基于铺层参数的铺层方式与纤维分布协同优化的层合板最大刚度设计

纤维增强复合材料层合板的弹性性质依赖于单层板的纤维含量(体分比)以及铺层方式(总层数、各单层的厚度与铺设方向)。本文研究在给定材料用量条件下层合板的最大刚度设计问题,采用铺层参数作为铺层方式的描述参数、以铺层参数和单层板纤维含量体分比在层合板面内的分布的描述参数为设计变量,以层合板的柔顺性最小为目标,建立了铺层方式和纤维分布协同优化的层合板最大刚度设计问题的提法和求解方法,给出了具有最大刚度的层合板最优铺层方式和纤维含量的分布规律的设计实例。     

变角度纤维复合材料层合斜板的颤振分析

假设纤维方向角沿层合板的长度方向线性变化，研究了变角度纤维复合材料层合斜板的颤振．通过坐标变换将斜板变换为正方形板，采用层合板表面连续变化的速度环量来模拟空气对其的作用，速度环量分布利用Cauchy积分公式计算．建立了系统的Lagrange方程并采用Ritz法得到了层合板的自振频率和颤振/不稳定性分离临界速度．通过数值算例验证了本文模型和方法的正确性和收敛性，分析了各个铺层内纤维方向角的变化对自振频率和颤振/不稳定性分离临界速度的影响．研究结果表明，通过纤维的变角度铺设，可有效地提高层合板的基频和颤振/不稳定性分离临界速度．经合理设计的变角度复合材料层合板具有抑制颤振的作用．     

不同铺层角含孔复合材料板的损伤研究

针对0o、45o、90o铺层角复合材料层合板的含孔结构损伤问题,提出了一种基于层合板各铺层孔边应力解析解的首次损伤载荷系数分析计算模型。根据非均匀各向异性层合板的弹性特性,采用复变函数曲线映射方法获取了层合板孔边界积分方程,计算获得了0o、45o、90o角度铺层层合板各铺层的孔边纤维主方向和垂直于纤维主方向的应力分量;采用Tsai-Hill强度理论,对层合板各铺层进行孔边首次损伤载荷系数计算。分析结果表明:试件左右两端面在受到均布拉伸载荷p的作用下,各铺层中具有90o铺层角的铺层首次损伤载荷系数最小,具有0o铺层角的铺层首次损伤载荷系数最大,说明具有90o铺层角的铺层最先出现损伤,对应铺层首次损伤出现在孔边90o方向区域。将计算值与现有文献结果进行比较,误差小于10%,二者具有较好的一致性。     

基于连续丝束剪切技术的变角度复合材料层合板的热屈曲分析

连续丝束剪切(Continuous Tow Shearing, CTS)铺放技术是一种新的变角度层合板制作技术，这种新技术能显著减少丝束铺放过程中产生的丝束重叠和间隙等缺陷，然而，采用CTS技术铺设时，层合板的厚度将随着纤维角度的变化而变化．本文基于一阶剪切变形理论并应用Chebyshev-Ritz法对这种变厚度的变角度复合材料层合板的热屈曲问题进行了研究．假设纤维方向角沿板的长度方向按照线性变化，获得了均匀温度变化时变厚度层合板的临界热屈曲荷载．通过与现有文献的比较验证了本文方法的正确性，并进一步讨论了纤维铺设技术、纤维方向角的变化以及边界条件的不同对变角度复合材料层合板的临界屈曲温度的影响．研究结果表明，在体积相同的情况下，采用CTS铺设较传统的自动丝束铺放(AFP)可以进一步提升变角度层合板的临界屈曲温度．本文的研究结果可为变角度复合材料的设计提供一定的参考．     

