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。     

含有分层损伤的复合材料加筋层合板的屈曲性态研究

基于Ｍｉｎｄｉｎ假定推导了考虑剪切的复合材料加筋层板的有限元列式,并在此基础上计算出筋间基板含嵌入分层以及筋与基板连接处含穿透分层的加筋层合板在受压缩载荷情况下的屈曲模式和临界力。本文所给出的有限元方法及结论对从事复合材料结构设计的工程人员具有参考价值。     

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。     

基于累积失效法的含损伤格栅加筋板非线性屈曲状态分析

分别采用基于Mindlin一阶剪切理论八节点层合板单元和三节点层合梁单元来模拟蒙皮和肋骨,用累积失效法研究了在压缩载荷作用下蒙皮内含分层损伤复合材料正交格栅加筋板的非线性屈曲性态,分析中考虑了加载过程中蒙皮和肋骨纤维断裂、基体损伤和纤维-基体剪切失效造成的刚度退化,并采用了非线性接触单元模型处理蒙皮分层上下子板间的接触效应。通过典型算例,讨论了蒙皮铺设方式、蒙皮分层的面积和深度、肋骨与蒙皮的刚度比,累积失效行为等因素对格栅加筋板非线性屈曲性态的影响。     

含多个分层复合材料层合板后屈曲性态研究

基于Mindlin假定下的大变形板／壳理论，采用参考面单元和虚拟杆单元相结合的非线性有限元方法，建立了分析含多个穿透分层损伤层合板后屈曲行为的有限元计算模型，并给出了考虑接触后非线性屈曲方程的迭代算法，从而研究考虑层间接触效应的多分层层合板的后屈曲性态。文中着重讨论了分层的深度、数目和尺寸对含多分层合板后屈曲性态的影响。大量数值分析结果证明了该模型的有效性，并且得到了一些对层合板结构设计和对含分层损伤层合板评估有益的结论。     

考虑面内破坏过程的含分层损伤复合材料加筋层合板的动力响应

基于复合材料层合板一阶剪切理论，推导了复合材料层合板单元的刚度阵和质量阵列式；同时采用了Adams应交能法与Rayleigh阻尼模型相结合的方法，构造了相应的阻尼阵列式；为了防止在低阶模态中分层处出现的上、下子板不合理的嵌入现象，建立了含分层损伤复合材料加筋层合板动力分析的分层分析模型和虚拟界面联接模型。在上述模型和理论基础上，采用了Tsai提出的刚度退化准则和动力响应分析的精细积分法，对含分层损伤复合材料加筋层合板结构进行了动力响应和破坏分析。通过算例，分别讨论了外载频率、分层位置，以及破坏过程的刚度退化对含损伤复合材料加筋层合板动力响应特征的影响，得到了一些具有理论和工程价值的结论。     

含预置损伤复合材料加筋板的单轴压缩屈曲分析

通过试验和有限元方法分析了单轴压缩下加筋板的失效模式.研究了三种预置损伤位置及四种损伤尺寸的复合材料T型加筋板的线性及非线性屈曲行为,比较了损伤对临界屈曲载荷和最大失效载荷的影响.研究结果表明:损伤位置在桁条间蒙皮时,损伤的尺寸对其临界屈曲载荷和最大失效载荷影响较小;损伤位置在桁条区蒙皮时,加筋板的临界屈曲载荷随损伤尺寸的增加而明显降低,最大降低50%;损伤位置在桁条边凸缘处蒙皮时,加筋板最大失效载荷所受影响随损伤尺寸的增加而明显降低,最大降低25%.从而得到了复合材料加筋板临界屈曲载荷比和最大失效载荷比与损伤位置及尺寸的关系图.     

