复合材料层合板冲击损伤及剩余强度分析方法

应用三维逐渐累积损伤理论和分析技术对层合板的冲击及冲击后含损伤的层合板在拉伸载荷下损伤扩展的全过程进行分析.分析中取消了以往研究者对冲击后层合板损伤状态所做的人为假设,将冲击后层合板的实际损伤状态直接用于剩余拉伸强度研究.通过与已有文献结果比较,验证了方法的正确性.     

含孔复合材料层合板静拉伸三维逐渐损伤分析

针对面内静拉伸纤维增强复合材料含中孔层合板，发展了参数化三维逐渐损伤模型. 该模型 可以模拟含中孔层合板损伤起始、发展及最终结构破坏整个过程，并能较好地预测含中孔层 合板的破坏模式和破坏强度. 采用所发展的模型和有限元三维逐渐损伤分析技术即应力分 析、失效判定准则及损伤过程中材料性能退化等，对其他文献所提供的9种不同类型含中孔层合板进行了损伤扩展分析及强度预测，同时对层合板的损伤基本机理、类型及其相互关联作用进行了探讨，计算结果与文献实验结果非常吻合.     

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。     

缝合复合材料层合板拉伸疲劳损伤及其机理

对有、无缝合复合材料层合板的拉伸疲劳性能进行了试验研究,考察了0^\circ缝合对复合材料光滑板拉伸疲劳损伤扩展规律的影响. 通过有限元素法分析了有、无缝合复合材料层合板的应力状态分布情况,对缝合复合材料层合板的拉伸疲劳损伤及其扩展机理进行了分析. 研究表明,缝合改变了复合材料层合板拉伸疲劳损伤起始与扩展的机理,针脚附近的面内正应力\sigma_{x}与层间剪应力的集中对层合板拉伸疲劳损伤的发生与扩展有着重要的作用,自由边界处的层间集中应力对缝合板的疲劳性能也有影响. 自由边界处的层间集中应力是导致无缝合层合板疲劳损伤及其扩展的主要原因.      

大开口复合材料层合板强度破坏研究

复合材料层合板的各向异性及非均质,使得复合材料层合板内部的破坏形式非常复杂.在复合材料结构的设计中,为满足制造及使用功能上的需求,在复合材料层合板承力结构件上不可避免地需要设计各种开口.然而,含大开口复合材料层合板的强度破坏问题变得更为复杂,使得现有的强度理论面临新的挑战.针对碳纤维增强复合材料大开口层合板受单向拉伸载荷作用下的强度破坏问题进行了数值分析和实验研究.首先,根据Hashin准则和刚度退化模型,对含不同圆形开口尺寸的[0]_(10)单向铺层、[0/90]_5和[±45]_5正交铺层的层合板,进行了单向拉伸载荷作用下渐进失效的数值模拟分析,获得了对应结构的极限载荷和破坏模式.在此基础上,采用数字图像相关方法,进行复合材料大开口层合板强度破坏的实验研究.研究结果表明,大开口复合材料层合板在单向拉伸加载下主要呈现脆性破坏形式,破坏起始位置处于应力集中区.此外,破坏强度和失效模式与复合材料铺层方式和开口尺寸大小密切相关.其中[±45]_5铺层的开口层合板承载能力最弱,分层破坏最严重.开口尺寸越大,结构的极限载荷值越低.同实验测试结果相比,数值模拟对复合材料层合板的损伤失效分析略显不足,往往很难全面分析复合材料层合板破坏失效过程中的各种因素的影响.     

变形对非饱和土渗透系数影响规律模拟研究

对有、无缝合复合材料层合板的拉伸疲劳性能进行了试验研究,考察了0^\circ 缝合对复合材料光滑板拉伸疲劳损伤扩展规律的影响. 通过有限元素法分析了有、无缝合复 合材料层合板的应力状态分布情况,对缝合复合材料层合板的拉伸疲劳损伤及其扩展机理进 行了分析. 研究表明,缝合改变了复合材料层合板拉伸疲劳损伤起始与扩展的机理,针脚 附近的面内正应力\sigma_{x}与层间剪应力的集中对层合板拉伸疲劳损伤的 发生与扩展有着重要的作用,自由边界处的层间集中应力对缝合板的疲劳性能也有影响. 自 由边界处的层间集中应力是导致无缝合层合板疲劳损伤及其扩展的主要原因.     

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     

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。     

具有分层损伤的不同加筋形式复合材料层合板的后屈曲性态研究

基于板的一阶剪切理论和V on-K arm an大挠度理论,分别推导了复合材料层合板和层合梁的几何非线性有限元列式,提出了含嵌入分层的复合材料加筋层合板在受压缩载荷作用下的后屈曲有限元分析方法,对在板厚方向具有不同分层位置的加筋板结构进行了有限元数值分析,研究了不同的加筋方式及筋的分布对具有分层损伤的复合材料加筋层合板的后屈曲性态的影响,所得结果对确定在压缩载荷作用下含损伤复合材料加筋层合板的剩余承载能力具有参考价值。     

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。     

割口单向叠层板的拉伸应力集中与强度

基于剪滞理论,建立一种分层剪滞模型,分析了含割口的单向叠层板在拉伸载荷作用下的应力重新分布问题,获得了割口前缘完整纤维的应力集中因子.在此基础上,采用细观统计破坏理论,研究了割口单向叠层板的拉伸破坏强度,得到了与现有实验较吻合的结果.     