考虑制作缺陷的变角度纤维复合材料层合板的屈曲

假设纤维方向角沿层合板的长度方向线性变化,研究含丝束重叠、间隙等制作缺陷的变角度纤维复合材料层合板的屈曲问题．采用ABAQUS 有限元软件建立层合板的有限元模型,选用S4 壳单元计算四边简支层合板在两端压缩荷载作用下的屈曲临界荷载及屈曲模态,并进行详细的参数分析．研究结果表明：当起始角相同时,含或不含制作缺陷的层合板的屈曲临界荷载均随着终止角的增大而逐渐提高,说明纤维的不同铺设方式对层合板的屈曲性能有很大影响．含重叠缺陷的层合板的屈曲临界荷载均大于不含缺陷层合板的值,而含间隙缺陷的层合板的屈曲临界荷载均小于不含缺陷层合板的值．当层合板的重叠、间隙缺陷共存且面积相等时,层合板的屈曲临界荷载与不含缺陷时层合板的值接近,制作缺陷对变角度纤维复合材料层合板屈曲模态的影响较小．本文研究结果可为含缺陷的变角度纤维复合材料层合板设计提供一定参考．     

含椭圆孔的变角度复合材料层合板的屈曲性能研究

本文利用变角度复合材料的纤维方向角可沿平面位置任意连续变化的特点,提出在孔附近采用与孔同心的椭圆曲线作为纤维铺设路径的层合板铺层方案,以改善含椭圆孔的层合板的孔边应力集中,进而提高层合板的抗屈曲性能．主要研究内容有：利用ABAQUS软件分析本文提出的孔边特殊铺层方式下变角度复合材料层合板的面内应力分布及屈曲性能,通过与传统直线铺层方式以及线性变角度铺层方式进行比较,说明了本文提出的新铺层方式的优越性,并详细分析了椭圆孔的离心率、开孔尺寸及开孔方位对层合板的屈曲临界荷载的影响．研究结果可为含椭圆孔的变角度复合材料层合板的结构设计和优化提供一定的参考．     

开孔复合材料层合板强度不确定性分析

以拉伸载荷作用下AS4/3501-6开孔复合材料层合板为研究对象,采用考虑复合材料层合板就地强度效应的有限断裂力学模型和基于方差的敏感性测度分析模型相结合的方法,研究单层板宏观力学性能不确定性对具有不同孔径和铺层顺序的开孔复合材料层合板破坏强度的影响．研究结果表明：单层板力学性能对开孔板强度影响程度的大小与孔径相关,但敏感性排序与孔径无关．同时,单层板力学性能敏感性测度与层合板铺层顺序有关,层合板各向异性比越大,开孔板拉伸破坏受单层板纤维方向拉伸强度的影响越大,而且开孔板拉伸强度与单层板纤维方向拉伸强度呈正相关,与横向弹性模量呈负相关,与面内剪切模量和纵向弹性模量不具有单调关系．     

非对称铺层复合材料层合板质量优化设计

复合材料广泛应用于航空航天等领域,追求轻量化设计已经成为研究重点。对复合材料层合板质量优化设计,可以减少层合板的纤维用量,减小层合板的质量,降低成本。首先研究复合材料层合板在承受轴向载荷时,产生的形变量、应力示意图,分析容易发生失效部位;以层合板铺层厚度为设计变量,最大应变、铺层比例等为约束条件,最小化层合板质量为优化目标,对碳纤维复合材料层合板铺层厚度等设计变量进行优化,利用强度理论对优化结果进行校核,结合力学试验对比分析优化前后层合板力学性能。结果表明:碳纤维复合材料层合板经过优化后,总质量减轻约16.7%,优化后的层合板满足复合材料强度理论,实验结果与软件仿真具有一致性,说明优化方法是合理可靠的。     

