复合材料铺层拼接层间断裂韧性的试验研究

针对评价复合材料层合板层间断裂韧性的测量,提出了用拉伸试验法测定Ⅱ型层间断裂韧性,设计了内含铺层拼接区的分层破坏试验层合板,制备了拉伸试件.通过拉伸试验测得了拼接区开裂和分层裂纹稳态扩展过程中的载荷与变形规律:层间破坏具有Ⅱ型断裂特征,且裂纹扩展比较稳定.利用测试数据计算出断裂功,并以临界能量释放率表示层合板的Ⅱ型层间断裂韧性,结果表明用铺层拼接件拉伸法进行层间断裂韧性试验是可行的.     

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。     

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.     

含切口损伤复合材料层合板拉伸失效行为研究

对含有不同切口损伤的复合材料层合板试件进行了拉伸试验,采用电阻应变计同步测量切口损伤前缘区域随载荷的变化,测定含切口损伤层合板的剩余强度,并讨论了损伤长度和损伤角度对剩余强度的影响规律。建立含切口损伤复合材料层合板有限元模型,分析了含切口损伤复合材料层合板的拉伸失效行为,计算了含切口损伤复合材料层合板的剩余强度,确定了剩余强度与切口损伤状态的关系。计算结果与试验结果具有较好的一致性。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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．     

切口类型变化对复合材料双切口层间剪切强度的影响规律研究

利用三维有限元模型和试验对复合材料双切口试件层间剪切强度进行了研究,通过改变双切口试件的切口类型(标准双切口、半V型切口和V型切口),对比分析切口类型变化对试件剪切面应力水平、破坏模式和剪切强度的影响,对侧面夹具为Hopkinson金属棒的半V型切口试件剪切面应力水平进行了分析。结果表明,三种切口类型的试验都不是单纯、均匀的剪切强度试验:标准双切口(DNS)试件剪切面剪应力分布不均匀,横向压应力较大,它仅能得到复合材料的表观层间剪切强度;半V型切口(0.5DVS)试件剪切面剪应力分布最不均匀,横向压应力较小,所得剪切强度偏小;V型切口(DVS)试件剪切面剪应力分布最均匀,但横向压应力较大。DNS试件和0.5DVS试件破坏模式为单纯剪切破坏,两者所测剪切强度离散性相对较小,而DVS试件破坏时初始失效点不在剪切面上,存在二次失效,所测剪切强度离散性较大。综上所述,DNS试件最适合静态层间剪切强度测试。与含Hopkinson金属棒的试件相比,改变切口类型的试件之所以不能改善剪切面的应力水平,是由输入输出区刚度偏小造成的。     

航空用芳纶纸蜂窝各向异性行为研究

采用Arcan加载装置对航空用芳纶纸蜂窝试件进行一系列面外压剪复合加载实验,以此研究材料各向异性行为。实验结果表明:随着面内方向角增加,芳纶纸蜂窝面内等效剪切模量、等效剪切强度显著减小,实验屈服面显著扩张,材料表现出明显的各向异性。基于实验结果,确定了测试蜂窝面内等效剪切模量、等效剪切强度上下限值及其比值关系,并与理论值进行比较。一个适用于各向异性材料的屈服准则与实验屈服面进行比较,比较结果表明:屈服准则能大致描述蜂窝各向异性屈服行为。     

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。     

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,     

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．     

Strain and failure analysis of graphite/epoxy plates with cracks

The objective of this investigation was to study the deformation and failure of uniaxially loaded graphite/epoxy plates with cracks and to determine the influence of notch size on failure. The specimens were quasi-isotropic laminates with cracks of various lengths. They were instrumented with strain gages, photoelastic coatings and moiré grids. Strains near the crack tip show two distinct points of rate change at strain levels of 0.002 and 0.006, the latter corresponding to the ultimate strain of the 90-deg plies. Failure near the crack tip takes the form of a damage zone consisting of ply subcracking along fibers, local delamination and fiber breakage. Failure occurs when this damage zone reaches some critical value. Measured maximum strains at failure exceeded twice the ultimate strain of the unnotched laminate. The average stress over a characteristic distance (5 mm) from the crack tip was used as a criterion to describe the influence of crack length on failure. Comparison of results with those from similar specimens with circular holes showed that strength was nearly independent of notch geometry in this case, i.e., specimens with holes and cracks of the same size had nearly the same strength.     

