X-cor夹层结构剪切强度的有限元分析

利用有限元软件分析了X-cor夹层结构的剪切强度及失效机理,提出了失效判据和材料刚度退化规则,明确了X-cor夹层结构的失效过程和模式;根据失效判据,采用有限元模型中发生刚度退化的单元及其分布模拟失效类型及扩展路径,说明了X-cor夹层结构的剪切失效机理。结果表明:在剪切载荷下,树脂区首先失效,然后是Z-pin拔出面板、Z-pin被剪断及Z-pin屈曲多重失效模式并存;有限元分析结果与试验数值吻合较好,说明了失效判据和刚度退化规则选择的有效性。     

芯层高度对复合材料蜂窝夹层结构总体稳定性的影响

通过对压缩、剪切载荷作用下复合材料蜂窝夹层板的稳定性试验和采用工程算法及有限元法的稳定性计算,验证了有限元计算方法的准确性,讨论了芯层高度对薄面板复合材料蜂窝夹层板总体稳定性的影响。结果表明,增加蜂窝芯高度能显著提高薄面板复合材料蜂窝夹层板的屈曲载荷,但剩余承载能力随芯层高度增加而减小;并且单一增加芯层高度会导致屈曲载荷下面板应变增大,甚至超过许用值。     

蜂窝夹层结构拉脱破坏的有限元分析

采用有限元模拟方法分析了蜂窝夹层结构拉脱破坏的机理,并通过试验对其进行了验证。结果表明:使用Usdfld定义的失效模型能够准确地预测蜂窝夹层结构的失效过程;在加载过程中,对整个结构的失效起决定作用的是与灌封胶接触部位的蜂窝材料的剪切失效破坏,蜂窝芯材剪切失效破坏导致了材料的形变突增,最后影响周边的复合材料面板发生基体失效破坏,整个失效过程基本不发生纤维拉伸失效;模拟结果与试验结果比较吻合。     

复合材料梁腹板在弯剪复合载荷作用下的屈曲和后屈曲研究

针对复合材料腹板悬臂梁在弯剪复合载荷作用下的稳定性和破坏强度开展研究。通过试验获得腹板的屈曲载荷与结构破坏载荷,改进了基于试验数据确定屈曲载荷的方法。采用商用有限元软件Abaqus对试验进行数值模拟,研究复合材料梁腹板的屈曲和后屈曲特征,并通过USDFLD子程序实现对复合材料失效过程的模拟。研究表明,复合材料腹板具有典型的屈曲特征和较强的后屈曲承载能力,对其屈曲载荷、后屈曲历程和结构破坏载荷的模拟结果与试验实测结果吻合良好,对复合材料梁腹板损伤模式的模拟结果与结构实际破坏形貌相一致。     

复合材料壁板后屈曲分析失效准则的适用性研究

为了筛选用于复合材料加筋壁板后屈曲分析的失效准则,设计了具有较长后屈曲历程的L型加筋条试验件,并对其进行压损破坏试验,同时建立了考虑渐进损伤的有限元模型,计算得到了载荷-应变曲线,屈曲载荷和破坏载荷。计算结果和试验数据吻合良好,预测的失效模式也与试验结果一致,验证了建模方法的有效性。并在有限元分析中分别采用了五种不同的失效准则进行计算,得到了各失效准则对应的破坏载荷和失效模式,表明通过L型加筋条试验和分析结合,可以对各个失效准则的有效性进行验证,避免失效准则选取的随意性,从而为复合材料加筋壁板后屈曲设计分析提供指导。     

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.     

复合材料加筋板剪切屈曲特性研究

分别应用半经验工程算法和有限元软件MSC.Patran/Nastran对复合材料加筋板进行剪切稳定性计算,得到结构的失稳临界载荷;开展复合材料加筋板剪切稳定性试验,得到结构的屈曲形式、失稳载荷、破坏过程及破坏载荷。实验结果表明,复合材料加筋板的破坏形式主要表现为筋条的脱胶和蒙皮的破损,该型结构具有一定的后屈曲承载能力。研究表明,工程算法、有限元计算结果与试验所得局部屈曲载荷较吻合,说明工程算法和有限元模拟方法可以用来对该型结构的稳定性能进行分析,从而为该型结构的优化设计及工程应用提供分析参考。     

蜂窝芯体厚度对Nomex蜂窝夹层复合材料压缩性能的影响

以NRH-2-48芳纶纸为蜂窝芯体,碳纤维层合板为面板,制备了不同芯体厚度的Nomex蜂窝夹层复合材料,通过压缩试验研究了芯体厚度对复合材料压缩性能的影响,并探讨了芯体厚度与复合材料屈曲载荷和压缩破坏载荷的关系。结果表明:随芯体厚度的增加,复合材料的屈曲载荷和破坏载荷都相应增大,当复合材料的屈曲载荷与面板的破坏载荷相同时,蜂窝芯体厚度最佳。     

