复合材料层合板粘弹性固化残余应力分析

基于Ｓｃｈａｐｅｒｙ积分型粘弹性本构关系，推导了考虑横向剪切效应的复合材料层合板线性热粘弹性有限元分析列式，对层合板的粘弹性响应和加工成型过程中的残余应力进行了分析，给出了一些有意义的结果。     

正交铺设层合板的蠕变屈曲分析

研究了正交铺设层合板的蠕变失稳问题。为了更好地模拟实际情况，在单层板的本构关系中，材料各主方向模量的松也时间均取不同值，并在建立控制方程时考虑了横向剪切变形的影响，通过理论分析，得到了粘弹性层合板的瞬时弹性临界载荷和持久临界载荷，并在算例中首次利用时间增量方法得到了有初始度层合板在长期受地的蠕变变表，计算结果表明了持久临界载荷对于粘弹性层合板的具体含义，从而使粘弹性层合板的为屈曲问题有了较为完整的     

基体开裂的正交复合材料对称层合板的粘弹性力学行为

本文讨论了含有均匀基体裂纹的正交复合材料对称层合板的线性粘弹性力学行为.采用二维剪切滞后模型并对其层间剪应力在厚度方向进行线性假设分布,求得层合板的平均应力应变的线弹性解,利用等效约束模型和经典层合理论可得到层合板因为含有基体裂纹而所引起的刚度退化现象.在弹性-粘弹性对应原理的基础上对其层合板的线粘弹性进行了讨论和研究.结果表明:层合板的松弛模量和蠕变泊松比随着时间的增加而减少,到达稳态后其值基本上是恒值.并跟Zocher的解析解和有限元数值解作了比较,发现结果非常吻合.     

约束阻尼层合板的稳态响应

基于Reddy分层理论推导出约束阻尼层合板的稳态振动方程,得到了约束阻尼层合板的振动频率和损耗因子;分别分析了约束阻尼层合板的粘弹性夹层厚度、模量对固有频率和损耗因子的影响;得到了稳态振动时振幅和频率曲线以及横向应力与面内应力。数值计算结果表明所采用的算法是可靠的。     

粘弹层合板的稳态振动和层间应力

应用混合分层理论和Ressiner混合变分原理，在板厚方向取二次位移插值函数和三次、四次横向应力插值函数推导出粘弹层合板的动力学方程，得出简支粘弹层合板稳态振动的解。不仅得出与三层弹性板精确的自振频率吻合良好的解，而且对于粘弹层合板，所计算的自振频率和结构损耗因子也与三维结果吻合较好。计算了自由阻尼层合板对应的低阶法向位移响应幅值和层问横向应力的幅值。结果表明，较高的层间横向正应力是低频稳态振动中引起粘弹层合板分层破坏的主要因素，采用适当模量和厚度的粘弹性材料将有效地降低粘弹层合板的层间横向正应力的幅值。     

三参数粘弹性地基上层合板的自由和强迫振动

基于三参数粘弹性地基模型及Reddy高阶剪切变形板理论,用双重Fourier级数形式解求得粘弹性地基上四边简支对称正交及反对称斜交层合板的各模态自由振动频率的解析解,以及这两种层合板在任意横向动荷载作用下动力响应的半解析解。通过参数分析讨论了粘弹性地基参数、边厚比等因素对自振频率及动力响应的影响。结果表明,地基的剪切刚度和压缩刚度提高了板的自振频率而降低了板的振动幅值,地基的粘性作用不可忽略。     

均衡型层合板

本文在经典层合板理论的基础上讨论了层合板的均衡型问题.给出了既适合阿络理论也适合层合板理论的广义均衡型条件;阐明了均衡型的力学机理.均衡型是使层合板面内各方向具有相同相对伸长时的铺层形式.说明了均衡型层合板的应变和应力计算方法.引入均衡应变概念,讨论了与金属层复合时层合板的均衡型,并用表格形式开列了网络理论的相应公式.本文的结果不仅适合同种纤维增强的层合板,也适合不同种纤维增强的混杂层合板.     

