复合材料层板损伤后刚度衰退的实验研究

对复合材料单向板进行了0°、90°、45°拉伸实验,对铺层为[0°/90°]、[±45°]的层合板进行了拉伸实验,对玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维缠绕的NOL环试样分别进行了短梁剪切实验。实验结果表明:碳纤维/环氧树脂基体复合材料单向板没有明显的非线性行为,而层合板在树脂开裂、面内及层间剪切破坏导致的刚度降低却很明显。层间剪切破坏不仅导致剪切刚度的降低,还会引起弯曲刚度的降低。玻璃纤维、芳纶纤维增强树脂基复合材料在三点弯曲实验过程中体现了较强的抗损伤能力,韧性较好;而碳纤维增强树脂基复合材料抗层间损伤能力较差。本文用标准实验方法,跟踪载荷-变形曲线,得到了用于应力分析的刚度衰减系数。用最大应力准则及实验得到的刚度衰减系数,对直径为1400mm的纤维缠绕壳体进行了变形分析,计算结果与实验值一致性较好。     

关于单向纤维增强复合材料偏轴拉伸时的纤维旋转问题

1.引言在纤维增强复合材料的破坏行为的研究中,其平面剪切特性的研究占重要地位,目前比较流行的试验方法为10_0偏轴拉伸法和[±45_0]层板45_0偏轴拉伸法,最近有人提出了手续较为简便的最优偏角偏轴拉伸法。上述方法均假设在整个拉伸过程中偏轴角是常数。由偏轴拉伸造成的复合应力状态,使纤维在拉伸过程中发生旋转这一点由本文的试     

复合材料层合板的数值分析与实验

本文用云纹干涉法和逐层分析有限元法研究了Gr/PEEK[0/45－45/90]2S复合材抖层合板的变化特征,在层与层交接处,特别是0°与45°和一45°与90°层交接处,位移存在较明显的变化,说明这两种层接处有比较大的层间应力,是脱层的易发处.计算与实验结果都证实了这种变形特征．     

平纹编织陶瓷基复合材料面内剪切细观损伤行为研究

采用约西佩斯库(Iosipescu)纯剪切试件,研究了平纹编织SiC/SiC和C/SiC复合材料的面内剪切应力-应变行为和细观损伤特性.通过试验获得了材料不同方向上的单调和迟滞应力-应变行为,对比分析了两种材料的剪切损伤特性,结果表明材料的剪切损伤演化规律受热残余应力水平影响严重.由试件断口电镜扫描结果发现剪切加载状态下桥连纤维承受显著的弯曲载荷和变形,据此提出了纤维弯曲承载机制,并结合裂纹闭合效应分阶段阐释了材料的剪切迟滞环形状.基于材料的剪切细观损伤机制,通过两个损伤变量表征了材料的剪切损伤演化进程,得到了材料的面内剪切细观损伤演化模型.对比发现2D-C/SiC复合材料45°方向基体裂纹的起裂应力明显小于2D-SiC/SiC复合材料,而两者0°/90°方向裂纹的起裂应力基本相同.      

爆炸荷载作用下影响RC梁破坏形态的主要因素分析

在冲击、爆炸等强荷载作用下，钢筋混凝土结构通常是发生弯曲破坏。室内外试验结果表明，当动荷载峰值较大、作用时间较短（脉冲荷载）时，钢筋混凝土结构易发生脆性的剪切破坏，其主要原因是脉冲荷载的高频成份丰富和加载速率高等特点容易激发结构构件中的剪切变形和剪 应力。本文基于Timoshenko梁理论，提出了一种爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁破坏形态的有限差分预报方法，利用该方法分析了荷载加载速率、截面高度、混凝土强度、配筋率等对钢筋混凝土破坏形态的影响规律，并指出，随着荷载升压段加载速率、截面高度、主筋配筋率的增加或混凝土强度的降低，梁的破坏形态从弯曲破坏转变为剪切破坏。     

