基于冲击损伤的复合材料气瓶铺层顺序优化设计

基于瞬态动力学理论和遗传优化算法,以提高抗冲击损伤能力为优化目标对复合材料气瓶的铺层顺序进行优化.遗传算法利用MATLAB软件实现,复合材料气瓶冲击损伤分析采用ANSYS进行,通过两个软件之间的信息传递,实现优化计算.以铝内胆复合材料气瓶为算例进行优化,结果表明,在同一冲击能量下,优化后的气瓶基体破裂面积和基体破裂层数...     

基于遗传算法的复合材料层压板固有频率的铺层顺序优化

本文提出了一种用于组合优化的译码方式和遗传算子.对给定铺层的复合材料层压板在满足固有频率的要求下,采用遗传算法进行了铺层顺序的优化.算例的计算表明:采用本文所述方法,只要搜索解空间的一小部分就能收敛到组合优化问题的最优解.      

考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化

提出了一种考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化方法。基于复合材料加筋壁板屈曲载荷求解的能量法,系统推导了轴压载荷作用下复合材料加筋壁板蒙皮、筋条局部屈曲载荷的显示表达式,考虑了加筋壁板各板元之间的弹性支持作用及筋条下缘条的影响,引入工程法求解了加筋壁板整体屈曲载荷。基于国产自主结构分析软件HAJIF中的复合材料铺层工程数据库,以铺层参数为中间变量,利用本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法,构建了考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化设计流程并完成程序实现,将最小二乘法用于最优铺层顺序与工程铺层数据库的匹配。相比于传统有限元计算方法,本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法具备较好的求解精度及求解效率。复合材料加筋壁板优化算例表明,采用本文提出的加筋壁板屈曲载荷分析及其优化方法,在结构重量不变的前提下,屈曲载荷提高约17%,且铺层顺序优化结果可直接从铺层工程数据库中提取并用于工程实际。      

表面带金属层的复合材料层合板低速冲击数值模拟

使用Abaqus/Explicit建立表面带金属层的复合材料层合板和复合材料裸板低速冲击有限元模型,与已有文献对比验证结果的可靠性,研究结果对复合抗弹结构有很好的借鉴和参考价值.采用Johnson-Cook本构关系模拟铝合金和钛合金层的力学行为,选用Hashin准则对复合材料层内损伤进行失效判断,用二次应力准则来模拟粘结层Cohesive单元的层间失效.结果表明,相同铺层与冲击能量下,表面带铝合金层合板对内部纤维的保护性能优于表面带钛合金层合板,表面带钛合金层合板的抗冲击性能优于复合材料裸板;[§/0°/90°/0°/90°/0°]s铺层层合板的抗冲击性能优于[§/-45°/90°/0°/45°/-45°]s铺层层合板的抗冲击性能;在子弹刚冲破层合板与子弹完全离开层合板阶段,表面带铝合金层合板对子弹动能吸收率最大.     

复合材料层压板振动参数的铺层顺序优化研究

本文针对目前在复合材料结构设计中较少考虑的振动特性优化问题,采用减缩区间法与枚举法相结合的手段,对给定层数和角度的层压板进行了铺层顺序的优化研究,使其满足振动频率和模态阻尼的要求。通过对20层对称层板的计算可以看出,采用本文所述方法,不仅可节省大量计算时间,而且所得的频率和比阻尼容量值与实验结果具有良好的一致性,证明了该方法的可靠性。本文的研究可作为工程设计中一种有效的手段,所完成的软件具有一定的工程应用价值。     

复合材料层压板振动参数的铺层顺序优化研究

本文针对目前在复合材料结构设计中较少考虑的振动特性优化问题,采用减缩区间法与枚举法相结合的手段,对给定层数和角度的层压板进行了铺层顺序的优化研究,使其满足振动频率和模态阻尼的要求。通过对20层对称层板的计算可以看出,采用本文所述方法,不仅可节省大量计算时间,而且所得的频率和比阻尼容量值与实验结果具有良好的一致性,证明了该方法的可靠性。本文的研究可作为工程设计中一种有效的手段,所完成的软件具有一定的工程应用价值。      

