错位铺层拼接层合板力学性能分析与模拟方法探索

针对特殊使用条件,需使用单向带逐层拼接或对接方法制备复合材料层合板,层合板内存在大量的,有意设计的间断点.论文首先通过多种方法测定试件不同位置应变数据来计算不同参数下刚度值变化情况,然后基于可反映错位铺层拼接层合板结构的细观尺度,使用ABAQUS有限元,将层合板中存在间断的增强纤维视为rebar-layer插入树脂基体,建立表征结构、纤维体积百分含量相符的等效模型进行模拟.经对比模拟与试验结果可见,该方法模拟结果准确,贴近真实情况;有效反映出参数不同所引起试样刚度变化特征.     

角铺设复合材料层合板内部脱层破坏的研究

在面内剪切外载作用下，角铺设复合材料层板板最终的宏观破坏模式是脱层，然而从细观角度来看，宏观的脱层破坏可以对应不同的细观损伤过程，以破坏面的形貌为例，有些破坏面的形貌为例，有些破坏面主要由裸露的纤维和纤维迹组成，而有些破坏面则主要由矩齿形基体材料组成。不同的过程对应着不同的力学性能、诸如脱层强度、韧性等、本文从细观角度研究了脱层破坏过程，并就铺设角、界面强度、基体开裂强度对该过程的影响进行了讨论。     

低速撞击下正交型纤维增强复合材料层板的脱层研究

用不饱和聚脂预浸渍玻璃纤维带制作了几种正交型铺层序列的层板梁试件,并对其在固支条件下进行了横向冲击实验。用嵌入式加速度传感器得到了载荷历史,通过高速摄影机和显微摄像系统从层板侧面观察了脱层现象。根据最大剪应力准则,通过对层板内部剪应力的分布以及不同铺层间三种不同剪切破坏强度的近似分析,解释了首次脱层具体位置和二次脱层现象。试验和分析表明,脱层失稳所对应的脱层阈值载荷与试件的铺层结构有关。但是,对不同铺层结构的试件,发生脱层的0°/90°界面具有相同的细观剪切强度。因此,用细观界面剪切强度来分析和预言试件的脱层失稳更具有一般性。     

飞机复合材料气密舱门布局和铺层的两级优化设计

针对飞机复合材料气密舱门的轻量化设计,提出了一种两级优化方法。第一级优化方法以结构应变能最小为目标,对横向加强筋的相对位置进行布局优化;在第一级优化结果的基础上,第二级优化方法借助于等效弯曲刚度法和遗传算法,以舱门强度、刚度和复合材料失效准则为约束条件,进行内外蒙皮、环框和横向加强筋的铺层优化;通过两级之间的迭代,最终得到结构布局和铺层的最优方案。对某个型号飞机舱门的优化结果表明:布局优化后舱门最大位移和最大应力分别降低了22.7%和11.2%,舱门刚度和强度得到了明显的改善;铺层优化后舱门质量降低了7.69%。本文研究为复合材料气密舱门实现结构减重提供了一种有效的方法。     

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.      

计及界面损伤的复合材料正交(混杂)叠层板的应力集中分析

对正交(混杂)叠层复合材料最终拉伸破坏过程中的细观应力集中问题,提出了一种修正的剪滞分析模型;研究了叠层中由于90°层的基体开裂、层间界面破坏、0°层中部分纤维断裂及纤维/基体界面损伤相互作用所导致的细观应力重新分布,获得了相应的应力集中因子和界面破坏区长度与界面剪切强度的定量关系。本文结果为进一步研究正交叠层复合材料的细观破坏机理、最终拉伸强度及协同效应等提供了重要的理论依据。     

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.     