复合材料加筋壁板剪切破坏试验与后屈曲分析

针对复合材料加筋壁板在剪切载荷下的稳定性和承载特性,开展了破坏试验和后屈曲分析方法的研究。基于三维Hashin准则和平方应力准则作为复合材料层板和界面胶层的失效判据及刚度退化策略,建立了考虑渐进损伤的剪切破坏分析模型,利用编制的用户自定义UMAT子程序,实现了在ABAQUS中的应用和承载能力的求解。与试验结果相比,结构承载能力和应变状态数值分析与试验值吻合良好,预测的破坏模式也与试验结果一致,屈曲载荷和承载能力相对误差分别为5.4%和3.5%,验证了该建模分析方法的有效性。     

夹芯复合材料π型接头失效实验研究

针对夹芯复合材料π型接头的拉伸和侧弯承载能力以及连接需求,并充分考虑温度的影响,设计了复合材料π型胶结接头,对其在上述两种载荷工况下分别进行了常温、低温、高温干态三种环境试验。分析π型接头失效过程:三角填充区为夹芯复合材料π型接头最薄弱部位,容易发生破坏,并决定结构承载能力;拉伸载荷下夹芯复合材料π型接头承载能力明显高于侧弯载荷;夹芯复合材料π型接头对低温不敏感,对高温较为敏感。     

整体加筋壁板剪切试验件改进设计与试验验证

对整体加筋板试验件的结构形式和剪切试验的提前失效进行了阐述,通过有限元模拟分析其失效原因,进而对结构设计改进。基于有限元分析,试验验证结果表明,改进后的试验件发生剪切失稳后继续承载,直至破坏,失效模式正确;改进后的试验件破坏载荷是前期试验件的2.78倍,明显提高了结构的承载能力,说明剪切试验件角区细节设计至关重要。研究成果为整体加筋壁板剪切试验提供了设计思路和试验支持。     

受载复合材料曲板结构的失效特征研究

为研究飞机复合材料曲板的失效过程与失效模式,对一组复合材料弯角试验件进行了准静态拉伸试验.同时基于ABAQUS软件及其USDFLD子程序,考虑复合材料的渐进损伤特征,建立了受载曲板的有限元模型,分析弯角区的应力分布特征.研究发现：数值仿真能够较准确的模拟弯角结构的受载过程,模拟结果与试验结果吻合较好;结构受载过程中,在弯角区域发生分层破坏,随着载荷的增大,分层沿着周向和径向都有扩展;随着外加载荷的增大,弯角区域的最大法向应力的位置逐渐移向加载端.     

复合材料加筋板在剪切载荷下的屈曲特性研究

通过对复合材料薄壁加筋板结构进行剪切载荷下的屈曲试验研究,得到结构的屈曲模态、屈曲失稳载荷以及破坏形式,并通过有限元方法对结构的屈曲进行数值分析,分析得到的复合材料薄壁加筋板结构的屈曲模态和试验结果一致,屈曲载荷与试验结果吻合较好.试验还发现复合材料薄壁加筋板结构有较高的后屈曲承载能力,后屈曲过程中由于桁条脱胶会造成屈曲模态的变化.还分析了筋条的连续性对屈曲载荷的影响.     

铝合金搅拌摩擦焊接加筋板剪切稳定性能研究

对2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接加筋壁板的剪切稳定性能进行试验研究,得到该结构的剪切失稳形式及屈曲载荷、承载能力及破坏形式。应用有限元法对该焊接加筋壁板结构进行简化建模,对该结构的稳定性和承载能力进行计算,将计算结果与试验结果进行比较。试验及有限元计算结果表明,结构的剪切失稳形式表现为筋条间平板的局部屈曲;屈曲后结构进入张力场受力状态,破坏形式主要表现为平板的塑性变形和边缘撕裂、筋条的弯扭变形以及焊接区的局部脱焊;出现脱焊现象的试验件其承载能力较未出现脱焊现象的试验件下降7.7%;线性和非线性屈曲计算所得屈曲载荷分别比试验平均值高出18.4%和26.2%,而非线性计算所得承载能力比试验平均值高出5.7%,焊接引起的初始缺陷对结构承载能力的影响小于对屈曲载荷的影响;有限元分析得到的结构屈曲形式和失效形式与试验现象吻合,验证了有限元模型的合理性,但其仍需要进一步改进以考虑初始缺陷来减小计算误差。     

