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．     

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．     

变角度纤维复合材料环扇形层合板的自由振动分析

与传统的直线纤维增强复合材料相比，变角度纤维复合材料具有更强的可设计性，为改善结构性能提供了更大的可能．鉴于此，本文将研究纤维的变角度铺设对复合材料环扇形层合板的自振频率及振动模态的影响．假设纤维的方向角沿环扇形板的径向线性变化，基于经典的层合板理论，采用微分求积法获得了环扇形层合板自由振动问题的数值解．通过与现有文献及ABAQUS有限元结果的比较验证了本文模型及方法的正确性和收敛性，并详细分析了纤维起始角和终止角的变化对层合板的自振频率及振动模态的影响．研究结果表明：与常刚度层合板相比，变角度纤维复合材料层合板的基频具有更大的调整空间，通过合理选择纤维起始角和终止角可有效提高层合板的基频．研究结果可为该种新型复合材料结构的优化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．     

含分层损伤复合材料层合板剩余压缩强度研究

准确预测含分层损伤层合板的剩余压缩强度,对复合材料具有十分重要 意义。本文基于层合板一阶剪切理论,建立了一种考虑复合材料多种损伤的含分层层合板刚度退化模型,通过数值算例分析了分层屈曲临界载荷与材料强度极限的关系以及刚度退化对含分层层合板前后屈曲行为的影响。     

复合材料层合板分层裂纹扩展的试验及数值模拟研究

由于复合材料层合板在制作加工过程中会产生初始的微裂纹,且复合材料具有各向异性的力学特征,因此在承载条件下,这些微裂纹可能在黏结面上及在层与层之间发生、扩展、发展成宏观层间裂纹,最终导致结构的破坏.本文对复合材料层合板试验件进行了拉伸试验,提出了一种复合材料层合板分层建模方法,利用这种方法对一组试验件进行了单向拉伸荷载作用下极限承载力的研究,得出其分层扩展的位置及层间应力分布规律,将试验结果与数值模拟结果进行了对比,论证了分层建模方法对分析复合材料层合板分层裂纹扩展问题的可行性与适用性.     

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．     

双材料梁界面力学及其应用:综述

双材料结构在工程中得到了广泛应用,如薄膜涂层、压电材料、复合材料层合板和夹层板、粘结接头、FRP加固混凝土结构等;然而,这些结构的破坏通常是从界面及其附近开始的.通常利用损伤力学的方法(材料强度的方法)来预测裂纹的萌生,利用断裂力学的方法来预测裂纹的扩展;因此,开展双材料结构的界面应力分析和具分层双材料结构的断裂以及相关分析是至关重要的.首先介绍双材料梁粘结界面应力分析的基本模型,从而为预测裂纹的萌生提供了有力工具.然后综述双材料梁界面断裂力学分析的基本方法,并详细介绍解析解求解的裂纹尖端法及其相关模型,重点强调裂纹尖端变形对分析结果的影响.最后介绍界面分层对双材料结构其它力学特性的影响,例如屈曲和振动特性.     

复合材料层合板低速冲击损伤分析的连续介质损伤力学模型

针对复合材料层合板低速冲击损伤问题,提出了一种各向异性材料连续介质损伤力学模型,模型涵盖损伤表征、损伤起始判定和损伤演化法则3 个方面. 通过材料断裂面坐标下的损伤状态变量矩阵完成损伤表征,并考虑断裂面角度的影响,建立了主轴坐标系下的材料损伤本构关系. 损伤起始由卜克(Puck) 失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,服从基于材料应变能释放的线性软化行为. 模型区分了纤维损伤和基体损伤,并根据冲击载荷下层内产生多条基体裂纹继而扩展至界面形成层间裂纹(分层) 的试验观察,引入基体裂纹饱和密度参数表征层间分层. 以[0₃/45/-45]_S 和[45/0/-45/90]_4S 两种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了连续介质损伤力学模型的有效性.模型在不同网格密度下的计算结果表明单元特征长度的引入可以在一定程度上降低损伤演化阶段对网格密度的依赖性.      

复合材料刚度性能表征的协同损伤力学模型

针对复合材料层合板的弥散型损伤,提出一个刚度性能表征的协同损伤力学模型. 该模型兼顾了微观物理损伤响应和宏观材料刚度性能表征. 从微观角度,建立细观RVE 模型求解裂纹表面张开位移和滑开位移,以此定义损伤张量,并在宏观上通过对材料应变和损伤表面位移进行均匀化处理,建立单向板或层合板的损伤刚度矩阵和损伤张量之间的联系. 以基体裂纹为例,详细分析并建立了横向裂纹和纵向裂纹的损伤本构. 计算了[±θ/90₄]_S 铺层层合板中基体横向裂纹对刚度性能的影响,结果表明该方法能够准确地预测复合材料层合板由损伤导致的刚度性能衰减.      