层合板冲击损伤的PD率效应本构模型分析

从近场动力学(简称PD)理论的PMB材料模型出发,结合Kelvin-Voigt粘弹性固体模型,建立PD率效应本构模型。采用LAMMPS软件模拟了环氧树脂板、纤维增强复合材料单向层板和多向铺层层合板受冲击的情况。通过分析各板的冲击损伤,探索纤维对板的增强作用。同时,分析了不同冲击速度下层合板上下表面的损伤程度,初步探讨了从低速碰撞到高速冲击过程中复合材料层合板的破坏机理及规律。     

含孔平面编织混杂铺层层合板压缩破坏仿真

对ANSYS软件平台进行了二次开发，建立了平面编织混杂铺层层合板损伤累积有限元模 型，对含孔平面编织混杂铺层层合板的压缩破坏行为进行了仿真计算. 研究结果表明，所建 模型能够较好地仿真含孔平面编织层合板的损伤破坏过程，并能准确预测层合板的 损伤类型、损伤扩展以及破坏强度；同时提出并验证了适合该类型层合板的损伤判 据和衰减准则. 该模型所给结果形象直观，适合工程应用.     

垫衬补偿对含翘曲间隙L型层合板力学性能的影响研究

复合材料结构整体化制造中极易产生由固化变形引起的局部翘曲，该翘曲会显著削弱螺栓装配下复合材料结构的承载能力。通过试验和数值分析开展了垫衬补偿对含翘曲间隙L型层合板极限载荷恢复效率以及失效行为的影响研究。通过微观CT表征了含翘曲间隙L型层合板在螺栓装配后的损伤分布特征，并测试了其极限承载能力；对比分析了垫衬补偿对螺栓装配后含翘曲间隙L型层合板损伤和极限承载能力的影响；并借助数值分析手段定量地研究垫衬补偿对含翘曲间隙L型层合板承载能力恢复的影响机制。结果表明：紧固强制消除翘曲间隙会在螺栓装配区域和拐角处出现一定程度的分层损伤，其中拐角区域的分层损伤可能是促使加载过程分层快速扩展，并导致极限承载能力大幅下降的主要原因；垫衬补偿技术极大的减小了装配损伤的出现，尤其是避免了拐角区域分层损伤的快速扩展，有效提高含翘曲间隙复合材料结构的极限承载能力。     

复合材料层合板在加工固化后期降温速率对残余热应力的影响

本文采用非线性有限元方法，对材料性质与温度有关的复合材料层合板在加工固化后期降温过程中的温度速场和热应力场进行了分析，对降温度速率对板中固化残余热应力的影响进行了研究，获得一些对层合板固化成型工艺和固化残余热应力分析模型的选取均有意义的结果。     

复合材料层板基于剩余刚度比的剩余强度模型

本文从唯裂 学的观点提出了一个复合材料疲劳剩余刚度衰退模型,根据该模型导出了基于疲劳乘余刚度比的复合材料层合板疲劳剩余强度概率分布模型,给出了确定该模型中各参数的计算方法,根据该模型可预报复合材料层合板在某一应力水平的疲劳载荷作用下疲劳剩余刚度比为某一确定值时的疲劳剩余强度概率分布。为验证该模型的合理性,用典型复合材料层合板做了几组疲劳实验,并用实验数据对模型中的参数进行了估计,计算结果证明,该模型预报的疲劳剩余强度概率理论分布与实验结果符合较好。     

层板复合材料的疲劳剩余刚度统计分布模型

在分析现有关于层板复合材料疲劳剩余刚度衰退模型的基础上，根据层板复合材料在疲劳载荷作用下刚度衰退变化的现象，研究了疲劳载荷对层板复合材料刚度衰退的影响，建立了一个新的、更为合理的用于描述层板复合材料在常幅疲劳载荷作用下的刚度衰退模型，导出了剩余刚度统计分布的表达式，给出了确定模型参数的方法。为验证该模型，设计了几组测试实验，并利用试验结果对模型参数进行了估计。利用该统计分布模型，可以预报层板复合材料在给定应力水平的疲劳载荷作用下循环指定周次时剩余刚度的统计分布。实验数据表明，理论预报和实验结果符合得是很好的。     