含分层损伤复合材料层合板的压缩强度研究

给出了基于一阶剪切变形理论的含分层损伤层合板有限元分析模型,将含分层损伤层合板在压缩载荷作用下的强度破坏分析和屈曲破坏分析统一起来。先区分其破坏形式,然后再进行具体破坏分析,在屈曲特性分析中考虑了铺层强度破坏引起的刚度折减的影响,数值结果表明,该文给出的方法和结论对含分层损伤复合材料层合板的设计更具参考价值。     

二维编织陶瓷基复合材料应力-应变行为

对二维编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变行为进行了试验研究和理论模拟. 将二维 编织结构简化为：正交铺层结构和纤维束波动结构. 基于基体随机开裂、纤维随机断裂分布 理论,得到正交铺层结构的应力-应变关系;基于体积平均方法,将纤维束波动部分进行分割, 引入强度分析模型,得到纤维束波动部分的应力-应变关系. 结合正交铺层部分和纤维束波动 部分的应力-应变关系,得到二维编织结构的应力-应变行为,理论与试验吻合较好.     

复合材料粘聚区模型的强度参数预测

提出了一种基于周期性代表性单元（RVE）的细观模型,用于预测粘聚区模型的强度参数,以提高基于粘聚区模型的有限元法模拟复合材料分层的精度。模型从复合材料的细观结构出发,采用最大主应力准则判断粘聚层的初始裂纹的萌生,从而建立了粘聚强度与基体强度的关系;并以宏观正交各向异性为假设条件,确定了RVE的周期性位移边界条件。用该模型预测了AS4/PEEK和T700/QY8911层合板不同铺层间的粘聚强度。采用所预测的粘聚强度值对混合模式弯曲（MMB）和六点弯曲试验进行了仿真,仿真结果与实验值具有较好的一致性。     

近片层γ-TiAl基合金宏观屈服的微观表征

将近片层-γTiAl基合金视为以等轴γ颗粒为基体,PST颗粒为夹杂的两相复合材料,基于细观力学自洽理论,对合金的有效弹性模量及基体和夹杂中的应力和应变场进行了解析分析计算,并结合细观力学的宏细观关联方法,确定了近片层-γTiAl基合金的宏观屈服的微观表征.结果表明:夹杂颗粒中的应力和应变场与外载及夹杂的体积分数f和椭球长细比ρ有关,软取向PST夹杂颗粒的微变形屈服导致近片层-γTiAl基合金材料的整体宏观屈服.     

2D编织陶瓷基复合材料应力-应变行为的试验研究和模拟

本文对2D编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变行为进行了试验研究和理论模拟。将2D编织结构简化为：正交铺层结构和纤维束波动结构。基于基体随机开裂、纤维随机断裂的统计分布理论,得到正交铺层结构的应力-应变关系;基于体积平均方法,将纤维束波动部分分割为若干子单元;由于纤维束的波动使各子单元材料方向与加载方向不一致,因此考虑了各子单元的线性行为和非线性行为对材料响应的影响,同时引入强度分析模型,得到纤维束波动部分的应力-应变关系。结合正交铺层部分和纤维束波动部分的应力-应变关系,得到2D编织结构的应力-应变行为,理论与试验吻合较好。     

静应力作用下的层合板接头损伤失效分析

基于单层板理论,结合有限元分析技术即应力分析、Hashin三维失效判定准则、包含4种基本损伤类型相互关联作用的材料性能退化方法及结构最终破坏判据等,建立了含辅助铺层层合板接头静载损伤失效分析方法. 同时,对层合板接头损伤扩展进行了模拟分析,损伤计算结果与试验分级加载试样X光进行了对比. 通过多种类型层合板接头静强度预测结果与试验结果对比及静载累积损伤规律分析表明,建立的静载三维累积损伤分析的强度预测方法可方便模拟不同结构尺寸层合板接头内部各铺层损伤起始、发展及结构最终破坏整个累积过程,同时获得其最终破坏强度及破坏模式. 该方法的预测结果与试验结果吻合较好.      

热塑性复合材料层合板层间细观力学研究

本文将提出一种基于小波变换技术的数字图像处理技术.在白光下,实现了固体自然纹理表面的面内位移u,v场的高精度测量,并将其应用到复合材料宏、细观力学性能的研究中.对复合材料层合板AS4/PEEK[0/±45/90]7S在三点弯曲作用下,自由边界层间的应变分布和变形传递规律进行了细观测量和研究.     

