单螺栓修复对含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力的影响

开展了单钉修复对含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力影响的试验研究。测试了三种不同能量冲击后碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的压缩承载能力及失效模式,测定了单螺栓对碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力的修复效率,并借助数字图像相关技术(DIC)表征手段揭示了单螺栓修复对含冲击损伤结构失效行为的影响。结果表明:冲击后碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的压缩承载能力随着冲击能量的增加而降低,冲击损伤破坏了碳纤维/环氧树脂复合材料层合板结构的对称性,并导致结构在加载初期呈非对称的局部屈曲变形特征,局部屈曲诱发并加剧分层损伤扩展;单螺栓修复能有效恢复结构的整体对称性,在一定程度上抑制含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的局部屈曲,达到可观的修复效率。该研究为复合材料紧固件修理方案的制订及修理损伤容限的定义提供一定的指导意义。      

外突褶皱及其打磨处理对层合板压缩失效行为影响

评估打磨处理对含外突褶皱结构承载能力的影响，是开展复合材料制造质量评定与制定装配策略的重要依据。本文采用实验与数值模拟相结合的方法研究了外突褶皱及打磨处理对层合板压缩失效行为的影响。实验方面，借助数字图像DIC技术监测加载过程表面应变分布，采用电子显微相机捕捉损伤过程，分析试样的压缩承载行为和破坏模式。数值模拟方面，采用Hashin失效准则与内聚力方法构建高保真度含褶皱层合板层内/层间失效分析有限元模型，探讨含外突褶皱及打磨褶皱层合板的应力分布特征及失效机制并分析褶皱高度对层合板压缩强度影响。结果表明：外突褶皱降低层合板压缩承载能力，而打磨处理会进一步降低层合板的承载能力与刚度。本文所建立的数值模型与实验结果吻合较好。对于外突褶皱层合板，层合板向褶皱凸起一侧屈曲，褶皱上方发生分层损伤并向端部扩展，纤维损伤从褶皱下侧铺层波谷处向其他层扩展；对于打磨褶皱层合板，主层板向褶皱凸起的相反方向屈曲，首先在打磨断层处发生面外拱起分层损伤，随后褶皱上方纤维层发生拱起断裂，纤维损伤向其他层扩展。随外突褶皱高度的增加，含褶皱层合板及打磨褶皱层合板的压缩失效载荷均显著降低。以上研究可为含外突褶皱复合材料结...     

复合材料层板开孔压缩损伤分析

针对纤维增强复合材料层板开孔压缩, 将复合材料层板的失效分为层内失效和层间失效, 建立了复合材料层板开孔压缩损伤分析模型。该模型基于逐渐损伤分析, 对不同复合材料开孔层板进行了失效预测, 并与文献中试验结果进行了对比, 破坏强度和失效模式均与文献试验结果非常吻合。结果表明, 本文中所建立的层板开孔压缩损伤分析模型能够模拟含孔层合板压缩过程中的损伤起始、损伤扩展和最终破坏, 并最终预测含孔层合板压缩失效模式和破坏强度。     

褶皱缺陷影响L型层合板失效行为:实验和数值研究

通过实验和数值分析相结合的方法开展了褶皱缺陷对L型复合材料层合板承载能力和失效过程影响的研究。实验方面,通过“横条法”人为引入褶皱缺陷,制备了含两种缺陷大小的L型层合板,研究了其在弯曲载荷作用下的承载能力和损伤扩展形式,并与无缺陷L型层合板进行对比分析。数值分析方面,基于3D Hashin失效准则的渐进损伤失效模型, 研究其失效过程中应力分布特征和失效模式,探求褶皱缺陷对L型层合板失效行为的影响机制。实验结果表明,褶皱缺陷会显著降低曲梁的承载能力,并使分层损伤演化的空间扩展特征从无褶皱试样的逐层扩展转变为褶皱区域的聚集式扩展。数值预测与实验现象吻合,并共同表明褶皱处横向应力和面法线应力的集中是导致结构提前失效的主导因素,且褶皱区域的应力集中改变了损伤过程中应力逐层重分配的趋势,导致含褶皱试样呈现出聚集式扩展的破坏特征。该工作可扩展应用于含褶皱缺陷L型层合板的安全性能评估及损伤容限设计。      