复合材料层合板固化过程的数值模拟

在文［１］中作者采用了有限元和有限差分相结合的交替迭代法及Ｅｕｌｅｒ－Ｃａｕｃｈ解偶算法分析了复合材料层合板固化全过程中板内温度场和固化度场。在此基础上，本文进一步根据层合板在固化过程中不同阶段材料物性变化及损伤破坏特征，提出了两种不同破坏准则和后破坏模型，并采用非线性瞬态热弹性问题的Ｈａｍｉｌｔｏｎ半解析法，研究了层合板在固化全过程中的损伤破坏和热应力、变形的变化规律。通过数值模拟和分析，发现层合板在固化过程中，板内热应力出现多峰值和变号特征，这将是导致层合板早期破坏的原因，本文工作将对材料工艺工作者选择固化工艺参数具有参考价值。     

Tikhonov regularization with Incremental Hole-Drilling and the Integral Method in Cross-Ply Composite Laminates

Background: Incremental hole-drilling with the integral method has been extensively used in composite laminates but is sensitive to small measurement errors. Error sensitivity can be reduced by limiting the number of depth increments used in the calculation procedure. This approach is limited if a rapidly varying residual stress distribution exists since the calculated stress in each incremental depth is considered constant. Distortion of stress results can consequently occur due to averaging effects if the depth increments become too large. Tikhonov regularization is usually applied in isotropic materials to smooth the resulting residual stress distribution and reduce stress uncertainties, but has only been applied to composite laminates using the slitting technique. Objective: The intention of this work is to extend the use of Tikhonov regularization to incremental hole-drilling of composite laminates using the integral method. Methods: Finite element modelling is used to calculate the necessary calibration coefficients for unit pulses of uniform stress. Monte Carlo simulation is used to the determine uncertainties in the calculated residual stress distributions. Tikhonov regularization is optimised to reduce the stress uncertainty, while ensuring that the stress solution is not distorted. Results: The method is demonstrated on a GFRP (Glass fibre reinforced plastic) laminate of [0₂/90₂]_s construction and the calculated residual stress field is compared with those obtained by the standard integral method and series expansion. Conclusions: It is found that Tikhonov regularization significantly improves the accuracy of the standard integral method in composite laminates and shows good agreement with the series expansion method.

     

非对称铺层复合材料层合板的双稳态特性半解析研究

非对称铺层的复合材料层合板在存在热残余应力的情况下，具有双稳态性质．层合板的两个稳态之间仅需要一个适当的激励就可以互相转化，因此该结构在变体飞机上应用广泛．基于经典层合板理论，本文引入几何大变形建立了具有双稳态性质的复合材料层合板的能量泛函，提出了一个高阶的位移场函数，用瑞利里兹法推导出一组关于位移场函数系数的非线性方程组．结合牛顿迭代法和消元法求解非线性方程组，得到了层合板面外位移场．同时利用有限元软件ABAQUS，对复合材料层合板双稳态机理进行了数值模拟．选取了几组具有代表性的铺层进行计算，以有限元结果为基准，比较了本文的位移场结果与前人的结果，验证了高阶位移场函数的准确性．     

材料非线性对复合材料层合板热自由边界效应的影响

本文用准三维有限元法研究了材料非线性对复合材料层合板热自山边界效应的影响,给出了修正型Hahn-Tsai非线性应力-应变关系的三维形式。由本文非线性分析方法得到的层间应力与以往由线性分析方法得到的层间应力做了比较,结果表明:材料非线性能显著降低层间剪应力的集中程度,但对层间正应力影响不太明显。     

用Hamilton半解析法分析固化降温过程中的层间热应力

推导了增量形式Ｈａｍｉｌｔｏｎ半解析法公式；给出了层合板瞬态热弹性问题的求解过程；对复合材料层合板在固化降温过程中的热应力进行了分析。结果表明，在降温过程中层合板内将会出现较大的应力峰值，这些应力峰值将是导致层合板在固化工艺过程中出现破坏的原因。本文的工作将对固化工艺研究具有参考价值。     

缺口复合材料层合板疲劳性能的试验研究

对带各种缺口的复合材料层合板的疲劳性能进行了研究。设计了不同类型的制品试件,分别进行静态和疲劳试验。试验数据表明,缺口对复合材料的静强度和静刚度的影响不大,缺口试样的疲劳寿命带高于缺口试样,与金属材料相比,复合材料对缺口不敏感。采用条状试样获得的力学性能不参代表复合材料的真实性能,实现表明自由边的缺口对结构提高疲劳寿命是有利的。文中还对疲劳过程中复合材料的刚度变化进行了研究,对文中所研究的层合板,