含分层损伤复合材料层合板分层扩展研究

采用基于Ｍｉｎｄｌｉｎ－阶剪切理论的四节点板单元,分析了含椭圆分层合板分层扩展行为。利用虚裂纹闭合技术计算分层前缘处的总能量释放率,并采用总能量释放率准则作为扩展准则,结合自适应网格移动技术,并考虑了分层前缘闭合接角效应,对 合材料层合板的分层扩展行为进行了模拟分析。结果表明,初始分层形状对其扩展有方式有限大影响。     

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。     

An experimental study of dynamic delamination of thick fiber reinforced polymeric matrix composites

Dynamic delamination of thick fiber reinforced polymeric matrix composite laminates is investigated using optical techniques and high-speed photography. The laminates used in this work are graphite/epoxy fiber reinforced, 65 percent fiber volume fraction, composite plates consisting of 48 plies (6 mm plate thickness). Two different laminate layups are tested: a quasi-isotropic arrangement and a unidirectional arrangement. The experimental setup consists of 152 mm×152 mm square plates impact loaded in an outof-plane configuration using a high-speed gas gun. Impact speeds range from 1 m/s to 30 m/s. Real-time imaging of the laminate out-of-pane displacement is performed using the lateral shearing interferometer of coherent gradient sensing (CGS) in conjunction with high-speed photography. Onset of dynamic delamination can be observed, and quantities such as delamination speeds (in some cases up to 1800 m/s) are measured and reported. A brief comparison is made with dynamic fracture experiments of the same material conducted in a separate study.     

Energy release rate analysis of delamination in laminates

Delamination growth caused by local buckling of delaminated laminate under compression may lead the structure to failure. In this paper, a two-dimensional model of delaminated laminates was studied using a combination of post-buckling theory and fracture mechanics. The delaminated laminate under compression is first analysed by the first-order deformable plate thoery. Then, the energy release rateG at every point along the delamination front is derived by means of a variation problem with a moving boundary. Finally, the near-surface elliptical delamination is also discussed. There is a large variation of energy release rateG along the delamination front, the direction in which delamination growth may occur depends upon the delamination aspect ratio, the state of applied load and the orientation of plies.Supported by the Chinese Science Foundation of Aeronautics     

FRP加固金属裂纹板的断裂力学分析

传统的金属结构加固方法会形成新的疲劳源,而粘贴FRP加固则具有明显的优势．提出了“三维实体-弹簧-壳元”有限元模型,金属板采用三维实体单元, FRP采用壳单元,用弹簧单元来模拟FRP与金属板之间的胶层,对金属裂纹板粘贴FRP加固后的性能进行了线弹性断裂力学分析,并对影响金属板裂纹前缘应力强度因子的参数进行了讨论．分析结果表明,采用高弹性模量的FRP和增加FRP的厚度对改善加固效果非常明显．     

A novel technique for time-resolved detection and tracking of interfacial and matrix fracture in layered materials

A novel experimental technique is developed for time-resolved detection and tracking of damage in the forms of delamination and matrix cracking in layered materials such as composite laminates. The technique is non-contact in nature and uses dual or quadruple laser interferometers for high temporal resolution. Simultaneous measurements of differential displacement and velocity at individual locations are obtained to analyze the initiation and progression of interfacial fracture and/or matrix cracking/delamination in a polymer matrix composite laminate system reinforced by graphite fibers. The measurements at multiple locations allow the speeds at which interfacial crack front (mode-I) or matrix cracking/delamination front (mode-II dominated) propagates to be determined. Experiments carried out use three-point bend configurations. Impact loading is achieved using a modified Kolsky bar apparatus with a complete set of diagnostics for load, deformation, deformation rate, and input energy measurement. This technique is used to characterize the full process of damage initiation and growth. The experiments also focused on the quantification of the speed at which delamination or damage propagates under primarily mode-I and mode-II conditions. The results show that the speed of delamination (mode-I) or the speed of matrix cracking/delamination (primarily mode-II) increases linearly with impact velocity. Furthermore, speeds of matrix failure/delamination under primarily mode-II conditions are much higher than the speeds of mode-I crack induced delamination under mode-I conditions.     

复合材料疲劳Ⅱ型层间裂纹扩展门槛值试验方法研究

疲劳裂纹扩展门槛值在结构损伤安全设计中具有重要作用，该文提出了复合材料Ⅱ型疲劳裂纹扩展门槛值的试验方法，并实测了两种复合材料的疲劳裂纹扩展门槛值。