纤维桥联效应下复合材料层合板的屈曲及分层扩展模拟

纤维增强复合材料层合板由于层间力学性能弱,容易出现分层损伤。分层的扩展往往伴随着纤维桥联效应,纤维桥联能显著增大层合板尤其是多向层合板分层扩展的阻力。考虑纤维桥联效应的三线性内聚力模型能表征分层扩展实验中断裂韧性的“R曲线”特征,比传统的双线性模型能更为准确地描述复合材料的分层扩展行为。本论文基于三线性内聚力模型,对含圆形分层复合材料层合板的轴向压缩进行数值模拟,探讨纤维桥联效应对分层扩展及后屈曲行为的影响规律。研究结果发现,纤维桥联对层合板的屈曲载荷影响较小;混合屈曲模式下,三线性模型预测的上下子板相对法向位移明显低于双线性模型;相同分层深度下,三线性模型预测的层合板后屈曲更早转变为整体屈曲模式。随着分层深度的增加,层合板的屈曲模式由局部屈曲逐步过渡为混合屈曲和整体屈曲;当分层深度较浅时,Ⅰ型分层扩展占主导;随着分层深度的增加,Ⅰ型分层逐渐减弱,而Ⅱ型和Ⅲ型分层扩展则显著增强;当分层接近板中面时,Ⅰ型分层停止扩展,以Ⅱ型及Ⅲ型分层为主。     

复合材料层板开孔拉伸损伤分析

针对纤维增强复合材料层板开孔拉伸, 将复合材料层板的失效分为层内失效和层间失效, 建立了复合材料层板开孔拉伸损伤分析模型。该模型基于逐渐损伤分析, 对不同复合材料开孔层板进行了失效预测, 并与文献试验结果进行了对比, 破坏强度和失效模式均与文献试验结果非常吻合。结果表明本文中所建立的层板开孔拉伸损伤分析模型能够模拟含孔层合板拉伸过程中的损伤起始、 损伤扩展和最终破坏模式, 并最终预测含孔层合板拉伸失效模式和破坏强度。      

层合板螺栓连接的渐进失效分析

以三维渐进损伤理论为基础,采用ANSYS的二次开发语言,建立了复合材料层合板螺栓连接模型,在拉伸栽荷下对含孔复合材料板进行数值失效模拟计算．分析各铺层的失效过程和失效形式特点,得到层合板的初始失效栽荷和最终失效栽荷,为复合材料含孔板强化结构的研究提供一定参考．     

碳纤维编织复合材料层合板抗侵彻性能研究

通过弹道冲击实验开展了碳纤维编织复合材料层合板的抗侵彻性能研究，进行了动态响应分析和损伤模式分析。建立了基于Hashin失效和Yeh分层失效准则的渐进损伤模型，运用ABAQUS有限元软件模拟了碳纤维编织复合材料层合板的侵彻失效过程，采用Lambert-Jonas公式拟合了柱状弹侵彻层合板弹道极限曲线，对比分析了碳纤维编织复合材料层合板侵彻实验与数值模拟的弹道极限速度及损伤形貌。结果表明，层合板侵彻损伤模式主要为分层、纤维断裂和基体开裂失效，弹道极限速度数值模拟结果与实验结果吻合较好。     

低速冲击后复合材料层合板的压缩破坏行为

对缝纫层合板和无缝纫层合板进行低速冲击后压缩破坏实验,以研究低速冲击后层合板的压缩破坏机理。采用C扫描、X射线、热揭层等技术对层合板内的损伤进行测量和对比。结果表明,界面不是很强的碳纤维增强复合材料层合板低速冲击后受压时,层合板非冲击面的子层屈曲及其扩展是导致层合板冲击后压缩强度下降的重要因素,而且子层屈曲主要是沿垂直载荷的方向(90°)扩展;对于准各向同性板,屈曲子层中与母层相邻的铺层的方向一般为90°。层合板的剩余压缩强度与板的冲击损伤面积无直接关系。      