The impact properties of laminated composites containing ultrahigh carbon (UHC) steels

An ultrahigh carbon (UHC) steel/mild steel laminated composite and a UHC steel/UHC steel laminate have been successfully manufactured by a roll-bonding procedure. Impact properties of these laminates, as well as of monolithic samples of the steels contained in these laminates, have been determined in the crackarrestor orientation over the temperature range 25 to ?196°C. Both notched and unnotched samples of the laminated composite and laminate have been tested. Extremely low ductile-to-brittle temperatures of ?140°C, and very high shelf energies (>325 J), have been found both for the laminated composites and the laminates. This remarkably good behavior is shown to be a result of notch blunting by delamination within the laminates.     

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,     

On the use of crack-tip-opening displacement to predict the fracture strength of notched graphite/epoxy laminates

The fracture strength and crack-opening displacement of notched graphite/epoxy laminates were measured experimentally using the center-cracked tension-specimen geometry. Four replicate tests were conducted for a variety of laminate stacking sequences, thicknesses, and notch lengths. Most laminates exhibited extensive notch-tip damage prior to fracture. Values of crack-tip-opening displacement (CTOD) at fracture were estimated from values of crack-opening displacement measured at the crack center line. CTOD was independent of specimen crack length for the [0/±45/90] _s , [0/±45/90]_15s , [0/±45] _s , [0/±45/]_15s , and [0/90]_24s laminates. In addition, notched laminate strength was accurately predicted using a Dugdale-type model along with the estimated CTOD.Paper was presented at V International Congress on Experimental Mechanics held in Montreal, Quebec, Canada on June 10–15, 1984.     

一种FRP累积损伤模型及其在结构疲劳寿命估算中的应用

推荐了一种应变损伤累积模型，能够考虑单向板面内多轴应力和平均应力的影响。只需要单向板在确定应力比下的若干典型疲劳试验结果，就可以预测相同材料体系多向层压结构在不同应力比的循环载荷下的疲劳寿命，有助于降低试验成本和工作量。研究了适用于多向层压结构剩余强度估算和疲劳寿命预测的步骤和程序。针对碳纤维／树脂基T300／QY8911复合材料，试验测定了三组典型单轴循环应力（[0]16拉－拉、[90]16拉－拉和[0/90]4S剪－剪）下的S－N曲线。以此为输入，预测四种多向铺层板在各种拉－拉循环应力下的疲劳寿命，寿命预测结果和相应的试验结果吻合良好。采用了保持计算和试验的载荷／强度比相对等值的方法来近似抵消层合效应对疲劳寿命的影响。强调了进一步发展能够定量估计层间应力影响与分层扩展过程的疲劳损伤模型的重要性。     

复合材料层合板面内渐进损伤分析的CDM模型简

基于连续介质损伤力学,提出了一个预测复合材料层合板面内渐进损伤分析的模型,它包括损伤表征、损伤判定和损伤演化3 部分. 模型能够区分纤维拉伸断裂、纤维压缩断裂、纤维间拉伸损伤和纤维间压缩损伤4 种损伤模式,定义了与4 个损伤模式对应的损伤状态变量,导出了材料主轴系下损伤前后材料本构之间的关系. 损伤起始采用Puck 准则判定,损伤演化由特征长度内应变能释放密度控制. 假定材料服从线性应变软化行为,建立了损伤状态变量关于断裂面上等效应变的渐进损伤演化法则. 模型涵盖了复合材料面内损伤起始、演化直至最终失效的全过程. 完成了含孔[45/0/-45/90]_2S 层合板在拉伸和压缩载荷下失效分析,结果表明该模型能合理进行层合板的强度预测和损伤失效分析.     

复合材料层合板面内渐进损伤分析的CDM模型

基于连续介质损伤力学,提出了一个预测复合材料层合板面内渐进损伤分析的模型,它包括损伤表征、损伤判定和损伤演化3 部分. 模型能够区分纤维拉伸断裂、纤维压缩断裂、纤维间拉伸损伤和纤维间压缩损伤4 种损伤模式,定义了与4 个损伤模式对应的损伤状态变量,导出了材料主轴系下损伤前后材料本构之间的关系. 损伤起始采用Puck 准则判定,损伤演化由特征长度内应变能释放密度控制. 假定材料服从线性应变软化行为,建立了损伤状态变量关于断裂面上等效应变的渐进损伤演化法则. 模型涵盖了复合材料面内损伤起始、演化直至最终失效的全过程. 完成了含孔[45/0/-45/90]_2S 层合板在拉伸和压缩载荷下失效分析,结果表明该模型能合理进行层合板的强度预测和损伤失效分析.      

Thermal residual stresses in thick graphite/epoxy composite laminates—Uniaxial approach

Thermal residual stresses have been known to be very large in laminates of continuous-fiber-reinforced polymer composites. When the thickness of the laminate is large, however, the measurement of the residual stresses raises questions on the accuracy of the conventional methods. A novel concept of layer separation is developed to measure quantitatively and precisely the tensile residual stresses in thick plates with layered distribution of residual stresses. It is applied to thick [O₂/9O₄]_13s, AS/3501-6 graphite/epoxy laminates. The test specimens were mechanically modeled into the thin strips for the application of the new concept of layer separation. The tensile residual stresses measured in the 90-deg layers of these laminates are nonuniform throughout the specimen, and vary from 55.6 MPa to 71.4 MPa. It is very interesting to compare these values with the transverse strengthF ₂ ^tu of AS/3501-6 unidirectional composites, which is 65.4 MPa.