复合材料层板分层伴以横向裂纹扩展的三维有限元分析

本文采用三维有限元模型,对典型铺设的[0_2/±45_2/90_2]_s碳/环氧复合材料层板中分层伴以横向裂纹的产生和扩展导致的层间应力分布进行了分析。计算结果表明层间裂纹首先在90°层中部出现并开裂至相邻界面处而产生横向裂纹,横向裂纹的出现引起局部分层按三角形状扩展;并指出分层损伤过程是一个主导性的稳定扩展过程,这是导致刚度下降的主要因素。最后,数值计算结果与实验结果比较,两者是吻合的。     

热塑性AS4／PEEK层合板基体损伤的实验研究

本文将长距离显微云纹干涉方法与显微放大技术相结合,在轴向拉伸载荷下,对AS4/PEEK[0/±45/90]2S层合板层间变形、纤维-基体脱粘和基体裂纹进行了从小变形到大变形直至分层损伤的全过程实时、定量的细观变形测量分析.实验表明:AS4/PEEK[0/±45/90]2S层合板亚临界损伤的主要特征,是中间90°/90°层基体中出现具有一定间隔的基体裂纹群.初步探讨了热塑性复合材料AS4/PEEK层合板基体的非弹性变形和损伤过程的一些基本特征.     

碳/碳复合材料T型悬臂梁弯曲失效分析

首次对碳/碳复合材料T型结构件进行了悬臂梁弯曲试验。通过化学气相沉积工艺制备了宽度为40mm的T40试件和宽度为50mm的T50试件,分别对两种试件的损伤失效模式和弯曲应力进行了研究;根据结构破坏区域的应变随载荷增加的变化规律,得到了结构在弯曲过程中的损伤失效进程。结果发现,在悬臂梁弯曲载荷作用下,结构处于正应力和剪应力耦合状态,耦合应力会使宽厚比较小的结构件容易在腹板根部出现局部失稳现象。应用横力弯曲理论对结构破坏截面上腹板边缘的正应力和面内剪切应力进行了简单计算。结果表明:屈曲失效的T50试件比剪切型破坏的T40试件的最大弯曲正应力小22.93%,说明屈曲失效会使结构的弯曲强度大幅下降;而T50试件的最大剪切应力比T40试件的高31.46%,说明屈曲失效主要由材料的剪切性能控制。最后通过有限元方法对T50试件在发生剪切型破坏时的最大弯曲正应力进行了计算,计算结果与试验中发生压缩剪切破坏的T40试件相比仅相差3%,可以较好地表征T50试件的弯曲强度。     

正交和[±45]层板中裂纹的非自相似扩展

本文分析了正交铺设和[±45]铺设的复合材料层板断裂试验时观察到的主裂纹扩展方向与初始裂纹方向有时不一致的物理现象。本文计算了[O_4/90]和[±45]层板裂纹前缘的应力场,得出分别在θ=90°和θ=30°-45°存在较高的横向拉应力和剪应力。但上述层板在该方向的横向拉伸强度或剪切强度都已显著降低,从而导致纵向劈裂型或偏轴剪切型的低应力破坏。设计者在将大部分纤维铺设在0°方向的同时,应将1/3左右的纤维铺设在90°或45°方向以避免裂纹的非自相似扩展造成的低应力破坏。     

碳纤维增强塑料层合板正交层间的剪切强度

1. 前言在以往的一些复合材料性能测试标准和有关讨论层间剪切破坏的文献中,都只引入单向复合材料的层间剪切强度。然而事实证明,正交铺层间的剪切强度(称正交层间剪切强度) 要比单向铺层间的剪切强度(称单向层间剪切强度)低得多。因此,只用单向层间剪切强度不足以说明层合板的层间剪切强度,尤其是把它用作设计指标时就更不合理,也不安全。为此,我们引进了正交层间剪切强度这一新的强度指标,并设法正确地测定了它。若以此作为设计指标就保证安全。测定单向层间剪切强度已经有了较合理的方法,它是用短梁的三点弯曲来测得的。本文也提出用短梁的三点弯曲来测定正交层间剪切强度。不过试样材料是用〔0_m/90_n〕_s这类正交铺设层合板。     