纯剪切状态下泡沫夹芯壁板非穿透损伤挖补强度研究

建立了含非穿透损伤复合材料泡沫夹芯结构壁板挖补维修的三维有限元模型。分析了有限元模型的收敛性,给出了合理的网格划分密度。对纯剪切状态下含非穿透损伤泡沫夹芯结构进行了应力分析,给出了完好结构和维修后结构面板各材料主方向应力分布。基于最大应力准则给出了完好结构和维修后结构的强度。分析结果表明,维修后的结构在纯剪切载荷作用下,初始损伤均发生在与泡沫芯接触的母板内部铺层,损伤模式为2方向压缩破坏,应力极值点位于母板内部铺层与外部铺层的边界上;表面贴补铺层数的增加会导致修补结构强度逐渐下降,原因是挖补区域的贴补铺层增大了局部刚度,使挖补区域应力水平上升。在理想修复状态下,纯剪切载荷下挖补后结构的强度恢复系数约为89.95%。维修区域材料不连续,导致应力集中,使维修后结构的强度相对于原始结构下降了约10%。     

蜂窝夹芯结构剪切性能参数工程化计算方法研究

由于结构减重的需求,近年来蜂窝夹层结构越来越多地应用到高速轨道列车中。为提高蜂窝夹芯结构设计中剪切性能的计算效率,本文进行了工程化的计算方法研究,给出了剪切平均屈曲应力处于弹性屈曲区、弹塑性屈曲过渡区和塑性屈曲区的剪切平均破坏应力,以及剪切模量的显式求解表达式,并给出了不同方向之间强度和刚度的减缩系数变化曲线。将上述方法计算值与试验值进行比较,误差基本保持在10%以内,验证了本文工程化计算方法的准确性。     

含分层复合材料层合板剪切稳定性数值模拟研究

对含单一分层的复合材料层合板在纯剪切情况下的稳定性进行了数值模拟研究,分析了分层损伤对于层合板稳定性的影响,并引入内聚力模型(Cohesive Zone Model,CZM),进一步分析了层合板后屈曲过程中的分层扩展行为。通过对不同尺寸的分层损伤的模拟分析,发现层合板的屈曲模式和屈曲临界载荷与分层直径密切相关。随着初始分层损伤区直径的增大,层合板屈曲临界载荷随之减小,且层合板屈曲模式由整体屈曲转变为混合屈曲模式。另外,在初始分层区直径达到一定大小后,层合板在后屈曲过程中会发生分层扩展破坏。     

含圆孔复合材料层合板在拉伸载荷下的破坏机理

综合考虑了基体开裂、基纤剪切、分层及纤维断裂等四种复合材料层合板的主要破坏模式,同时在通用有限元分析软件ANSYS基础上进行二次开发,编制了参数化的分析模拟程序,应用此三维逐渐累积损伤理论和有限元模拟方法,对两种不同铺层参数的含圆孔复合材料层合板在拉伸载荷作用下的逐渐破坏过程进行了分析。结果表明:该程序可以预测任意材料体系和任意铺层参数的层合板在拉伸载荷作用下的逐渐损伤破坏过程及最终失效载荷;与参考文献中的试验结果比较发现,该方法的预测精度较高,验证了其正确性。     

航空复合材料-金属连接结构的拉伸性能及其渐进损伤

利用有限元软件建立了某型飞机复合材料-金属连接结构件模型,以改进的Camanho损伤退化模型作为失效判定准则,模拟了该连接结构件的拉伸性能和损伤累积过程并进行了试验验证。结果表明:在加装防弯夹具后,复合材料-金属连接结构件的拉伸试验结果更加准确,拉伸破坏模式由拉脱破坏变为挤压破坏;在较小的拉伸载荷下,其应变随载荷的增加呈线性增大,在金属上的应变明显大于复合材料层合板上的;损伤从复合材料和金属连接螺栓处产生,随载荷的增大逐渐累积并沿螺栓挤压方向扩展;模拟得到的最终破坏载荷为90kN,与试验值的相对误差仅为6.5%,证明了模拟结果的准确性。     

多墙翼面结构后屈曲强度试验和数值研究

采用静态试验和有限元分析相结合的方法研究了复合材料中厚蒙皮多墙翼面结构的后屈曲性态、强度和破坏过程。有限元分析取得的载荷-位移曲线和试验结果的一致性说明了有限元模型的正确性。在此模型基础上,采用非线性弧长法追踪外载-位移路径,研究了盒段在压缩和集中力两种不同载荷下的后屈曲行为。给出了屈曲临界载荷和屈曲变形性态,分析了后屈曲强度和破坏过程。