铺层顺序对复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性的影响研究

采用仿真和试验相结合的方法探讨复合材料薄壁圆管在准静态轴向压缩载荷下的失效吸能特性和吸能机理。首先,建立复合材料薄壁圆管\     

模糊评价法表征复合材料层合板低能量冲击行为

通过模糊综合评判的方式,建立复合材料低能量冲击表面损伤与其失效的数学判据。复合材料受到冲击后的表面损伤是冲击程度最直观的表现,因此,对复合材料冲击行为的分析,应基于其表面损伤来进行。本研究选择的观测工具为超景深显微镜,观测、探究了复合材料试样受到冲击后的表面损伤情况,建立损伤程度与材料冲击门槛值之间的数值关系。经实验验证,该数值关系可以精确判断材料是否失效。同时也验证了不同厚度的复合材料,其失效时的表面损伤有某些共同特性,本文给出的判据可以在树脂基复合材料中通用。     

基于应变信号的复合材料层合板低速冲击损伤识别研究

为了进行复合材料层合板的冲击损伤识别研究, 设计了由小到大的14个等级的冲击能量, 对应由小到大的冲击损伤, 其中最小能量的冲击没有造成损伤, 最大能量的冲击造成穿透复合材料板的损伤。应用冲击过程中测试得到的应变响应进行损伤识别。基于冲击过程中获得的脉冲应变信号, 提出了10个新的冲击损伤识别指标：脉冲上升时间、下降时间、总时间、上升时间比下降时间、下降时间比上升时间;脉冲上升面积、下降面积、总面积、上升面积与下降面积之比、下降面积与上升面积之比。将提出的10个新冲击损伤识别指标与冲击能量的关系进行了对比研究。研究表明：脉冲下降时间、脉冲总时间、脉冲下降面积、脉冲总面积与冲击能量之间的关系大体上都是单调的, 这4个指标适合0.8J/mm到6.67J/mm的大范围的冲击损伤程度识别, 其余6个指标在一定的冲击能量范围内可以识别冲击损伤程度。应用脉冲下降面积、脉冲总面积指标进行了冲击定位识别研究, 研究表明, 这两个指标也可以识别冲击损伤的位置。     

低速冲击作用下碳纤维复合材料铺层板的损伤分析

建立了一个有效计算模型, 以分析碳纤维复合材料层合板在低速冲击作用下的层内和层间失效行为。针对铺层板的层内损伤, 在基于应变描述的Hashin 失效准则的基础上, 建立了单层板的逐渐累积损伤分析模型;针对铺层板的脱层损伤, 建立了各向同性脱层损伤模型, 通过结合传统的应力失效准则和断裂力学中的能量释放率准则定义了界面损伤演化规律, 并在潜在产生脱层的区域模拟为粘结接触, 并将脱层损伤模型作为界面的接触行为。该计算模型通过商用有限元软件ABAQUS/ Explicit 的用户子程序实现。使用该计算模型对碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板在横向低速冲击作用下的损伤和变形行为进行预测分析。数值仿真的结果与试验结果进行了比较, 取得了满意的结果, 验证了该模型的正确性。      

基于实体-壳耦合模型的复合材料层压板冲击损伤阻抗优化

为优化复合材料层压板的冲击损伤阻抗,提出了基于实体-壳耦合模型的优化方法.模型以实体单元模拟冲击点区域,以壳单元模拟周围区域,采用耦合约束连接实体与壳,引用渐进损伤材料本构,提出了冲击下与纤维方向种数相关的损伤变量,优化过程利用遗传算法.通过算例对冲击阻抗的优化方法进行了验证,并对复合材料盒段壁板进行了铺层优化.结果表明:基于实体-壳耦合模型的遗传优化方法,计算效率高,收敛速度快,提高了层压板的抗冲击性能.     

