基于渐进均匀化的平纹编织复合材料低速冲击多尺度方法

针对平纹编织复合材料低速冲击响应和损伤问题,提出了一种多尺度分析方法. 首先, 建立微观尺度单胞模型,引入周期性边界条件,采用最大主应力失效准则和直接刚度退化模型表征纤维丝和基体的损伤起始与演化,预测了纤维束的弹性性能和强度性能. 其次,将这些性能参数代入介观尺度单胞模型,基于Hashin和Hou的混合失效准则以及连续介质损伤模型对介观尺度单胞进行6种边界条件下的渐进损伤模拟.然后采用渐进均匀化方法,以介观尺度单胞为媒介预测了0$^\circ$和90$^\circ$子胞的性能参数,并建立平纹编织复合材料的子胞模型,进而扩展成为材料的宏观尺度低速冲击模型. 在此基础上,研究了平纹编织复合材料低速冲击下的力学响应与损伤特征.结果表明:宏观冲击仿真和试验吻合较好, 验证了多尺度方法的正确性;最大接触力、材料吸能和分层面积均随冲击能量的增大而增大,分层损伤轮廓逐渐从椭圆形向圆形转化;基体拉伸和压缩损伤的长轴方向分别与子胞材料主方向正交和一致,损伤面积前者远大于后者.      

复合材料层板冲击损伤响应的能量和接触力研究

摘 要：本文以复合材料层压板标准冲击试样,用落锤试验、冲击后压缩试验的手段研究了三种不同铺层的低速冲击特性。分析了冲击响应接触力、能量的基本特性和变化规律,发现冲击能量相对于板阻抗水平的不同会导致接触力-时间曲线形状的差异。从冲击总能量、吸收能量和损伤耗散能量的角度阐释了能量和接触力与层压板损伤、变形、压缩剩余强度的关系,损伤直接取决于吸收能量,与冲击总能量有较好的正相关关系,但与接触力无明显联系。最大接触力是仅取决于板损伤阻抗性能的一个门槛值。同时,进行了冲击过程动态有限元模拟,得到了冲击响应参数曲线和损伤结果,与试验结果有较好的对应关系。     

含冲击损伤高强中模碳纤维复合材料层压板压缩剩余强度分析与试验验证

论文以碳纤维复合材料层压板为研究对象,发展了一种模拟复合材料层压板冲击及冲击后压缩的一体化数值分析方法．基于Puck 失效准则和粘聚区模型描述层内损伤与层间损伤,分别采用基于断裂能的双线性型、函数型以及直接折减型等不同损伤折减方法构建了层内损伤预测与演化模型;建立了碳纤维复合材料冲击后压缩数值仿真模型,通过开展不同能量冲击后压缩试验,验证了所发展的数值分析方法的有效性;研究结果表明,采用Puck 失效准则和基于断裂能的双线性损伤演化模型预测冲击后压缩强度时具有较高精度．     

复合材料层合板的低速冲击损伤及其剩余压缩强度研究

本文采用理论和实验方法研究了复合材料层合板的低速冲地及其剩余压缩强度。文中利用有限元方法和能量转换原理计算了层合板受到低速冲击的受载最危险状态，以及此时的应力分布；并用Ｔｓａｉ－Ｗｕ张量准则判断损伤情况，对产生损伤的单元进行相应的刚度折减，且作重复计算直至不产生新的损伤为止；最后，对受冲击的层合板还进行剩余压缩强度计算。在实验中，采用激光全息无损检测法测量了层合板的冲击损伤，并对受冲击的层合板进行     

民机复合材料结构冲击后压缩设计值的确定方法

冲击后压缩设计许用值是复合材料飞机结构设计的一个非常重要的参数。本文通过分析常用的目视检测方法和飞机结构冲击能量统计结果,从凹坑深度和冲击能量截止值两方面定义了目视勉强可见损伤;根据民机设计兼顾安全性和经济性的特点,作者提出压缩设计许用值中的目视勉强可见损伤应综合考虑,慎重确定。文章还研究了复合材料层压板的抗冲击性能,从工程应用角度给出了结构冲击后压缩设计许用值的确定要点,即用小试样的冲击后压缩试验结果推导的基准系数和环境系数,对元件乃至典型结构件的冲击后压缩试验结果进行修正。     