计及界面损伤的复合材料正交(混杂)叠层板的应力集中分析

对正交(混杂)叠层复合材料最终拉伸破坏过程中的细观应力集中问题,提出了一种修正的剪滞分析模型;研究了叠层中由于90°层的基体开裂、层间界面破坏、0°层中部分纤维断裂及纤维/基体界面损伤相互作用所导致的细观应力重新分布,获得了相应的应力集中因子和界面破坏区长度与界面剪切强度的定量关系。本文结果为进一步研究正交叠层复合材料的细观破坏机理、最终拉伸强度及协同效应等提供了重要的理论依据。     

开孔热塑性复合材料的三维弹塑性面内应力分析

本文利用一单参数三维塑性模型对AS4/PEEK热塑性复合材料的塑性行为进行表征。利用有限元程序生成系统FEPG,将复合材料的三维单参数塑性模型引入该系统中,编制了相应的有限元程序。通过将本文的有限元计算结果与文献实验结果进行对比,证明了所生成程序的精确性。并对AS4/PEEK热塑性复合材料层合板[0/90]s的面内应力进行了计算与分析。给出了0°层与90°层的面内应力。0°层的最大应力σx大约是90°层相应值的20倍,这主要是由于热塑性复合材料AS4/PEEK的纵向和横向模量存在很大的不同,并且具有明显的弹塑性行为所造成的。     

V形切口问题应力强度因子的计算

本文讨论了V形切口问题的特征方程实根数与切口角度的关系;用边界配置法求得了四点剪切V形切口梁复合型应力强度因子的系列结果,并得到了计算K_Ⅰ,K_Ⅱ的经验公式;提出了用边界元法结合边界配置法以及用Muskhelishvili复应力函数法计算V形切口问题应力强度因子的方法,成功地计算了无限域中方孔凹角处的应力强度因子。     

二维平纹编织复合材料压缩力学行为研究

通过对二维平纹编织复合材料压缩力学性能进行三维有限元计算,对复合材料在沿垂直于编织平面方向和纤维束方向压缩后的微观应力场进行了分析。对于沿垂直于编织平面方向的压缩(即横向压缩),发现在经纬向纤维束相互交替处基体材料的横向压应力最大,是其薄弱部位。分析表明,与0°/90°层合板相比,编织复合材料受到横向压缩载荷时,自由边界处层间剪应力较大,容易发生层间裂纹,与实验观察相吻合。通过改变纤维束截面尺寸和纤维束之间间隙大小研究了破坏面角度的变化。     

碳/环氧复合材料加工引起的残余热变形的微观云纹干涉方法研究

本文提出了一种新的微观云纹干涉法来测量碳/环氧复合材料的热变形.文中对该方法的原理和测量技术进行了详细的讨论,用碳/环氧复合材料制作了一个16层[90°2,0°2,+45°2,-45°2]的试样板,测量了由于加工引起的层间残余变形,计算了层间应变分量εx,εy,γxy.实验结果表明这种微观云纹干涉法能分辨出几十到几百微米范围内的云纹条纹.比传统的云纹干涉法具有更高的分辨率.     

用切比雪夫多项式研究短梁的弯曲计算

考虑剪切效应,利用切比雪夫多项式构造严格满足表面切应力边界条件的轴向位移表达式,建立了短梁弯曲问题的新理论．利用奇异函数把作用在短梁上的复杂外载荷表示为分布载荷,推导出了短梁弯曲时的截面正应力公式及挠曲线表达式．把采用切比雪夫多项式推导出短梁的弯曲计算公式计算结果与弹性理论计算结果进行比较,可知该方法的计算精度较高．研究结果表明：在复杂外载荷作用下,当长高比小于等于6时,剪切变形对梁的弯曲挠度影响较大,而当长高比小于3时,剪切变形对梁的弯曲应力影响较大;因此建议采用切比雪夫多项式方法给出的挠度表达式、弯曲应力进行计算,因为切比雪夫多项式方法不但给出了复杂外载荷作用下梁截面挠度、弯曲应力的计算通式,而且该方法具有计算过程简便、精度高的优点．     