碳纤维增强塑料层合板正交层间的剪切强度

1. 前言在以往的一些复合材料性能测试标准和有关讨论层间剪切破坏的文献中,都只引入单向复合材料的层间剪切强度。然而事实证明,正交铺层间的剪切强度(称正交层间剪切强度) 要比单向铺层间的剪切强度(称单向层间剪切强度)低得多。因此,只用单向层间剪切强度不足以说明层合板的层间剪切强度,尤其是把它用作设计指标时就更不合理,也不安全。为此,我们引进了正交层间剪切强度这一新的强度指标,并设法正确地测定了它。若以此作为设计指标就保证安全。测定单向层间剪切强度已经有了较合理的方法,它是用短梁的三点弯曲来测得的。本文也提出用短梁的三点弯曲来测定正交层间剪切强度。不过试样材料是用〔0_m/90_n〕_s这类正交铺设层合板。     

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。     

钢纤维混凝土层裂强度的实验研究

钢纤维能显著提高混凝土抵抗层裂破坏的能力,但纤维含量、长细比和形状对高应变率下钢纤维混凝土层裂强度的影响仍缺少系统研究.本文利用大直径Hopkinson杆对混凝土细长杆件进行冲击加载,通过放置在试件后方的空心铝合金杆上应变波形确定试件的层裂强度,系统研究了钢纤维含量、长细比和形状对钢纤维混凝土层裂强度的影响.实验结果表明钢纤维混凝土层裂强度具有应变率效应,即应变率越高层裂强度越高.钢纤维对混凝土层裂强度的增加与纤维影响系数α、纤维长细比和纤维含量三者之乘积具有线性关系.动态加载条件下的系数α高于静态,其原因主要是动态加载时纤维快速从基体拔出时动态剪应力增加.波浪形纤维混凝土的系数α比扁头型纤维高.根据实验结果建立了钢纤维混凝土层裂强度经验公式,公式预测结果能与实验结果较好吻合.     

多孔材料塑性极限载荷及其破坏模式分析

运用塑性力学中的机动极限分析理论，研究韧性基体多孔材料的塑性极限承载能力和破坏模式。以多孔材料的细观结构为研究对象，将细观力学中的均匀化理论引入到塑性极限分析中，并结合有限元技术，建立细观结构极限载荷的一般计算格式，并提出相应的求解算法。数值算例表明：细观孔洞对材料的宏观强度影响明显；在单向拉伸作用下，孔洞呈现膨胀扩大规律；多孔材料破坏源于基体塑性区的贯通。     

含弧形裂纹复合陶瓷强度的尺度效应

认为含弧形裂纹复合陶瓷由随机方向的三相胞元与有效介质构成,用细观力学的方法研究了复合陶瓷的损伤失效和强度。首先确定三相胞元的外载应变,再依据复合陶瓷在损伤过程中的细观应力场和广义热力学力,计算出三相胞元内基体和颗粒的损伤等效应力,当基体和颗粒的损伤等效应力分别等于两者的极限应力时,得到基体和颗粒的破坏应力。然后,根据混合型应力强度因子计算弧形裂纹扩展时的能量释放率,进而得到界面的破坏应力。最后综合考虑基体、颗粒和和界面损伤影响,获得含弧形裂纹复合陶瓷的宏观强度及其尺度效应。     

应力历史对颗粒材料强度和变形特征影响的离散元模拟

主要关注了颗粒材料前期所受的应力历史对其后期宏观力学响应的影响。该应力历史由一段等比例加载应力路径以及卸载垂直方向应力至与水平方向围压相同的卸载段描述。具体工作为:基于PFC2D双轴压缩数值实验,调查了应力历史对颗粒样本的强度、变形特征、细观参量如组构的影响,得出颗粒样本的偏应力-应变、体积应变曲线及其发生破坏时的名义应变云图。数值结果表明:高低围压下样本分别发生剪切破坏和弥散破坏,高围压下弹性阶段的刚度受应力历史影响较大,而低围压下样本在刚进入塑性至应力峰值点阶段的弹塑性刚度变化较为明显。随着应力历史中等比例加载系数的增大,剪胀加快,变形局部化范围有所不同;另一方面,颗粒形状的不规则性会增强颗粒材料的各向异性,导致样本强度更高。