复合材料补片加固钢板的粘接应力与失效模拟

在ANSYS有限元软件中建立三维有限元模型,对复合材料补片单面加固钢板进行数值模拟,使用内聚力单元模拟胶层脱粘和扩展过程,有限元模型计算结果与试验结果吻合较好,弹性极限载荷和失效载荷的相对误差分别为9.6%和4.2%。计算得到了模型在拉伸载荷作用下的载荷-位移曲线、胶层剪应力和剥离应力分布情况以及补片x轴向应力分布情况。结果表明,胶层端部最先达到极限强度后出现开裂,脱粘从补片两端开始逐渐向中心扩展,且扩展过程是非对称的;当补片发生部分脱粘后,补片应力集中在未脱粘处,承载长度逐渐减小、承载能力逐渐降低。     

金属损伤复合材料胶接修补结构力学试验研究

为评估金属损伤复合材料胶接修补结构的剩余强度和剩余寿命,进行了含腐蚀和疲劳损伤LY12CZ航空铝合金板碳/环氧复合材料补片胶接修复结构的力学性能试验,分析了在静拉伸和疲劳载荷作用下修补结构的破坏模式、失效机理。试验研究发现:复合材料胶接修补技术有效改善了腐蚀和疲劳损伤这两类损伤区域的受力状况,恢复了其载荷传递路线,其静拉伸失效形式为金属韧性断裂后胶层脱粘的分步渐进式破坏;与含损伤未修补试样相比,胶接修补大幅度提高了试件的剩余强度和剩余寿命恢复率,修补后铝合金试件承载能力增加了约25%,疲劳寿命增加至修补前的约4倍~5倍。     

位移模式下PMI泡沫夹层结构疲劳损伤试验研究

论文选取磁悬浮列车车身所用的由铝面板与聚甲基苯丙酰亚胺(PMI)聚合物泡沫芯层所组成的轻质夹层复合材料为研究对象,对夹层结构在室温下进行静态强度测试和进行以位移为控制变量的疲劳损伤演化试验,探讨分析了PMI泡沫夹层结构在交变位移控制下的疲劳性能和破坏行为.给出了PMI泡沫夹层结构在静态载荷作用下的力学性能参数.参考静态试验结果加载适当的位移载荷进行疲劳试验,发现在位移控制模式下,夹层结构的疲劳损伤过程和破坏模式明显区别于载荷控制模式.当最大控制位移较小时破坏形式为面板与泡沫层脱离;位移较大时为面板断裂和泡沫芯层塌陷.通过引入载荷的变化作为损伤参量建立了位移控制模式下损伤演变公式,并对两种模式的破坏行为进行了较好的预测.     

泡沫铝子弹高速撞击下铝基复合泡沫夹层板的动态响应

应用一级轻气炮驱动泡沫铝弹丸高速撞击加载技术,对实心钢板以及前/后面板为Q235钢板、芯层分别为铝基复合泡沫和普通泡沫铝的夹层板结构,在脉冲载荷作用下的动态力学响应进行实验研究。结果表明:泡沫铝子弹高速撞击靶板可近似模拟爆炸载荷效果;铝基复合泡沫夹层板的变形分为芯层压缩和整体变形两个阶段;与其他靶板相比,铝基复合泡沫夹层板的抗冲击性能最优。基于实验研究,应用LS-DYNA非线性动力有限元软件,对泡沫铝夹层板的动态响应进行数值模拟。结果表明:泡沫铝子弹的长度和初始速度对子弹与夹层板之间的接触作用力影响显著,并且呈线性关系。泡沫芯层强度对等质量及等厚度夹层板的抗冲击性能均有显著影响,夹层板中心挠度对前、后面板的厚度匹配较为敏感,在临界范围内,若背板厚度大于面板厚度,可减小夹层板的最终挠度。夹层板面板宜采用刚度较低、延性好、拉伸破坏应变较大的金属材料。     

复合材料胶接结构有限元分析方法研究进展

胶接结构的强度分析方法可以分为解析法和数值法两类,数值法主要是有限元方法.本文综述了复合材料胶接结构的有限元分析方法,按照胶接结构有限元模型建立的物理机理,将胶接结构力学分析模型分为基于有限元应力分析模型、基于断裂力学模型和基于损伤力学模型3类.详细介绍了这3类模型中的主要有限元建模分析方法:三维应力分析方法、虚拟裂纹闭合技术方法和内聚力模型方法,介绍了每种方法的基本思想、适用范围、优缺点、改进和扩展、有限元建模的实施步骤,以及有限元分析中应用该方法所取得的成果.第五部分从适用范围、应力奇异和破坏判据3个方面对这几种分析模型进行了对比分析.最后,对该领域发展趋势进行了展望.      