复合材料层压板低速冲击响应与损伤参数关系研究

论文针对复合材料标准冲击试样,用落锤试验手段研究了三种不同铺层层压板的低速冲击特性.分析了冲击响应接触力和能量的基本特性及变化规律,发现冲击能量相对于层压板阻抗水平的不同会导致接触力-时间曲线形状的差异.从冲击总能量、吸收能量和损伤耗散能量的角度阐释了能量和接触力与层压板分层损伤、凹坑变形的关系.发现损伤直接取决于吸收能量,与冲击总能量有较好的正相关关系.最大接触力是表征层压板损伤阻抗性能的一个门槛值.在一定能量条件下进行冲击,峰值接触力若达到层压板的接触力门槛值,则峰值接触力不再随损伤程度而增加,不能继续作为损伤的表征参数.同时,进行了冲击过程动态有限元模拟,得到的冲击响应参数曲线和损伤结果与试验结果有较好的对应关系.     

低速冲击后含损复合材料夹层板剩余强度研究进展

综述了受低速冲击后复合材料夹层板的损伤性态研究进展,重点介绍了倍受复合材料工程结构设计师所关注的受损复合材料夹层板的剩余拉/压强度.主要内容为:(1) 复合材料夹层板损伤特征;(2)剩余拉伸强度;(3)剩余压缩强度;(4)相关问题的讨论与研究展望.      

基于凹坑深度的复合材料低速冲击损伤分析

对复合材料层合板进行了低速冲击实验,建立了冲击凹坑深度与冲击能量的关系。依据凹坑深度反推冲击能量,并用能量确定冲锤质量和冲击速度,从而可对层合板进行动态数值模拟。冲击凹坑深度与冲击能量的关系表明,凹坑深度的变化是与冲击能量的变化过程相适应的,在此基础上对损伤的分布形式及大小做了详细的分析。采用ANSYS有限元程序对复合材料层合板横向低速冲击进行模拟,采用瞬态分析方法来研究层合板的冲击与损伤过程。对冲击后的试验件进行了C扫描损失检测。计算和试验结果表明,此方法是可行的,特别适合于层合板冲击后的损伤评估。     

复合材料冲击损伤及冲击后压缩强度的等效实验方法

简要论述了复合材料低速冲击及冲击后压缩的研究情况,比较了几种不同的冲击后的压缩实验方法,选取一种小尺寸试件方法,对复合材料低速冲击后的压缩行为进行研究,并将结果与有关文献进行了比较,实验结果与文献结果具有一致的变化规律。研究结果显示,对于材料研究,该方法可用来表征复合材料冲击后的压缩特性。使用该方法可以大大节省实验费用及周期。     

缝合复合材料层板低速冲击损伤研究

通过三维动力学有限元法,以空间杆单元模拟缝线的增强作用,建立了缝合复合材料层板在横向低速冲击载荷作用下的渐近损伤分析模型。该模型考虑了缝合层板受低速冲击时的纤维断裂、基体开裂及分层等五种典型损伤形式,采用基于应变描述的Hashin失效准则和Yeh分层失效准则,并将其嵌入ABAQUS/Explicit用户子程序以实现相应损伤类型的判断及其材料性能退化。针对相同铺层的缝合与未缝合层板,模拟了低速冲击作用下的冲击响应和渐进损伤过程,数值结果与试验吻合较好,证明了该方法的合理有效性。同时探讨了冲击速度、缝合密度等对缝合层板冲击响应和损伤的影响。结果表明：有、无缝合层板的低速冲击响应具有类似的变化规律,缝合能够有效减小冲击损伤面积。随着缝合密度和缝线强度的增大,缝合对冲击损伤的抑制作用更为明显。     

DAMAGE PROGRESSIVE MODEL OF COMPRESSION OF COMPOSITE LAMINATES AFTER LOW VELOCITY IMPACT

IntroductionCompressivepropertiesofcompositelaminatesafterlowvelocityimpactareoneofthemostseriouscircumstanceswhichmustbetakenintoaccountindamagetolerancedesignofcompositestructures[1].Impactdamagegenerallymanifestsintheformsofdelaminations,matrixcracksandfibrefracture[2 ,3].Sofaralotofresearcheshavebeentakeninlowvelocityimpactbehaviorofcompositelaminatesandtheirpost_impactcompressiveproperties.Compressivefailuremechanismsofcompositelaminatesafterlowvelocityimpacthavenotbeenknownclearly .Ther…     