一种复合材料旋翼桨叶结构大变形分析方法的改进及验证

提出了一种适用于直升机旋翼复合材料桨叶大变形分析的改进方法。将旋翼桨叶变形分析分解为一维非线性分析和二维剖面特性分析,并考虑横向剪切、翘曲对剖面刚度及弹性耦合的影响;为使方法适用于旋翼气动弹性分析,将应变能中的广义应变用参考轴线处的弹性运动表示,保留所有非线性项,推导出计算复合材料桨叶大变形的公式;采用有限元法处理方程,对梁结构进行了分析,并将大变形状态下的位移计算结果与Princeton梁实验值、Minguet复合材料梁实验值以及中等变形梁理论计算结果进行了比较,验证了大变形状态下本文计算方法的正确性;此外与中等变形梁模型计算结果的对比,验证了本文方法在计算精度上的提高。     

形状记忆合金纤维复合材料薄壁梁的主动变形模型

提出具有变形主动驱动作用的SMA纤维混杂复合材料单闭室薄壁截面梁的力-位移本构关系模型。基于变分渐进法导出具有SMA主动纤维的复合材料薄壁空心梁的二维截面刚度系数以及截面内力（矩）与位移（转角）关系方程,含SMA纤维层合板材料性能由混合率进行预测。基于Tanaka的SMA应力应变关系以及Lin的线性相变动力模型,导出了SMA诱发的轴力、扭矩与弯矩的数学表达式。由本文建立的具有拉伸-扭转-弯曲静变形耦合的一般公式出发,讨论周向均匀刚度配置以及周向反对称刚度配置特殊情形,并给出了简化的本构方程。在不考虑SMA纤维含量和温度变化的情况下,本文的模型可以退化为普通纤维复合材料单闭室薄壁截面梁的已有结果。通过数值计算揭示了SMA对弯曲-扭转静变形特性的作用规律,分析了SMA纤维含量与初始应变、驱动温度和复合材料铺层角的影响。     

金瓷界面力学特性的数值分析

建立不同金属厚度的金瓷试件梁有限元力学模型,分析界面处应力分布,利用真实口腔修复体的金属和瓷的力学参数,分别对常用的三种不同厚度为基底的金属梁试件进行了瓷层以0.2mm为梯度进行加厚,计算各梁的界面应力和位移,同时也对力学性能较好的金属层和瓷层一组进行了全瓷梁应力、位移计算分析.为了更加真实的反映计算结果,部分试件的数值分析与实验进行了比较.通过分析比较,结果显示金瓷界面处应力较大,是脱剥瓷常发生部位;金属层较薄的烤瓷体有更高的韧性,力学性能较金属基底厚的有更强的抗脱瓷能力;金属作为基底大大提高了试件的抗弯曲能力,比全瓷梁更增强了试件破坏能力.     

形状记忆合金混杂复合材料薄壁梁主动变形模型

提出具有变形主动驱动作用的SMA纤维混杂复合材料单闭室薄壁截面梁的力-位移本构关系模型.基于变分渐近法导出具有SMA主动纤维的复合材料薄壁空心梁的二维截面刚度系数以及截面内力(矩)与位移(转角)关系方程,含SMA纤维层合板材料性能由混合率进行预测.基于Tanaka的SMA应力应变关系以及Lin的线性相变动力模型,导出了SMA诱发的轴力、扭矩与弯矩的数学表达式.由该文建立的具有拉伸-扭转-弯曲静变形耦合的一般公式出发,讨论周向均匀刚度配置以及周向反对称刚度配置特殊情形,并给出了简化的本构方程.在不考虑SMA纤维含量和温度变化的情况下,本文的模型可以退化为普通纤维复合材料单闭室薄壁截面梁的已有结果.通过数值计算揭示了SMA对弯曲-扭转静变形特性的作用规律,分析了SMA纤维含量、驱动温度和复合材料铺层角的影响.