基于实体-壳耦合模型的复合材料层压板冲击损伤阻抗优化

为优化复合材料层压板的冲击损伤阻抗, 提出了基于实体-壳耦合模型的优化方法。模型以实体单元模拟冲击点区域, 以壳单元模拟周围区域, 采用耦合约束连接实体与壳, 引用渐进损伤材料本构, 提出了冲击下与纤维方向种数相关的损伤变量, 优化过程利用遗传算法。通过算例对冲击阻抗的优化方法进行了验证, 并对复合材料盒段壁板进行了铺层优化。结果表明: 基于实体-壳耦合模型的遗传优化方法, 计算效率高, 收敛速度快, 提高了层压板的抗冲击性能。     

基于FBG传感技术的复合材料T型加筋板低速冲击损伤监测

针对碳纤维增强树脂复合材料低速冲击损伤的实时监测,设计将布拉格光纤光栅（FBG）传感器埋植在复合材料T型加筋板结构的三角填充区,在线监测复合材料T型加筋板冲击损伤过程。分别将FBG传感器埋植于复合材料层合板内部和复合材料T型加筋板的三角填充区,对比FBG传感器的埋入对复合材料层合板和复合材料T型加筋板力学性能的影响。结果表明,内埋FBG传感器的复合材料层合板试样的拉伸强度比未埋植传感器的层合板试样降低了约5%,但在FBG传感器的破坏应变范围内,FBG传感器可以准确、实时地监测复合材料的应变信号。将FBG传感器埋入复合材料T型加筋板的三角填充区,内埋FBG传感器的T型加筋板样件压缩破坏载荷与未埋植的样件基本一致。通过对比T型加筋板蒙皮上冲击位置、冲击能量对FBG传感器测得的冲击过程持续时间和最大应变值的影响,表明冲击过程持续时间随着冲击能量增大而延长,最大应变值随着冲击距离的增加呈下降趋势,而最大应变值随着冲击能量的增大呈上升趋势。利用FBG传感器测得的应变信号可初步实现对复合材料T型加筋板蒙皮冲击损伤位置及冲击能量的实时监测。      

复合材料翼盒壁板低速冲击接触力、凹坑特性及其模拟

为预测复合材料层合板的低速冲击特性,提出一种基于弹簧-质量模型的冲击分层响应模拟方法。首先根据假定的分层数量和分层面积计算分层前后的弯曲刚度与挠度变化,进而模拟出含分层过程的冲击头运动时间历程。然后,由冲击头的加速度计算接触力,并基于材料的弹-塑性接触定律计算出永久凹坑深度。随后,对共固化复合材料翼盒的壁板进行了低速冲击实验,冲击点分为3种类型:2个梁间蒙皮的中点位置、蒙皮与翼梁T型连接的胶接区边界和梁的正上方。接着,分析对比了不同冲击点的接触力、分层阈值力和凹坑深度的特点。最后,使用所提出的模型计算第1种冲击点的接触力、永久凹坑深度和吸收能量,并分析了矩形板长宽比对薄膜刚度及接触力的影响。结果表明:模拟的接触力与实测结果吻合良好,对永久凹坑深度和吸收能量的模拟精度也较高,所提模拟方法有效;随着长宽比的减小,薄膜刚度迅速增大,从而使接触力显著增大。      

含分层损伤复合材料层压板低速冲击模型刚度计算方法

针对基于弹簧质量模型的层压板低速冲击模拟方法,研究产生分层损伤后层压板整体刚度的计算方法。首先将板分为中心含分层的圆形区域与四周未分层环形区域。根据薄板弯曲理论,利用边界条件及两区域交界处的转角协调条件得到两个区域的挠度,进而计算刚度。基于ABAQUS软件建立了含损伤层压板的有限元模型进行该计算方法的验证,结果表明,该方法的计算结果与有限元模型结果吻合较好。进行了层压板落重冲击试验,根据无损检测得到的分层信息利用本方法进行了弯曲刚度的折减,再利用弹簧-质量模型模拟有损伤产生过程的冲击接触力,模拟结果和实验与有限元结果吻合良好,证明所提出的层压板低速冲击弹簧-质量模型分层刚度折减算法是有效的。     

基于连续介质损伤力学的复合材料层合板低速冲击损伤模型

基于连续介质损伤力学（CDM）方法,建立了分析复合材料层合板低速冲击问题的三维数值模型。该模型考虑了层内损伤（纤维和基体损伤）、层间分层损伤和剪切非线性行为,采用最大应变失效准则预测纤维损伤的萌生,双线性损伤本构模型表征纤维损伤演化,基于物理失效机制的三维Puck准则判断基体损伤的起始,根据断裂面内等效应变建立混合模式下基体损伤扩展准则。横向基体拉伸强度和面内剪切强度采用基于断裂力学假设的就地强度（in-situ strength）。纤维和基体损伤本构关系中引入单元特征长度,有效降低模型对网格密度的依赖性。层间分层损伤情况由内聚力单元（cohesive element）预测,以二次应力准则为分层损伤的起始准则,B-K准则表征分层损伤演化。分别通过数值分析方法和试验研究方法对复合材料典型铺层层合板四级能量低速冲击下的冲击损伤和冲击响应规律进行分析,数值计算和试验测量的接触力-时间曲线、分层损伤的形状和面积较好吻合,表明该模型能够准确地预测层合板低速冲击损伤和冲击响应。     