蜂窝夹芯结构冲击损伤后的压缩行为研究

通过试验结合有限元方法,针对蜂窝夹芯结构的无损件和三种冲击损伤件开展了单轴压缩载荷下的失效模式研究,同时考虑了胶层性能与损伤尺寸的影响。研究结果表明：试验和有限元方法得到的损伤模式及起始损伤位置相同;不同冲击损伤位置可导致结构的整体承载能力不同,下降的范围为10%~20%。其中：损伤位于顶面区时承载能力下降最为严重,损伤位于边缘区时承载能力下降最少;面芯界面胶层性能的不同会使结构材料破坏顺序改变,胶层断裂能较低时夹芯结构由蜂窝芯破坏向层间破坏转变;冲击能量不同引起结构损伤程度不同,随着损伤深度的增加,结构破坏的危险位置由中心转向边缘。     

点阵增强型复合材料夹层结构的力学性能实验与分析

采用真空导入成型工艺,制备出在面板与芯材界面上具有创新构型的点阵增强型复合材料夹层结构。对其面板拉伸性能、夹层结构剪切与平压性能进行了实验研究,得出点阵增强型复合材料夹层结构经树脂柱增强后,剪切与平压性能均得以提高的结论。对不同跨高比复合材料夹层结构开展了三点与四点弯曲实验,研究其典型受力破坏形态与机理。基于Eshelby等效夹杂原理,采用Mori-Tanaka方法求解了点阵增强型复合材料夹层结构经树脂柱增强后的剪切性能。利用经典夹层梁理论和非线性有限元模拟方法,预估了试件抗弯刚度与受弯极限承载力,理论分析与实验结果较吻合。     

短柱型复合材料加筋壁板轴向压缩破坏分析方法研究

复合材料加筋结构可作为航空结构中的承力部件,其损伤与破坏对航空器的结构安全和服役性能至关重要.本文通过试验和数值仿真手段研究了短柱型复合材料结构压缩失效机理和极限承载力.通过短柱型单加筋板的轴向压缩破坏试验,分析梳理出界面脱粘和材料压溃两种典型失效形式;分别建立加筋板壳单元模型和实体单元模型,引入内聚力模型和Hashi...     

胶接体系的胶接强度、粘结能及损伤破坏研究

胶接是指一种用粘合剂实现连接和固持的方法,胶接形式的金属薄板在汽车工业,建筑业以及航空航天领域有着广泛的应用.论文采用有限元模拟方法,研究了该胶接体系在受载状态下的滑剪破坏行为,重点关注了胶层粘结能,搭接长度,胶层厚度对胶接接头承载能力的影响,同时初步探讨了胶层的界面损伤情况.胶层粘结能的提高能够显著提高接头的承载能力.此承载能力受搭接长度和胶层粘结能的共同影响,较大的粘结能情况下,提高搭接长度能够显著提高接头的承载能力.胶层厚度对接头的承载能力也存在影响,在论文考虑的厚度范围内,提高厚度能够增强接头的承载能力.最后初步考虑了接头在达到载荷峰值时刻的胶层损伤情况.     