反对称铺设复合材料层合板非线性后屈曲分析

基于层合板壳理论，考虑反对称铺设层合板的拉弯耦合效应和后屈曲过程中的非线性几何变形，推导了由应力函数和挠度表示的复合材料层合板的后屈曲控制方程。引入无量纲参数对控制方程和边界条件进行无量纲化，以消除材料参数及几何尺寸对分析结果的影响。采用摄动法将无量纲的非线性控制方程及边界条件展开成一系列非齐次线性摄动方程组，分析各阶摄动方程的通解与特解的构造，并逐次求解，建立了反对称铺设复合材料层合板受单向均布压力作用的临界屈曲荷载及后屈曲平衡路径的理论解。进而运用ABAQUS软件对复合材料层合板在面内压缩载荷作用下的屈曲和后屈曲进行有限元分析，结果表明理论解与ABAQUS结果十分接近，验证了理论解的正确性。在此基础上进一步讨论了铺设角度、铺设层数和拉弯耦合效应等对层合板后屈曲性能的影响。研究发现层合板的屈曲载荷受铺设角度与层数的影响较为显著，而拉弯耦合效应使板的屈后强度大大降低。     

冲击波-破片群联合作用下舰船复合材料结构近场动力学损伤模拟

采用一种新兴的无网格法——近场动力学理论,模拟复合材料结构在冲击波-破片群联合作用下的损伤情况。根据复合材料结构承受的载荷特性,分析冲击波-破片群联合作用下层合板及加筋板结构的损伤模式,考虑载荷作用次序等因素对于联合作用毁伤能力的影响规律。结果表明:联合作用对复合材料结构的损伤程度主要与冲击波强度、破片群侵彻能力、作用次序有关,主要损伤模式为分层失效、基体损伤、剪切损伤以及结构大变形;对于层合板而言,在冲击波先作用的工况下,结构损伤程度更高,损伤范围更大;对于加筋板而言,由于加筋板的筋条能显著降低冲击波作用,进而降低冲击波对破片群侵彻能力的增强效应,最终影响联合作用的毁伤能力,因而在破片群先作用的工况下反而损伤更严重。     

受弯脱层层板后屈曲有限元分析

脱层是复合材料层板结构中主要的缺陷形式之一。当脱层层板受到压力载荷的作用会造成脱层的局部屈曲和扩展,从而使结构的强度和刚度大为降低。含脱层层板的弯曲问题包含了脱层的压缩问题,却比压缩问题更加复杂。本文对含穿透脱层层板在纯弯载荷作用下的后屈曲问题进行了基于一阶剪切层板理论的几何非线性有限元分析,运用虚裂纹闭合技术求解了纯弯载荷作用下的脱层尖端的能量释放率各型分量,并用脱层扩展判据求解了脱层起始扩展载荷。     

Study on failure process of delaminated stiffened composite plates under compression

Failure behavior of the delaminated stiffened composite plates under compression is studied by the finite element method, based on a Global-Local variational model. A virtual crack closure technique and a self-adaptive grid moving scheme are proposed to predict the delamination growth process. The contact effect along the delamination front is considered. The numerical results show that the influences of the distribution and location of the stiffeners, the configuration and size of the delamination, the boundary condition and the contact upon the failure behavior of the plates are significant. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (59975014)     

Numerical analysis of delamination growth for stiffened composite laminated plates

A study of postbuckling and delamination propagation behavior in delaminated stiffened composite plates was presented. A methodology was proposed for simulating the multi-failure responses, such as initial and postbuckling, delamination onset and propagation, etc. A finite element analysis was conducted on the basis of the Mindlin first order shear effect theory and the von-K6rm~n nonlinear deformation assumption. The total energy release rate used as the criteria of delamination growth was estimated with virtual crack closure technique (VCCT). A self-adaptive grid moving technology was adopted to model the delamination growth process. Moreover, the contact effect along delamination front was also considered during the numerical simulation process. By some numerical examples, the influence of distribution and location of stiffener, configuration and size of the delamination, boundary condition and contact effect upon the delamination growth behavior of the stiffened composite plates were investigated. The method and numerical conclusion provided should be of great value to engineers dealing with composite structures.     