含缺陷的复合材料层合板低速冲击过程的有限元模拟

用自编的动态有限元分析程序APIC 对含缺陷的复合材料层合板的冲击损伤问题进行了模拟计算。该程序采用三维20 节点超单元分析了复合材料层合板内的应力分布, 通过修正后的C. T. Sun 的接触定律建立了冲击物和层合板的运动状态与冲击接触力之间的关系, 采用Wilson-θ法求解层合板和冲击物的运动微分方程。在处理层间分层缺陷问题时, 采用拉格朗日乘子法使预制分层缺陷界面上满足不可互相贯穿条件。对本文中的计算结果和试验结果进行比较表明: 模拟计算结果与试验结果有良好的一致性。相对于无缺陷层合板, 含预制分层缺陷的复合材料层合板在分层部位遭受冲击时, 分层缺陷对冲击损伤扩展有一定的抑制作用。      

含分层损伤缝合复合材料层板的剩余压缩强度

基于渐进损伤方法,研究了含单脱层缝合复合材料层板在压缩载荷下的剩余强度。通过商用软件ABAQUS建立了含单脱层缝合复合材料层板剩余压缩强度计算模型,考虑了子层屈曲和分层扩展对剩余强度的影响。通过UMAT子程序实现了层板失效、层间失效和缝线失效的模拟。通过嵌入式杆单元结构模拟了缝线桥联作用及失效。采用Hashin准则及刚度折减法对纤维拉压、基体拉压失效进行了模拟。通过渐进损伤分析,揭示了缝合情况下含单脱层复合材料层板的失效机理,讨论了缝合参数对剩余压缩强度的影响。所预测的破坏模式和剩余强度结果与实验能较好地吻合。分析表明缝合可以明显提高含分层损伤复合材料层板的子层屈曲载荷,抑制分层扩展,并提高层板的剩余压缩强度。     

复合材料开孔层板压缩渐进损伤试验

为研究碳纤维增强树脂基复合材料开孔层板在压缩加载过程中的损伤起始、演化方式和损伤特点,采用微距拍摄、逐级加载超声C扫描、X光扫描和扫描电子显微镜观测4种观测手段对国产CCF300/5228A[45/0/-45/90]4s、[452/02/-452/902]2s、[454/04/-454/904]s3种铺层方式的开孔层板进行了压缩试验研究。对压缩载荷作用下开孔层板的损伤起始和损伤演化进行了观察和对比。对试验中观测到的纤维微屈曲、纤维挤出、孔边开裂和分层扩展等现象之间的关系进行了分析和说明。试验结果表明:压缩载荷下45°和90°铺层相邻位置为层板易分层位置,含45°和90°铺层相邻位置的开孔层板渐进损伤过程较为明显:开孔层板在压缩载荷下较早出现损伤,损伤的起始和演化缓解了孔边应力集中,促使压缩应变能在孔边逐步释放,推迟开孔层板压缩破坏的发生,提高层板压缩承载能力。研究结果可为材料结构损伤容限设计提供依据。     

考虑多尺度界面力学特性的损伤复合材料层合板分岔屈曲性能的等代化

提出了一种等效理论来分析含损伤碳纤维增强树脂T300/QY8911复合材料层合板的分层屈曲。针对含贯穿脱层层合板产生面外弯曲后的受力特点,引入损伤界面的接触效应,根据精确模型所给出的多尺度变形失效机制,提出了一个基于刚度等效理论来分析损伤层合板结构失效的力学性能。通过将含脱层的区域等效成一个几何形状和铺设方式完全一致,但刚度相应折减的完善子板,运用三分区模型,根据板壳理论、复合材料力学等基本原理建立各子板的屈曲控制方程,同时结合边界条件和连续性条件求解。算例分析表明,本文所得的屈曲荷载与考虑接触效应精确模型所得的解析解及ABAQUS有限元结果高度吻合。该研究方法充分考虑了脱层带来的刚度降低以及由于分层界面处非线性抗穿透约束的影响,不仅大大简化了繁琐的推导过程和节省了计算量,而且揭示了深层次的力学机制,更为主要的是,该方法可以有效推广到含多分层损伤层合板的非线性力学性能的评估,为航空航天先进复合材料的结构设计和力学分析提供有力的技术支持。      