ON RESIDUAL COMPRESSIVE STRENGTH PREDICTION OF COMPOSITE SANDWICH PANELS AFTER LOW-VELOCITY IMPACT DAMAGE

This paper introduces a nonlinear finite element analysis on damage propagation behavior of composite sandwich panels under in-plane uniaxial quasi-static compression after a low velocity impact. The major damage modes due to the impact, including the residual indentation on the impacted facesheet, the initially crushed core under the impacted area, and the delamination are incorporated into the model. A consequential core crushing mechanism is incorporated into the analysis by using an element deactivation technique. Damage propagation behavior, which corresponds to those observed in sandwich compression after impact (SCAI) tests, has been successfully captured in the numerical simulation. The critical far field stress corresponding to the onset of damage propagation at specified critical locations near the damage zone are captured successfully. They show a good correlation with experimental data. These values can be used to effectively predict the residual compressive strength of low-velocity impact damaged composite sandwich panels.     

混凝土冲击破坏动态力学及能量特性分析

动强度和能量耗散规律是研究混凝土动力特性的主要内容。为探究混凝土在冲击荷载作用下的动态力学、变形以及能量演化特征,利用直径为100 mm的霍普金森杆装置对骨料率为0、32%、37%和42%的混凝土试样,分别进行了冲击速度为5、6、7 m/s的冲击压缩试验。探讨了冲击速度和骨料率对试样变形、动强度以及分形维数的影响,建立了动强度关于冲击速度和骨料率的表达式,并对试样吸收能和裂纹表面能之间的关系进行了对比分析。结果表明:混凝土试样破坏时出现了变形滞后现象,破坏形式主要以劈裂拉伸破坏为主;动强度随冲击速度、骨料率的增大而增大,用所建动强度公式可以较好地预估混凝土动强度;混凝土破坏碎块分形维数、吸收能和裂纹表面能均随冲击速度的增大而增大,随骨料率的增大而减小,且吸收能始终高于裂纹表面能,当骨料率为37%时,吸收能转化率最高,约91%转化为裂纹表面能。     

Compressive response and failure of braided textile composites: Part 1—experiments

Experimental results obtained by examining the planar biaxial compression/tension response of carbon 2D triaxial braided composites (2DTBC) are reported in this paper. These experiments were motivated by a need to examine the failure of 2DTBC in a state of stress that would be similar to what is experienced by the walls of a tubular member under compressive crush loads. Results obtained from a series of biaxial tests that were conducted with different proportional displacement loading ratio combinations of compression and tension are reported. In all cases, the dominant failure mechanism under such a stress state is the buckling of the bias and axial tows within the composite. Full field surface displacement data is acquired concurrently during all biaxial and some uniaxial tests using the technique of digital speckle photography. Digital images of the specimen surface that is illuminated with a He-Ne laser are acquired at discrete time intervals during the loading history using a high-resolution digital camera. These images are stored and analyzed to obtain the incremental inplane surface displacement field, Δu(x,y) and Δv(x,y). From these, the incremental inplane surface strains Δε_x, Δε_y and Δγ_xy are obtained by numerical differentiation. The present paper, which is the first in a two part series, is devoted to the biaxial experimental results pertaining to 2DTBC failure.     

嵌锁式CFRP方形蜂窝夹芯梁低速冲击响应及失效机理

采用嵌锁组装工艺制备了碳纤维/树脂基复合材料方形蜂窝夹芯梁，实验研究了低速冲击载荷下简支和固支夹芯梁的动态响应及失效机理，获得了不同冲击速度下夹芯梁的失效模式，分析了其损伤演化过程和失效机理，探讨了冲击速度、边界条件、面板质量分布以及槽口方向等因素对夹芯梁破坏模式及承载能力的影响。研究结果表明，芯材长肋板槽口方向对夹芯梁的失效模式有较大影响，槽口向上的芯材跨中部分产生了挤压变形，而槽口向下的芯材跨中部分槽口在拉伸作用下出现了沿槽口开裂失效，继而引起面板脱粘和肋板断裂；同等质量下，较厚的上面板设计可以提高夹芯梁的抗冲击能力，冲击速度越大，夹芯梁的峰值载荷和承载能力越高；固支边界使得夹芯梁的后失效行为呈现出明显的强化效应，在夹芯梁跨中部分发生初始失效后出现了后继的固支端芯材和面板断裂失效模式。     