正交异性简支矩形板偏轴压缩稳定性的有限元法分析

稳定性是复合薄板的重要问题之一。复合薄板的主要形式是层合板。关于铺层方式对层合板稳定性的影响问题,已发表了不少文章,如参考文献〔2〕、〔3〕、〔4〕。但对单层板或正交异性板本身的偏轴压缩稳定性,并没有一个完整的了解。本文用有限元法对这样的板作了计算分析。给出了临界载荷随长宽比、压力比、模量比及偏轴角等因素的变化规律,指出上述诸因素都会引起板的屈曲形态突变,使临界载荷曲线分段光滑;对于单向轴压时,最大临界载荷不在弯曲刚度最大的主方向(θ=0°)上发生,而在偏离主方向某一角度的方向上发生,是和文献〔1〕中的Mandel的实验现象一致的。图1所示板的临界载荷,可由方程(1)     

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     

含分层损伤的变角度纤维层合板后屈曲力学行为研究

变角度（Variable angle tow,简称VAT）纤维复合材料层合板的纤维方向能够连续变化．相较于传统的直线纤维层合板,此类层合板通过刚度变化,整体的屈曲性能可以得到很大的提升．本文利用ABAQUS 自带的粘结单元(Cohesive Element)对预制圆形分层的变角度纤维复合材料层合板进行了后屈曲力学行为研究,得出载荷位移曲线,以及分层裂纹萌生和扩展的情况．然后本文分析了预制分层尺寸对板的刚度、前后屈曲阶段和裂纹萌生及扩展的影响．最后通过变角度纤维层合板和直线纤维层合板的后屈曲力学行为进行对比,深入探索了变角度复合材料层合板在抵抗分层裂纹萌生和扩展方面的优势．     

平面编织混杂铺层层合板单钉连接拉伸性能

对平面编织混杂铺层层合板单钉连接结构的挤压性能进行试验研究,分析了铺层比例和试件尺寸对其挤压强度和破坏形式的影响.基于ANSYS平台建立了该层合板单钉连接结构的三维损伤累积有限元模型,对其非线性挤压破坏行为进行了数值计算,预测了初始挤压破坏载荷;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.计算得出的初始挤压破坏载荷与试验结果吻合良好,说明该模型能准确预测层合板单钉连接的初始挤压破坏载荷.     

低速冲击下纤维/金属层合板抗分层性能研究

本文采用内聚力模型,对纤维/金属层合板(FMLs)在低速冲击载荷作用下抗分层性能进行研究。内聚力模型对裂纹的模拟具有它独特的优势：一是该模型不需要预先假设初始缺陷;二是在计算过程中随着裂纹的扩展,该方法不需要重新对结构进行网格划分。借助该模型,本文对低速冲击载荷作用下,纤维层合板(FRP)分层进行了模拟,并验证了该模型计算的有效性。在此基础上,本文研究了低速冲击载荷作用下,不同金属含量的纤维/金属层合板抗分层性能,并与纤维层合板进行了比较。最后从能量的角度讨论了金属含量与铺层结构对FMLs低速冲击性能的影响。     

复合材料加筋板铺层优化设计的等效弯曲刚度法

借助于等效弯曲刚度法和遗传算法,建立了一种复合材料加筋板铺层顺序优化设计算法.等效弯曲刚度法基于层合板的弯曲刚度与其失稳载荷一一对应的关系,将任意铺层顺序的层合板等效成一个只有8层的对称铺层的辅助层合板,通过优化辅助层合板,得到层合板的最优弯曲刚度参数,最后以获得的最优弯曲刚度参数为约束应用遗传算法进行铺层顺序优化,获...     

基于响应面法的纤维金属层合板抗弹性能优化设计

纤维金属层合板因其复合材料的各向异性和层合结构特征而具有较好的可设计性，开展金属纤维层合板的优化设计研究对其力学性能的增强和轻量化具有重要意义。为提高纤维金属层合板的抗弹性能，基于响应面分析法对纤维金属层合板的铺层方向和铺层厚度进行了优化设计。采用Box-Behnken方法进行方案设计，以纤维金属层合板各铺层相对厚度比为设计变量，以结构的比吸能为设计目标，根据设计的方案进行参数化建模获取样本点，在对设计样本进行方差分析和参数估计的基础上，建立了结构比吸能的响应面模型并验证了其精确度。采用遗传算法对响应面方程进行寻优分析，通过显式动力学计算程序ABAQUS/Explicit验证优化效果。最终，在最优的铺层方案下，层合板的质量减小了11.70%，能量吸收增加了19.40%，抗弹性能显著提升。     