缝合复合材料泡沫夹层结构稳定性研究

随着复合材料结构在航空航天领域的应用日渐广泛,非主承力结构壁板趋向于采用高比刚度的泡沫夹层结构。采用缝合工艺虽能提高泡沫夹层结构的面外性能和层间性能,但对泡沫夹层结构其它性能的影响并不明晰。通过压缩稳定性试验对泡沫夹层结构的稳定性进行研究,夹层结构分别采用单向带面板和织物面板。研究对象包括未缝合泡沫夹层结构和不同缝合密度的缝合泡沫夹层结构。试验结果表明:缝合会降低泡沫夹层结构的稳定性,缝合密度增加时,泡沫夹层结构稳定性性能降低。     

夹层梁总体屈曲及皱曲的有限元计算

皱曲是夹层结构的一种短波屈曲模式,通常发生于夹心较厚或夹心刚度较低的情况。由于模型规模的限制,在常规有限元建模时通常将夹层板模拟为二维板单元,这种方法忽略了面板和夹心在厚度方向上的相互作用,无法计算出皱曲模式。针对上述问题,本文首先介绍了一个计算夹层结构总体屈曲和皱曲的统一理论,并将此理论的计算结果作为理论解。为了同时...     

泡沫夹芯结构双侧挖补法修理分析与试验探讨

以泡沫夹芯结构为研究对象,通过四点弯曲试验研究了完好结构、损伤后结构和采用双侧挖补法复合材料补片修理后结构的承载能力.试验结果显示,试件未在修理区域破坏,而是远离修理区的加载处泡沫芯材破坏;试件中心点处应变相同时,修补后结构的承载能力小于完好件承载能力的80%.文中对产生这些问题的原因和解决措施进行了探讨.另外,采用ABAQUS有限元软件对以上几种结构进行了模拟分析,分析结果与试验结果吻合较好.     

壳体初始形状对球形容器液压胀形结果的影响

借助于数值模拟研究了锥台形壳体液压胀形过程中可能出现的质量问题，以及壳体的初始形状对成形结果的影响，在此基础上提出了锥台形壳体的改进方案，以避免壳体的起皱，并最终获得预期的球形容器或椭球形容器。     

Stress-function variational method for interfacial stress analysis of adhesively bonded joints

High interfacial stresses at the free edges of adherends are responsible for the debonding failure of adhesively bonded joints (ABJs). In this paper, a general stress-function variational method is formulated to determinate the interfacial shear and normal (peeling) stresses in ABJs in high accuracy. By extending authors’ prior work in stress analysis of bonded joints (Wu and Jenson, 2011), all the planar stress components in the adherends and adhesive layer of an ABJ are expressed in terms of four unknown interfacial stress functions, which are introduced at the upper and lower surfaces of the adhesive layer. A set of governing ordinary differential equations (ODEs) of the four interfacial stress functions is obtained via minimizing the complimentary strain energy of the ABJ, which is further solved by using eigenfunctions. The obtained semi-analytic stress field can satisfy all the traction boundary conditions (BCs) of the ABJ, especially the stress continuity across the bonding lines and the shear-free condition at the ends of adherends and adhesive layer. As an example, the stress field in an adhesively single-sided strap joint is determined by the present method, whose numerical accuracy and reliability are validated by finite element method (FEM) and compared to existing models in the literature. Parameter studies are performed to examine the dependencies of the interfacial stresses of the exemplified ABJ upon the geometries, moduli and temperature change of the adherends and adhesive layer, respectively. The present method is applicable for scaling analysis of joint strength, optimal design of ABJs, etc.     

纤维复合材料界面横向拉伸分析

以单纤维十字型横向拉伸试验为研究对象,对纤维/基体界面采用弹性-软化双线性内聚力模型,建立了纤维复合材料在横向拉伸作用下界面法向失效过程的解析模型。得到了沿纤维/基体圆周界面的法向应力分布,纤维/基体界面的状态与界面承载力和单纤维复合材料承载力的关系,以及内聚力参数和试件几何尺寸对它们的影响。结果表明:纤维/基体圆周界面在脱粘前经历全部弹性及弹性+软化两种状态;当界面为弹性状态时,界面法向应力随界面强度线性增加;当界面为弹性+软化状态时,界面软化范围随界面裂纹萌生位移的增加而增大;界面初始脱粘位置与拉伸荷载方向重合;界面初始脱粘时的界面承载力随界面强度及界面裂纹萌生位移的增加而增加,随界面裂纹生成位移的增加而降低;单纤维复合材料的脱粘荷载受基体截面尺寸的影响,当纤维体积含量相同时,沿荷载方向截面尺寸的增大对提高脱粘荷载更显著。     