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。     

曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动分析

相比传统加筋板,曲线加筋板能够更充分地发挥材料力学性能.在加筋板力学分析中,厚板通常采用Reissner-Mindlin理论,然而当板厚较薄时易出现剪切自锁,离散的Kirchhoff-Mindlin理论采用假设剪切应变场可避免该问题.针对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动分析,采用离散的Kirchhoff-Mindlin三角形单元和Timoshenko曲梁单元分别模拟板和加强筋,根据板的位移插值函数及筋板交界面的位移协调条件,建立基于板单元位移自由度的有限元方程.为了验证方法的有效性和准确性,采用直线加筋薄板、曲线加筋薄板和厚板3种模型进行算例研究,通过收敛性和精度分析来选择合理的有限元网格密度.直线加筋薄板前20阶固有频率均与文献结果吻合良好;曲线加筋板算例中,本文方法满足收敛条件的板单元数目为2469,Nastran模型板单元数目为6243;本文所得曲线加筋板固有频率与Nastran计算结果最大误差为3.4%.研究结果表明,本文方法无需筋板单元共节点,可使用较少的有限元网格数量,并能够保证计算精度;在离散Kirchhoff-Mindlin三角形板单元基础上构造Timoshenko梁单元可同时适用于曲线加筋薄板与厚板自由振动分析.     

弹性体的正则方程和加筋板的固有频率分析

应用弹性力学的Hamilton正则方程理论和其半解析法，为整体加筋板的固有频率分析提出了一种新颖的数学模型. 采用同一种平面元素离散板和加强筋，并分别建立板和加强筋的线性方程组. 考虑到板和加强筋连接界面上应力和位移的连续性，联立板和加强筋的方程得到全结构的方程组和求解固有频率的特征方程. 主要优越性表现为：结构的旋转惯性、剪切变形等都得到了考虑，且不限制结构的板厚度和加强筋的高度. 多个数值实例的收敛分析和结果证明了方法是可靠的. 该方法很容易被修改用来分析加筋壳、加筋压电材料层合板或带有压电材料传感器和驱动器块的板壳问题.     

Postbuckling analysis of laminated composite plates subjected to the combination of in-plane shear,compression and lateral loading

This study deals with postbuckling behavior of laminated composite plates under the combination of in-plane shear, compression and lateral loading using an Element-based Lagrangian formulation. Natural co-ordinate-based strains, stresses and constitutive equations are used in the present shell element. The Element-based Lagrangian formulation described in this paper, in comparison with the traditional approaches, is more attractive not only because it uses only single mapping but also it converges faster. In addition, the finite element (FE) formulation based on the assumed natural strain method for composite structures shows excellence from the standpoints of computational efficiency as well as its ability to avoid both membrane and shear locking behavior. The numerical results obtained are in good agreement with those reported by other investigators. In particular, new results reported in this paper show the influence of various types of loading, materials and number of layers on postbuckling behavior.     

对实心弹性薄板优化的进一步讨论

回顾了实心弹性薄板优化研究的发展历程。给出了由无限密和无限细的肋骨加强的环板在常肋骨密度时的解析解；采用精确刚度阵的有限元法计算了具有有限根肋骨加强的板的柔顺性，它低于光滑优化解的柔顺性。这些结果进一步说明近期文献中出现的枕头形的光滑解并不是几何受约束实心弹性薄板优化问题的全局最优解。     

爆炸载荷作用下加筋板的失效模式分析及结构优化设计

通过对爆炸载荷下具有1根加强筋的固支矩形加筋板的有限元模拟，探讨了抗爆加筋板结构优化设计方法，分析了加筋板的失效模式以及加强筋相对刚度和冲击载荷强度对加筋板失效模式的影响，指出了失效模式Ⅰ下的3种变形模态以及失效模式Ⅱ下的2种子失效模式，得到了失效模式Ⅰ下加强筋和加筋板最大挠度的近似计算公式，提出了单根加筋板的两种失效模式的判别条件，并对具有1根加强筋的固支矩形加筋板抗爆结构进行了优化设计。结果表明，通过数值模拟或模型实验可以求得任意加筋板结构由发生塑性大变形到发生破损的临界条件，从而确定抗爆性能最强时加筋板的质量与加强筋横截面尺寸及间距间的关系，实现对抗爆加筋板结构的优化设计。