CFRP复合材料构件胶接特性及失效规律研究

对不同铺层方式和不同胶层厚度的复合材料胶接单搭结构(SLJs)的连接性能进行了研究。使用内聚力模型模拟了SLJs的胶层退化及失效过程，通过与实验对比验证了数值模型的有效性；基于改进后的三维Hashin失效准则，模拟了复合材料层合板的损伤演化。结果表明：胶层的退化形态及失效规律与胶层粘连的复合材料铺层角度密切相关，当胶层两侧粘连的复合材料铺层角度为0°时，胶层会退化形成椭圆环状；当胶层两侧粘连的复合材料铺层角度为45°或-45°时，胶层会退化形成上下中心对称的水滴状；当胶层两侧粘连的复合材料铺层角度为90°时，胶层会退化成沙漏状。0°铺层与胶层相邻时，结构的极限失效载荷最大，此时复合材料未出现损伤；当90°铺层与胶层相邻，结构的极限失效载荷最小且复合材料出现基体损伤、纤维损伤和分层损伤。胶层厚度在0.05～0.5mm时，复合材料胶接单搭结构的连接性能最好，当胶层厚度大于0.5mm,结构的连接性能会大幅下降。     

破片冲击作用下舰船复合材料结构损伤的近场动力学模拟

基于近场动力学方法，综合分析了破片的速度、层合板的铺层方式、加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对结构损伤模式和破片剩余速度的影响。结果显示:高速破片冲击作用下，层合板会发生侵彻和穿透现象，层合板的损伤模式以基体损伤为主，且随着破片冲击速度的增大，板上下表面的损伤区域呈现出一种先增大后减小的趋势；高速破片冲击作用下，层合的板损伤扩展方向和纤维铺设方向有关，对于纤维铺层方向相同的层合板，其上下表面的损伤扩展方向一般与纤维方向相同；加筋板通过增加少量质量可以获得比层合板更好的抗破片冲击性能，且加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对加筋板的损伤具有明显影响。     

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.     

含铺层拼接层合板的剪切强度

对含铺层拼接的碳纤维增强树脂基复合材料层合板进行了剪切强度实验研究.从三种不同铺层拼接角层合板上切取含缺口的剪切试件,通过实验测定了其载荷-位移曲线,得到了剪切强度值.实验结果表明,三组试件的剪切强度基本相同,即拼接层角度改变几乎不会引起层合板的剪切强度发生明显变化.采用有限元软件ABAQUS6.5对实验过程进行模拟,得到拼接层角度改变将引起拼接层中0°层出现切应力集中,但沿缺口切应力的平均值几乎不变.这也说明拼接层角度的变化几乎不影响层合板的剪切强度.     

智能材料MFC驱动双稳态板的跳变特性研究

智能可变形结构能感知周围环境的变化并做出适当的反应,其主要原理是利用智能材料层产生应变以达到驱动主体结构发生变形。含有智能材料压电纤维MFC的双稳态复合材料层合板可以通过智能驱动实时调整主体结构的形状,实现稳态构型之间的跳变。本文对中心点固支的MFC压电智能驱动双稳态复合材料层合板的稳态构型、跳变规律及其影响因素进行了系统地研究。研究内容主要包括：含MFC的双稳态层合板的稳态构型、分叉行为和驱动跳变分析。利用理论模型分析了层合板的长宽比、厚度尺寸、铺层方式和MFC粘贴位置对双稳态板分叉行为的影响,并预测了双稳态层合板的临界尺寸以及驱动跳变的临界电压。双稳态板的跳变是一个大变形的非线性行为,实现和控制跳变行为的研究是其应用的基础。本文的研究结果为新型压电材料驱动双稳态板的结构设计提供了一定的理论参考。