FRP-混凝土界面粘结行为的参数影响研究

FRP-混凝土界面的粘结性能对FRP加固混凝土结构力学行为和破坏模式有着重要影响。本文对表征FRP-混凝土界面粘结性能的三个重要参数(界面初始刚度、最大剪应力、界面破坏能)开展研究,通过13个单剪试件的试验考察了混凝土强度、胶层厚度和粘结长度等因素对界面粘结行为的影响,根据试验结果拟合了界面破坏能、最大剪切应力与胶层剪切刚度、混凝土强度之间的函数关系。在试验研究基础上,构建了外贴FRP-混凝土界面粘结的有限元模型。通过有限元分析考察了界面破坏能等三个参数不变的前提下,不同的局部粘结滑移本构关系对界面粘结行为的影响;进而研究了其中一个参数变化时引起的界面粘结性能改变。研究结果表明:界面粘结承载力随着胶层厚度增加而逐渐提高;胶层厚度与界面破坏能成正比,与峰值剪应力成反比;当界面破坏能等三个参数保持不变时,局部粘结滑移本构关系对FRP-混凝土界面粘结性能的影响较小;三个参数中的一个增大时将延缓界面破坏的过程。     

压缩-剪切复合应力下PMMA材料的静态力学特性研究

通过压缩具有一定倾斜角(0°,10°,15°,20°和25°)试件和双剪切模型试件,实现了单轴压缩、压缩-剪切复合应力以及纯剪切三种应力状态,得到PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)在相应应力状态下的应力-应变曲线,同时对不同应力状态下试件的破坏模式进行了分析。结果表明:在不同受力环境中材料的强度和破坏的机理不同;同单轴压缩状态下相比,材料在压缩-剪切复合应力状态下屈服极限、强度极限以及破坏应变均不同程度的增大,呈现明显的"剪切增强"现象。单轴压缩与压缩-剪切应力状态下试件的破坏模式均为在试件短对角面上出现明显的剪切屈服带,由应力分析得出试件剪应力在短对角面上达到最大,引起在此平面上分子链间滑动从而产生应变软化形成剪切屈服带;双剪切试件的破坏模式为与剪切面呈45°的斜面。     

含材料非线性的复合材料单钉接头累积损伤分析

发展了静拉伸复合材料接头层合板三维逐渐损伤模型,考虑了单层复合材料在材料1-2面及3-1面上具有明显非线性剪切应力-应变关系的叠层非线性效应,结合有限元技术即应力分析、失效判定准则及损伤过程中材料性能退化等,对接头层合板损伤扩展进行了模拟,结果表明考虑材料非线性的影响与实验结果吻合更好.     

The microbuckling failure of Dyneema~? composites under compression

Two grades of Dyneema~?composite laminates with the commercial designations of HB26 and HB50 were cut into blocks with or without an edge crack and compressed in the longitudinal fiber direction. The cracked and uncracked specimens show similar compressive responses including failure pattern and failure load. The two grades of Dyneema~? composites exhibits different failure modes: a diffuse, sinusoidal buckling pattern for Dyneema~? HB50 due to its weak matrix constituent and a kink band for Dyneema~? HB26 due to its relatively stronger matrix constituent. An effective finite element model is used to simulate the collapse of Dyneema~? composites, and the sensitivity of laminate compressive responses to the overall effective shear modulus, interlaminar shear strength, thickness and imperfection angle are investigated. The change of failure mode from kink band to sinusoidal buckling pattern by decreasing the interlaminar shear strength is validated by the finite element analyses.     

Effect of the Interfacial Stress Distribution on the Material Interfacial Shear Strength Measurement

An integrated experimental and numerical analysis is carried out to study the interfacial shear strength of bonded materials. Two types of shear tests, namely the Iosipescu shear test, and the short-beam shear test are employed to understand the effect of interfacial stress on the interfacial shear strength measurements. The measured average shear strengths are very close, even though the interfacial shear stress distributions of these two kinds of specimens are very different. Therefore, we conclude that the interfacial stress distribution has the least effect on the interfacial strength measurement if the interfacial shear stress is non-singular.