫描电子显微镜对断口形貌及显微组织进行观察分析。结果表明,由于销孔螺栓的热处理工艺不当,使其显微组织成为珠光体＋沿晶界分布的网状铁素体及魏氏体组织,造成晶界弱化,使得销孔螺栓强度降低,在应力的作用下发生疲劳断裂。     

瓦楞纸箱提手孔形状对抗压强度的影响

对同一规格、不同手孔形状的重型装饰灯具外包装瓦楞纸箱的抗压强度进行了试验,以探讨提手孔形状对纸箱抗压强度的影响。在提手孔形状满足舒适度的前提下,对5 种形状的提手孔进行了试验。试验结果表明,针对瓦楞纸箱抗压强度损失而言,弧形提手孔强度损失最少,梯形提手孔最大,跑道形、山形和半圆形提手孔对纸箱抗压强度的影响程度相差不大。     

含孔复合材料点阵夹层结构数值计算方法及其影响因素

针对含孔复合材料点阵夹层结构在面内压缩载荷作用下的失效模式及其影响因素问题,通过实验对含孔复合材料点阵夹层结构失效模式进行了研究;基于3D Hashin准则和Chang-Chang刚度退化准则建立了含孔复合材料点阵夹层结构有限元渐进损伤失效分析模型,并将计算结果与实验结果进行了对比;基于有限元分析方法探讨了开孔形状、开孔率以及开孔位置对其极限承载力的影响。结果表明:当点阵夹层结构面板厚度较大时,含孔复合材料点阵夹层结构的主要失效模式为面板圧溃;通过对比有限元计算结果和实验结果,极限承载力的最大误差约为12%,失效位置与实验结果一致;当点阵夹层结构的对称面与载荷方向平行且孔的中心在对称面上时,面内压缩强度与开孔位置无关,主要受到开孔形状和开孔率的影响;当点阵夹层结构对称面与载荷方向垂直且孔的中心在对称面上时,边距大于一个胞元,面内压缩强度基本不变,边距小于一个胞元,面内压缩强度下降。     

远场载荷下含椭圆孔热电薄板的热电力耦合解析解

该文研究了含椭圆孔的无限热电薄板在均匀电流和均匀总能量通量作用下的二维热电力耦合问题。采用复变函数法和保角映射技术,推导了电流密度和能量通量的解析解,并将椭圆孔退化为圆孔后的理论结果与均匀材料带圆孔的结果进行对比,进而验证了该文理论推导的正确性。通过已建立的二维热应力问题的复变函数方法,求解了绝缘椭圆孔干扰均匀热流引起的热应力并进行了数值分析。结果表明:在椭圆孔口轴端处出现电流密度和能量通量集中现象,当加载电流方向与长轴方向平行时,电流密度和能量通量随着椭圆孔口轴比的增大而减小;当加载电流方向与椭圆孔长轴方向不平行时,电流密度和能量通量随着椭圆孔口轴比的增大而增大,并且随着电流加载方向与椭圆孔长轴方向的夹角的增大而增大。由均匀热流引起的热应力也在椭圆孔口轴端出现应力集中现象,且随着椭圆孔口轴比以及电流加载方向与椭圆孔长轴方向的夹角的增大而增大。     

不同材料及荷载下含椭圆和圆孔树脂基复合材料板孔边应力场比较

针对实际工程中常见的含圆孔和椭圆孔的树脂基复合材料板,建立基于Mathematica的计算模型,对带有圆形和椭圆孔的复合材料板,在不同荷载作用下进行计算,对两种孔形应力分布作比较。而且以两种不同材料含孔板为例,对不同荷载作用下的孔边应力进行计算,并对材料对孔边应力场的影响作较为全面的比较。为在实际工程中对孔形、材料以及所受外荷载进行合理选择提供理论依据。     

Transverse shear stress distribution through thickness near an internal part-through elliptical hole in a stretched plate

A semi-analytical post-processing method, termed the equilibrium/compatibility method here, is used for computation of hitherto unavailable through-thickness variation of transverse shear stresses in the vicinity of the circumferential re-entrant corner line of an internal part-through elliptical cylindrical hole weakening an edge-loaded rectangular plate. A C⁰-type triangular “composite” plate element, based on the assumptions of transverse inextensibility and piece (“layer”)-wise constant shear-angle theory (LCST), is employed to first compute the inplane stresses and “layer”-wise through-thickness average transverse shear stresses. These serve as the starting point for computation of through-thickness distribution of transverse shear stresses in the vicinity of the circumferential re-entrant corner line of the internal part-through elliptical hole. As in the case of its circular counterpart, the transverse shear stresses computed by the conventional equilibrium method (EM) are, in contrast, in serious error in the presence of the circumferential re-entrant corner line singularity arising out of the internal part-through elliptical hole, and are found to violate the compatibility condition. The computed maximum transverse shear stress can be high enough to cause catastrophic transverse shear fracture in the shape of a cone, of elliptical cross-section starting from the circumferential re-entrant corner line of the internal part-through hole. The results computed by the present analysis are in line with a three-dimensional asymptotic analysis.     