冲击载荷下脆性空心颗粒破碎机理

为考察脆性空心颗粒在冲击载荷作用下的应变率效应和破碎行为的细观机理,以粉煤灰漂珠为研究对象,基于低速冲击实验和有限元数值模拟,对比了典型空心颗粒材料在不同加载速率下的力学响应特性和细观压溃行为,阐释了材料宏观应变率效应产生的细观机理,获得以下结果。（1）在0.001～300 s?1应变率范围,漂珠颗粒的破碎率和Hardin破碎势平均提升了约21%和10%～30%,材料比吸能提升了50%～125%,比吸能的额外增加主要与动态颗粒滑移产生的摩擦耗能相关。颗粒平均尺寸较大的试样体现出更强的应变率效应。（2）初始压溃阶段的应力应变响应特征的数值模拟结果与实验结果较吻合,低速冲击下动态二次压溃现象产生的细观机理为动态颗粒滑移和压紧行为对加载速率的依赖性。(3) 数值模拟表明,冲击加载下产生相同应变时颗粒的损伤程度和范围大于准静态加载,这与实验所得破碎势随应变率增加的结果一致。对比低速冲击实验的相对破碎势分析和细观数值模拟结果可知,脆性颗粒堆积材料在动态冲击下表现出的宏观应变率效应主要归因于颗粒压溃行为的率敏感性和动态加载下颗粒破碎能量利用率的降低。     

实时高温作用下花岗岩冲击压缩力学特性研究

为研究实时高温作用对花岗岩冲击力学特性的影响，以川藏铁路色季拉山施工区域加里东期花岗岩为研究对象，利用分离式霍普金森杆（SHPB）及同步箱式电阻炉，对20～800 ℃实时高温下的花岗岩试件进行冲击压缩试验，分析高温作用及加载应变率对试件破碎特征、动态抗压强度及能量吸收情况的影响，基于粉晶X射线衍射分析矿物成分变化与花岗岩动力学强度的内在关联。研究表明:20～400 ℃高温试件以脆性劈裂破坏为主，碎片形态呈纺锤形，两端尖锐，而600 ℃高温试件以塑性破坏为主，形状趋于圆钝；试件峰值应力随温度升高具有先增大后减小的变化趋势，200 ℃时达到强度阈值，随后持续降低；单位体积岩石耗散能与加载应变率呈线性正相关关系，与温度呈二次函数关系，与峰值应力呈指数关系，拟合效果良好；石英、云母和长石三种主要矿物成分的含量波动、相态变化等因素共同导致花岗岩动力学强度在200 ℃后逐步劣化。     

低速冲击下泡沫金属填充薄壁圆管的弯曲行为

采用实验方法研究了低速冲击下泡沫金属填充薄壁圆管的弯曲行为,详细说明了实验方法和原 理。通过与准静态实验结果的比较发现,冲击加载使泡沫金属填充圆管跨中截面的局部压入变形增大,跨中 截面高度变小,结构下缘拉裂破坏延迟。由于结构的惯性效应,锤头总冲击力高于准静态加载时的对应值。     

冲击荷载下内衬八边形钢管空心钢筋混凝土柱的动力响应

以一种内衬八边形钢管空心钢筋混凝土柱为研究对象，在自主研发的无导轨式大型落锤试验机上，完成了3种不同边界条件、2种不同冲击高度以及2种不同轴压比的侧向冲击实验。研究了不同冲击高度、边界条件和轴压比下试件的破坏形态、冲击力时程曲线和跨中位移时程曲线，并选取一根普通空心钢筋混凝土试件与同条件的内衬钢管空心钢筋混凝土试件进行了对比。结果表明:用内衬钢管替代内置钢筋笼使得构件的抗冲击性能明显优于相应的普通空心钢筋混凝土构件，且在轴压比不超过0.3的范围内，轴压比的改变对冲击结束后本内衬八边形钢管空心钢筋混凝土试件的残余挠度影响不大。