碳纤维复合材料层合板低速冲击损伤应力分析

目的 为掌握碳纤维复合材料板在低速冲击载荷作用下的损伤规律,延缓失效破坏,对其冲击损伤的应力状态进行研究。方法 基于ABAQUS平台,建立碳纤维复合材料层合板低速冲击有限元模型,采用Hashin失效准则和VUMAT用户子程序,对碳纤维复合材料层合板的冲击过程进行数值模拟,同时考虑层合板层内与层间失效,以此来研究低速冲击条件下复合材料的损伤机理,分析冲击损伤过程中的应力变化趋势,讨论应力的分布状态。重点研究铺层角度及铺层距离冲头远近对应力的影响。结果 不同角度铺层的应力传播轨迹均沿着纤维方向和垂直于纤维方向同时扩展,应力均先增加至极限值而后迅速下降;铺层角度越大,板料的承载能力越弱,0°铺层的极限应力为1 432 MPa,而90°铺层的极限应力降至1 206 MPa;离冲头越远的铺层应力越小,达到峰值的时间更早且率先下降,说明远离冲头的铺层更早发生失效。结论 揭示了碳纤维层合板在低速冲击载荷作用下的应力状态及其对损伤的影响规律,能够为复合材料层合板零件设计提供参考。     

复合材料层合板剪切稳定性试验及强度预测

对无损伤及含冲击损伤的复合材料层合板进行了剪切稳定性试验,基于数字图像相关方法 (Digital image correlation,DIC)对层合板屈曲后屈曲行为进行了实时测量。试验结果表明：引入冲击损伤后,复合材料层合板剪切屈曲波形、屈曲载荷无明显变化,失效模式转变,承载能力下降了9.69%。随后,基于断裂面失效理论,建立了考虑剪切非线性效应的复合材料渐进损伤失效模型,并对复合材料层合板剪切失效过程进行了模拟。模型采用软化夹杂法将冲击损伤等效简化,直接将损伤区的几何边界信息写入材料模型中,不需要对冲击损伤区进行切割,从而保证了整体网格质量。与试验结果对比发现：模型考虑剪切非线性对屈曲载荷预测无明显影响,对后屈曲承载能力的预测精度影响较大,不考虑剪切非线性效应时的误差可达20%以上;软化夹杂法可以有效地模拟冲击损伤,预测的含冲击损伤的复合材料层合板的屈曲载荷、破坏载荷误差分别为-3.17%、-1.27%。     

具有分层损伤复合材料加筋与无加筋层合板热-机械力屈曲性态

基于复合材料一维剪切理论——Mindlin 理论, 给出了材料性质与温度有关的含分层损伤复合材料加筋和无加筋层合板的线性和非线性热-机械力耦合情况下的屈曲问题有限元分析方法, 并研究了含分层损伤的加筋和无加筋层合板的两种不同类型的热- 机械力屈曲问题。通过典型算例分析, 讨论了热-机械力耦合效应和分层大小对含分层损伤结构的屈曲性态的影响关系。     

含分层损伤复合材料加筋层合板的动承载能力

采用有限元方法研究了含穿透分层损伤复合材料加筋层合板的动力响应和承载能力。根据复合材料层合板一阶剪切理论, 推导了复合材料层合板单元的刚度阵和质量阵列式;同时采用Adams 应变能法与Rayleigh阻尼模型相结合的方法, 构造了相应的阻尼阵列式;为了防止在低阶模态中分层处出现的上、下子板不合理的嵌入现象, 建立了含分层损伤复合材料加筋层合板动力分析中分层分析模型和虚拟界面联接模型。并采用Tsai提出的刚度退化准则和动力响应分析的精细积分法, 对在动荷载作用下含分层损伤复合材料加筋层合板结构进行了破坏和承载能力分析。通过典型算例分析, 分别讨论了外载频率、分层深度、筋的位置以及破坏过程中刚度退化对含损伤复合材料加筋层合板动力响应特征和承载能力的影响, 得到了一些具有理论和工程价值的结论。     