压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响

为确定压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响,首先对不同压缩预应力下的碳纤维/双马树脂CCF300/5428层板进行了低速冲击和准静态压痕试验,然后通过热揭层和冲击后压缩试验分别得到了层板分层面积和剩余强度。结果表明:压缩预应力会大幅降低层板的接触刚度和弯曲刚度,从而导致相同冲击能量下层板凹坑深度和背部基体开裂长度增大;对于准静态压痕过程和相同冲击能量下的冲击过程,分层起始载荷和峰值载荷均随压缩预应力的增大而减小;在相同冲击能量下,随着压缩预应力的增大,层板内部分层总面积及冲击能量吸收比不断增大,剩余压缩强度不断降低。因此,压缩预应力会降低复合材料层板的冲击损伤阻抗,对损伤容限性能不利,在对承受压缩载荷结构的试验验证过程中应考虑压缩预应力对抗冲击损伤性能的影响。      

Effects of shape memory alloys on low velocity impact characteristics of composite plate

The effects of shape memory alloy thin films embedded in composite plates for improving damage resistance of composite structures under low velocity impact were investigated numerically. Analysis model for SMA thin film was developed based on Lagoudas’ model and implemented using the user defined material subroutine of the ABAQUS/Explicit finite element program. Composite damage model based on the Chang–Chang failure criteria was also implemented to consider progressive damage behavior. The finite element simulation of low velocity impact behavior of a shape memory alloy hybrid composite plate was performed using the ABAQUS/Explicit program. Parametric studies were performed to investigate the effect of shape memory alloys for improving damage resistance of composite plate.     

Effect of Nylon-66 nano-fiber interleaving on impact damage resistance of epoxy/carbon fiber composite laminates

Sixteen-ply quasi-isotropic composite laminates of plain and interleaved AS4/3501-6 composite laminates clamped all around were impact tested to assess the improvement in impact resistance of composite laminates that have been interleaved by electrospun Nylon-66 nanofabric. The impact velocity, force, and energy ranged from 2.0 to 4.0 m/s, 900 to 2100 N and 0.46 to 1.80 J, respectively. Based on this preliminary study, results showed that; polymer nanofabric interleaving marginally increased the laminate thickness, by about 2.0%. Polymer nanofabric interleaving increased the threshold impact force by about 60%, reduced the rate of impact damage growth rate to one-half with impact height and reduced impact damage growth rate from 0.115 to 0.105 mm²/N with impact force. The concept has merit for more detailed study for optimizing and for multi-functionalizing fiber reinforced composite laminates.     

Macroscale assessment of low-velocity impact on hybrid composite laminates

Composites are usually brittle materials and have low impact properties. Structural dimensions, stacking sequence, ply materials, ply thicknesses and ply angles are standard variables that influence composite‘s performance against impact loads. Stacking sequence in hybrid laminates affects the failure and impact resistance. Failure mechanisms at the low-velocity impact of a rigid object in hybrid laminates are complex, and the subsurface damage in a composite laminate cannot be detected directly. However, various simulation platforms make it easy to see the impact damage between the plies of laminate. This paper numerically investigated the effect of stack sequence and hybridization of two fiber types against low-velocity impact. The current study adopted four-layer composite laminates of carbon and glass fiber layers with a stacking plan [C/C/C/C], [C/G/C/G] and [G/C/G/C], having lay-up angles as [0°/45°/−45°/90°]. Keeping the impactor mass and the incident velocity constant, the laminates were subjected to low-velocity impact. The damage contours for a failure mode were recorded and compared at the ply level. The numerical study resulted in impact imitations showing comparisons of the damage contours using Hashin failure criteria. Hybrid laminates display better performance in absorbing impact energies; however, hybrid laminates experienced more subsurface damage due to more impact energy absorption.