Mechanical properties and micro-fracture behaviors of flat braided composites with a circular hole

In this study, attention is paid to braided fabrics as the form of reinforcing fiber in composite materials and the influence of a circular hole on the mechanical properties of a flat braided composite is investigated. Two types of specimens were prepared: a flat braided bar with a braided hole which fiber bundle continuously oriented around the hole and with a machined hole. From the results of static tensile test, the strength of the flat bar with a braided hole was higher than that of the one with the machined hole. Furthermore, difference of damage propagation in the two types of flat braided composites with a circular hole was confirmed by micro-damage observation and factors that caused initial micro-fracture obtained by experiments were identified by numerical approaches.     

Impact of Nd-YAG laser drilled holes on the strength and stiffness of laminar flow carbon fibre reinforced composite panels

The effect of Nd-YAG laser drilled holes on the strength and stiffness of carbon fibre epoxy composite panels has been investigated. The holes, approximately 50 μm in diameter and 500 μm apart, are required to produce a porous skin for a Hybrid Laminar Flow application on an aircraft. Scanning Electron Microscope inspection indicated resin damage around the holes due to the heat of the laser. The damage area was elliptical in shape and measured approximately one hole diameter on either side of the drilled hole in unidirectional carbon fibre panels. The perforations reduced the static strength between 2 and 54% compared to non-drilled specimens, depending on the material type (unidirectional or weave), drilling method (single or multi-pulse) and hole pattern.     

开孔形式影响装配式耗能支撑滞回性能研究

装配式H型钢腹板开孔耗能支撑是由腹板开孔H型钢和传力槽钢通过螺栓连接组成的新型耗能支撑,可有效避免支撑构件失稳。为了研究腹板开孔形状对这种支撑的耗能性能的影响,进行了装配式耗能支撑试件低周往复加载试验,并采用有限元软件进行了模拟计算。试验结果表明:装配式H型钢腹板开孔耗能支撑滞回曲线饱满,耗能能力强,变形能力好。在轴向荷载作用下,试件主要依靠开孔腹板孔间板件进入塑性变形耗能阶段,腹板开长圆孔的试件与腹板开椭圆孔的试件孔间板件端部为薄弱部位,腹板开菱形孔的试件孔间板件中间部位为薄弱部位,加载过程中这些部位首先进入塑性变形阶段并最先发生断裂。加载过程中螺栓与槽钢始终处于弹性变形状态。有限元分析表明:改变腹板宽度对于腹板开长圆孔的耗能支撑的承载能力与初始刚度影响最大,对于腹板开椭圆孔的耗能支撑影响最小;改变孔间板件宽度对于腹板开菱形孔的耗能支撑影响较小。改变腹板厚度对于三种腹板开孔形式耗能支撑的承载力与初始刚度影响相近。当试件主体过早失稳,可通过增大高宽比、减小腹板厚度或选用翼缘更大的槽钢来避免。耗能板件螺栓连接部位安全可靠,未见变形或破坏,布置螺栓时孔距不应超过4.5d₀。     

分层对复合材料机械连接结构承载能力的影响

针对含孔边分层复合材料沉头螺栓连接结构,通过挤压试验及有限元仿真,研究了孔边分层对复合材料连接结构力学性能的影响。通过连接孔的挤压试验,得到了不同类型试验件的承载能力与破坏模式。有限元仿真中,基于ABAQUS有限元分析软件建立了复合材料机械连接的三维有限元模型,进行复合材料渐进失效损伤模拟,并采用内聚力单元来模拟预制分层。有限元计算得到载荷-位移曲线和变形模式与试验吻合较好,从而验证了有限元模型的有效性。在此基础上,分析了含孔边分层的复合材料机械连接结构的破坏机制,并研究了分层位置、分层面积大小和分层形状对该结构承载能力的影响。研究表明：复合材料的破坏始于沉头孔中的直孔区域,且当预制分层位于直孔区域时,结构的承载能力最低;分层形状为圆形和正方形时,会严重影响结构的承载能力,分层形状为椭圆形时,对承载能力影响较低。无论分层形状如何变化,分层总是从受挤压的一侧开始,以半圆弧的形状向受挤压方向进行扩展。