动荷载作用下含损伤复合材料层合板承载能力

研究了含分层损伤层合板的动力响应和承载能力。基于层合板的一阶剪切理论,采用分项等参插值方法推导了复合材料层合板刚度阵、质量阵列式,在瑞利阻尼的基础上构造了相应的阻尼阵列式;建立了用于含分层损伤复合材料层合板动力分析的分层模型和虚拟界面联接单元,以防止低阶模态中在分层处出现的上、下子板不合理的脱离和嵌入现象;同时又采用Tsai提出的0.44刚度退化准则和动力分析的Newmark法,对含分层损伤复合材料层合板结构进行了在动荷载作用下的破坏和承载能力分析;通过典型算例,分别讨论了外载频率,分层位置,以及刚度退化对含损伤复合材料动力响应特征和承载能力的影响。本文中提出的方法和得到的结论对复合材料工程设计具有参考价值。      

湿热环境下复合材料含孔层合板静力拉伸性能及工程估算模型

湿热环境下的复合材料结构件力学性能预测对其工程应用具有重要意义。文中针对复合材料层合板静力拉伸性能和强度预测问题,开展6种湿热环境下复合材料含孔层合板的静力拉伸试验,分析其结构失效响应及损伤表征。基于应力场强法建立湿热环境下复合材料含孔层合板工程估算模型,与有限元渐进损伤模型和试验结果进行对比,分析了湿热环境对含孔层合板力学性能和拉伸失效的影响。结果表明,工程估算模型预测结果与有限元及试验结果误差范围较小,可用于预测温度和吸湿率对含孔层合板拉伸失效强度的影响;相比于室温干态,75℃吸湿饱和态下试件拉伸失效强度下降了6.1%;25℃干态和75℃吸湿饱和态下含孔层合板0°铺层出现最为严重的纤维拉伸失效,90°铺层出现最为严重的基体拉伸失效,纤维拉伸失效和基体拉伸失效为层合板主要破坏模式;通过扫描电镜对75℃吸湿饱和态下层合板厚度方向微观形貌进行分析,发现试件0°方向纤维与树脂的脱粘程度加重且出现明显的裂痕,90°方向纤维分布较为齐整,但黏附的树脂较少。     

面芯脱粘缺陷对复合材料夹芯圆柱壳屈曲特性影响分析

面芯脱粘是复合材料夹芯结构常见的损伤形式。本工作综合考虑面芯界面损伤演化、分层屈曲以及分层扩展的耦合作用,建立了深水静压载荷下复合材料夹芯圆柱壳极限承载能力预报方法。基于非线性极限载荷计算方法,通过预制初始缺陷,开展了含面芯脱粘缺陷复合材料夹芯圆柱壳屈曲特性分析,揭示了典型面芯脱粘缺陷对复合材料夹芯圆柱壳失效模式及极限承载的影响机理,得到不同面芯脱粘形式、脱粘尺寸、脱粘位置的影响规律。研究发现,随贯穿面芯脱粘长度增加,结构失效模式发生整体屈曲→混合屈曲→局部屈曲演化;外蒙皮/芯层面芯脱粘对含环向贯穿面芯脱粘复合材料夹芯圆柱壳极限承载敏感度更高,内蒙皮/芯层界面脱粘对含纵向贯穿面芯脱粘缺陷复合材料夹芯圆柱壳极限承载敏感度更高;对于多个局部圆形面芯脱粘,沿纵向分布越集中、沿环向分布越离散,结构极限承载损失率越高。研究成果对面芯脱粘缺陷复合材料夹芯圆柱壳的优化设计与可靠性评估具有很好的指导意义。