含天线与不含天线泡沫芯夹层结构损伤模拟及强度预测

针对复合材料泡沫芯夹层一体化天线结构开展试验研究,对比含天线和不含天线两种结构面内、面外力学性能,试验结果表明:含天线结构强度小于不含天线结构强度。在试验研究的基础上,通过引入针对复合材料层合板的Tsai-Wu张量判据和针对泡沫芯材料的三参数广义强度准则,对含天线和不含天线泡沫芯夹层结构的渐进损伤过程进行数值模拟,并预测了材料的面内压缩强度和面外拉伸强度。数值模拟结果与试验结果吻合良好,证明了模型的合理有效性。同时,研究了层板厚度、层板铺层角和泡沫芯厚度等因素对材料强度的影响规律,为复合材料一体化天线结构的优化设计提供了必要的参考。     

含冲击损伤缝合层板剩余压缩强度

通过对含冲击损伤缝合复合材料层板进行压缩实验, 揭示了含损伤缝合层板在压缩载荷下的破坏模式和破坏机制。将冲击损伤等效为圆孔, 利用杂交单元计算冲击后缝合层板的应力分布, 采用基于特征曲线概念的点应力判据预测了含损伤缝合层板的剩余压缩强度。研究结果表明: 冲击损伤近似为圆形; 缝合和未缝合层板冲击后压缩的损伤模式不同; 采用开口等效法可以有效分析缝合层板的剩余压缩强度; 特征距离、 损伤面积是影响计算结果的主要因素。     

梯度复合材料应力强度因子计算的梯度扩展单元法

推导了一种适用于梯度复合材料断裂特性分析的梯度扩展单元,采用细观力学方法描述材料变化的物理属性,通过线性插值位移场给出了4节点梯度扩展元随空间位置变化的刚度矩阵,并建立了结构的连续梯度有限元模型.通过将梯度单元的计算结果与均匀单元以及已有文献结果进行对比,证明了梯度扩展有限元(XFEM)的优越性,并进一步讨论了材料参数对裂纹尖端应力强度因子(SIF)的影响规律.研究结果表明:随着网格密度的增加,梯度单元的计算结果能够迅速收敛于准确解,均匀单元的计算误差不会随着网格细化而消失,且随着裂纹长度和属性梯度的增大而增大;属性梯度和涂层基体厚度比的增大导致涂覆型梯度材料的SIF增大;裂纹长度的增加和连接层基体厚度比的减小均导致连接型梯度材料的SIF增大.     

复合材料双曲率壳屈曲和后屈曲的非线性有限元研究

基于 ABAQUS软件分析平台 , 采用非线性有限元法研究了横向载荷作用下复合材料双曲率壳的屈曲和后屈曲行为。通过在有限元模型中引入 Tsai2Wu失效准则 , 预测了复合材料双曲率壳的初始失效及渐进破坏过程 , 数值结果和试验数据吻合较好 , 表明了该模型的合理有效性 , 并详细讨论了各种参数对屈曲和后屈曲行为的影响。经分析复合材料双曲率加筋壳在均布压载和剪力联合作用下的屈曲和后屈曲行为 , 得到了屈曲载荷的拟合曲线 , 研究表明顺剪力的存在有利于提高屈曲载荷。     

缝合复合材料层板低速冲击及冲击后压缩实验研究

通过对缝合复合材料层板进行低速冲击和冲击后压缩实验, 研究了不同类型的缝合复合材料层板的冲击损伤特性及冲击后压缩的剩余强度。实验研究表明: 基体损伤和分层是缝合层板与未缝合层板低速冲击的主要损伤模式, 缝合层板具有更好的抗冲击性能, 更高的冲击后压缩强度。缝合密度越大的层板其抗冲击性能越好, 冲击后压缩强度越高。缝合方向为0°的缝合层板较缝合方向为90°的缝合层板具有更好的抗冲击性能和更高的冲击后压缩强度。增加0°方向铺层, 减少45°、-45°方向铺层, 可以提高缝合层板的抗冲击性能和冲击后压缩强度。     

