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。     

基于响应面法的纤维金属层合板抗弹性能优化设计

纤维金属层合板因其复合材料的各向异性和层合结构特征而具有较好的可设计性，开展金属纤维层合板的优化设计研究对其力学性能的增强和轻量化具有重要意义。为提高纤维金属层合板的抗弹性能，基于响应面分析法对纤维金属层合板的铺层方向和铺层厚度进行了优化设计。采用Box-Behnken方法进行方案设计，以纤维金属层合板各铺层相对厚度比为设计变量，以结构的比吸能为设计目标，根据设计的方案进行参数化建模获取样本点，在对设计样本进行方差分析和参数估计的基础上，建立了结构比吸能的响应面模型并验证了其精确度。采用遗传算法对响应面方程进行寻优分析，通过显式动力学计算程序ABAQUS/Explicit验证优化效果。最终，在最优的铺层方案下，层合板的质量减小了11.70%，能量吸收增加了19.40%，抗弹性能显著提升。     

基于铺层参数的铺层方式与纤维分布协同优化的层合板最大刚度设计

纤维增强复合材料层合板的弹性性质依赖于单层板的纤维含量(体分比)以及铺层方式(总层数、各单层的厚度与铺设方向)。本文研究在给定材料用量条件下层合板的最大刚度设计问题,采用铺层参数作为铺层方式的描述参数、以铺层参数和单层板纤维含量体分比在层合板面内的分布的描述参数为设计变量,以层合板的柔顺性最小为目标,建立了铺层方式和纤维分布协同优化的层合板最大刚度设计问题的提法和求解方法,给出了具有最大刚度的层合板最优铺层方式和纤维含量的分布规律的设计实例。     

短纤维增强复合材料层合板的高速冲击性能优化

本文以冲击体最大损失动能为目标函数,以纤维的方向角为设计变量,根据Hashin破坏准则并考虑四种损伤能量耗散对短纤维增强复合材料层合板的高速冲击性能进行优化.用ABAQUS有限元程序对短纤维增强复合材料层合板的高速冲击问题进行数值模拟,并采用遗传优化算法获得最优纤维方向角的布置.数值模拟及优化设计的结果表明:与传统的直线纤维增强复合材料层合板相比,合理的短纤维角度布置能有效提高复合材料层合板的抗冲击能力.研究结果可为短纤维复合材料抗冲击设计提供一定的帮助.     

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。     

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.     

复合材料失效判据有效性验证方法研究

为系统地验证复合材料失效判据计算精度和有效性范围,给出了4种材料体系、6种铺层形式的层合板在单轴、双轴载荷下的失效试验数据,用以评估复合材料失效判据在单向层合板失效包线、多向层合板初始失效包线、多向层合板最终失效包线、层合板变形及层合板的破坏特性等五个方面的预测能力。并根据验证方法和有效性评估策略对失效判据计算精度进行量化考核,给出了失效判据在五个层面上的计算精度。     

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.      

复合材料加筋板铺层优化设计的等效弯曲刚度法

借助于等效弯曲刚度法和遗传算法,建立了一种复合材料加筋板铺层顺序优化设计算法.等效弯曲刚度法基于层合板的弯曲刚度与其失稳载荷一一对应的关系,将任意铺层顺序的层合板等效成一个只有8层的对称铺层的辅助层合板,通过优化辅助层合板,得到层合板的最优弯曲刚度参数,最后以获得的最优弯曲刚度参数为约束应用遗传算法进行铺层顺序优化,获...     

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．     

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.     

平面编织混杂铺层层合板单钉连接拉伸性能

对平面编织混杂铺层层合板单钉连接结构的挤压性能进行试验研究,分析了铺层比例和试件尺寸对其挤压强度和破坏形式的影响.基于ANSYS平台建立了该层合板单钉连接结构的三维损伤累积有限元模型,对其非线性挤压破坏行为进行了数值计算,预测了初始挤压破坏载荷;同时提出并验证了适合该类型层合板的损伤判据和衰减准则.计算得出的初始挤压破坏载荷与试验结果吻合良好,说明该模型能准确预测层合板单钉连接的初始挤压破坏载荷.     

考虑内部损伤影响的层合板最终强度预测

层合板强度分析若只考虑面内失效而忽略自由边界处的分层失效,往往会高估强度值,得不到合理的预测结果.该文提出了一种层合板强度的数值分析方法,综合考虑了层合板的面内失效(基体失效和纤维断裂)以及层间分层失效.采用有限元方法对层合板进行结构分析得到板的应力响应,结合面内失效判据和分层失效判据对层合板各个单层进行失效判断,采用刚度退化和逐步失效方法求得层合板的最终失效强度.与以往方法相比,该文模型和方法考虑的因素更全面.数值算例表明该方法预测得到的最终失效载荷和分层起始载荷和已有文献实验结果一致.     

开孔复合材料层合板强度不确定性分析

以拉伸载荷作用下AS4/3501-6开孔复合材料层合板为研究对象,采用考虑复合材料层合板就地强度效应的有限断裂力学模型和基于方差的敏感性测度分析模型相结合的方法,研究单层板宏观力学性能不确定性对具有不同孔径和铺层顺序的开孔复合材料层合板破坏强度的影响．研究结果表明：单层板力学性能对开孔板强度影响程度的大小与孔径相关,但敏感性排序与孔径无关．同时,单层板力学性能敏感性测度与层合板铺层顺序有关,层合板各向异性比越大,开孔板拉伸破坏受单层板纤维方向拉伸强度的影响越大,而且开孔板拉伸强度与单层板纤维方向拉伸强度呈正相关,与横向弹性模量呈负相关,与面内剪切模量和纵向弹性模量不具有单调关系．     

纤维增强层合板在单双面压缩下屈曲的优化设计

1979年,日本宇航研究所的Hirano发表了一篇纤维增强层合板铺层角度优化的研究论文。他把与x轴成α_k和—α_k(k表示某一层)方向所铺设的纤维同种、数目相等、基体同一的一个层片定义为一个单层。各个单层之间可以不完全满足单层所定义的条件,这样就考虑到了由N个单层迭合起来的层合板沿厚度方向异质的情况。同时,他还限定各个单层厚度是相等的。每个单层可以取任意的角度。给出层合板的层数,寻求一组铺层角度——各个单层的角度,使临界载荷值最大。由于与迭代起始值有关,他一般是给出8种起始值,然后再从8组结果中挑选临界载荷最大者为最优铺层角度。     

基于遗传算法的雷达天线罩优化设计

本文采用遗传算法，对雷达天线罩在满足透波率和结构静强度的约束下，进行结构壁各层厚度的优化，使其结构重量最轻。设计实例表明，该方法对复杂的结构优化问题能够获得较好的优化结果。     

缝合复合材料层间开裂的试验和数值研究

缝合复合材料层合板中贯穿厚度方向的缝线,能有效增强层合板的抗分层能力。本文对一种碳纤/环氧缝合复合材料层板进行了短梁三点弯试验,测得了压头的载荷-位移曲线,并观察了层间裂纹的扩展,证实了缝线对层间裂纹的阻滞作用。建立了三维有限元模型模拟了上述试验,模型中相邻的铺层之间布置了一层初始无厚度的界面单元,界面单元的失效自然模拟层间开裂,而缝线简化为面积等效的梁单元,数值结果与试验观测吻合。     

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。     

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。     

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。