纤维增强橡胶复合材料界面力学性能有限元分析

基于剪滞理论,引入双线性内聚力模型研究了纤维与基体界面应力传递机理．采用ABAQUS模拟了非理想界面在单纤维拔出过程中的脱粘失效,分析了不同脱粘阶段界面剪应力分布情况,以及界面刚度和纤维长径比对界面应力传递和拔出载荷的影响规律．结果表明,在纤维受载失效过程中,纤维的拔出过程可分为4个阶段,即界面的完全粘结、损伤演化、逐渐脱粘、完全脱粘．界面的刚度和纤维长径比对界面应力传递与最大拔出力均有一定的影响．界面刚度、纤维长径比主要影响纤维的最大拔出载荷以及界面脱粘失效位移．     

CFRP-混凝土界面粘结的疲劳性能试验研究

外贴FRP是重要的混凝土结构加固技术,但目前对外贴FRP加固混凝土结构的疲劳性能研究尚不充分,尤其对FRP-混凝土粘结界面的疲劳退化规律和破坏模式的研究更为缺乏。本文采用双面剪切试件,通过2个静载试件和4个疲劳试件的试验研究,考察了粘结长度和胶层厚度等因素对FRP-混凝土界面粘结疲劳性能的影响。通过分析沿粘结长度的FRP应变分布在疲劳循环过程中和疲劳后静载过程中的变化情况,讨论了不同粘结长度和粘结胶层厚度条件下的粘结界面疲劳退化规律和疲劳后静载性能。试验结果表明:胶层树脂-混凝土粘结界面是发生疲劳剥离破坏的薄弱环节;胶层厚度增大时,由于疲劳引起的界面损伤累积发展显著减小,疲劳后静载中胶层厚度较大试件的粘结承载力也更大;粘结长度增大时,界面粘结呈现更为明显的损伤退化,但由于试验粘结长度小于有效粘结长度,疲劳后的静粘结承载力仍更大。     

软材料粘接结构界面破坏研究综述

软材料已经在软机器人、生物医学及柔性电子等各个领域得到广泛的应用. 实际应用中, 软材料多需要粘附于不同类型的基底上, 与之共同组成工程构件进而实现特定的功能, 粘接界面性能对构件的结构完整性与功能可靠性起着关键性作用. 本文对目前软材料粘接结构界面破坏行为方面的研究进行了系统总结. 首先通过与传统粘接结构的对比, 指出了“软界面”与“软基体”两种软材料粘接结构界面破坏行为的独特性及其物理本质. 接着分别总结了“软界面”与“软基体”两种粘接结构界面破坏行为的实验表征方面的研究成果, 对界面及基体黏弹性耗散对界面破坏机理的影响分别进行了分析. 然后从理论角度, 介绍了针对两种软材料粘接结构界面破坏行为的理论分析方法, 并对已建立的相关理论模型进行了总结. 之后以内聚力模型方法为基础, 介绍了软材料粘接结构界面破坏行为数值模拟方面的相关研究进展. 最后基于已有的研究成果, 提出了目前研究所面临的挑战, 并对可能的软材料粘接结构界面破坏的未来研究方向进行了讨论和展望.      

NONLINEAR BUCKLING BEHAVIOR OF DAMAGED COMPOSITE SANDWICH PLATES CONSIDERING THE EFFECT OF TEMPERATURE-DEPENDENT THERMAL AND MECHANICAL PROPERTIES

On the basis of the first-order shear deformation plate theory and the zig-zag deformation assumption, an incremental finite element formulation for nonlinear buckling analysis of the composite sandwich plate is deduced and the temperature-dependent thermal and mechanical properties of composite is considered. A finite element method for thermal or thermo-mechanical coupling nonlinear buckling analysis of the composite sandwich plate with an interfacial crack damage between face and core is also developed. Numerical results and discussions concerning some typical examples show that the effects of the variation of the thermal and mechanical properties with temperature, external compressive loading, size of the damage zone and ply angle of the faces on the thermal buckling behavior are significant. Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 59975013).