梯度复合材料热传导分析的梯度单元法

给出了一种适用于梯度复合材料热传导分析的梯度单元, 采用细观力学方法描述材料变化的热物理属性, 通过线性插值和高阶插值温度场分别给出了4节点和8节点梯度单元随空间位置变化的热传导刚度矩阵。推导了在温度梯度载荷和热流密度载荷作用下, 矩形梯度板的稳态温度场和热通量场精确解。基于该精确解对比了连续梯度模型和传统的离散梯度模型的热传导有限元计算结果, 验证了梯度单元的有效性, 并讨论了相关参数对梯度单元的影响。结果表明, 梯度单元和均匀单元得到的温度场基本一致; 当热载荷垂直于材料梯度方向时, 梯度单元能够给出更加精确的局部热通量场; 当热载荷平行于材料梯度方向时, 4节点梯度单元性能恶化, 8节点梯度单元和均匀单元的计算结果与精确解吻合很好。     

压缩载荷下复合材料整体加筋板渐进损伤非线性数值分析

建立了考虑脱粘的复合材料整体加筋板渐进损伤有限元分析模型。该模型采用界面单元模拟筋条与壁板之间的连接界面, 连接界面和复合材料层板分别采用Quads准则和Hashin准则作为失效判据, 基于ABAQUS软件, 建立了含连续损伤状态变量的材料刚度退化方案。基于该模型, 采用非线性有限元方法研究了压缩载荷下复合材料整体加筋壁板在考虑初始几何缺陷时的破坏过程, 分析了结构相应失效模式的细观损伤机制; 详细讨论了轴向刚度比对结构承载能力及破坏模式的影响。结果表明: 考虑脱粘损伤的有限元模型能有效模拟加筋板的破坏过程; 在加筋板铺层设计合理的情况下, 增加筋条与壁板刚度比能有效提高加筋板截面单位面积的承载能力。      

含低速冲击损伤复合材料层合板剩余压缩强度及疲劳性能试验研究

对T300/QY8911复合材料层板进行了低速冲击、 冲击后压缩以及冲击后疲劳试验研究。通过对冲击后的层板进行目视检测和超声C扫描获得了层板受低速冲击后的若干损伤特征; 在压-压疲劳试验中, 测量了损伤的扩展情况。讨论了冲击能量与损伤面积以及冲击后剩余压缩强度的关系, 分析了含冲击损伤层合板在压缩载荷及压-压疲劳载荷下的主要破坏机制。结果表明, 低速冲击损伤对该类层板的强度和疲劳性能影响很大, 在3.75 J/mm的冲击能量下, 层板剩余压缩强度下降了65%; 在压-压疲劳载荷作用下, 其损伤扩展大致可分为两个阶段, 占整个疲劳寿命约60%的前一阶段损伤扩展较为缓慢; 而疲劳寿命的后半阶段损伤则开始加速扩展, 并导致材料破坏。     

梯度复合材料裂纹扩展路径和起裂载荷的有限元分析

为了模拟功能梯度材料(FGM)在工程应用中可能会出现的断裂问题并计算相应的开裂载荷,通过编写用户自定义UEL子程序将梯度扩展单元嵌入到ABAQUS软件中模拟功能梯度材料的物理场,并编写交互能量积分后处理子程序计算裂纹尖端的混合模式应力强度因子(SIF),采用最大周向应力准则编写子程序计算裂纹的偏转角,并模拟了裂纹扩展路径,计算了裂纹的起裂载荷。讨论了材料梯度参数对裂纹扩展路径以及起裂载荷的影响规律。通过与均匀材料的对比,验证了功能梯度材料断裂性能的优越性。研究表明:外载平行于梯度方向时,垂直梯度方向的初始裂纹朝着等效弹性模量小的方向扩展,且偏转角在梯度指数线性时出现峰值,并随着组分弹性模量比的增加而变大;当外载和初始裂纹均平行于梯度方向时,材料等效弹性模量和断裂韧性的增加或者梯度指数的减小都导致起裂载荷变大。     

双轴载荷下缝合层板的强度预测

基于缝合层板单层单胞细观力学模型,研究了单层板在拉、压、剪下的力学特性。根据经典层板理论建立了缝合层板在双轴载荷下的强度模型,并考虑了缝合造成表面层和内部层刚度和强度的差异。通过有限元软件ABAQUS分析了双轴载荷多种工况下缝合层板的损伤演化过程,揭示了缝合层板的失效机理,获得了缝合层板在双轴载荷下的失效包络线以及对应比率载荷下的应力应变曲线。所预测的失效模式和失效强度与实验取得了较好的吻合。通过分析表明缝合层板单层在剪切载荷下表现出一定的非线性特性。多轴多向层板在双轴载荷下表现出较强的耦合性。