复合材料层合板的可靠性和优化问题的研究进展

纤维增强复合材料是由高强度、低密度的纤维材料与基体组成, 具有很多其它材料所不具有的特性, 其应用范围越来越大. 复合材料的机械性能与加工制造等过程密切相关, 其材料性能的离散度较大, 因此考虑不确定性因素的结构可靠性分析非常必要. 可设计性是复合材料的另一个特点, 因此复合材料结构的优化设计也是研究的热点之一. 本文讨论了复合材料层合板结构的可靠性分析方法, 优化设计, 可靠性优化设计以及鲁棒优化等, 并对其发展趋势作出展望.      

纤维增强复合材料层合板的模糊可靠度分析

纤维增强复合材料(FRP)的强度行为受组分材料、层合结构、载荷等多种因素的影响,且含有许多不确定因素,因此对FRP的可靠性分析十分重要,近年已有许多相关成果发表,但同时考虑随机性和模糊性的研究尚不多见。本文建立了复合材料模糊可靠度分析模型以及数值计算方法模型,通过算例分析了复合材料层合板受面内拉伸载荷作用时的模糊可靠度。将载荷作为随机变量,强度作为模糊变量,并采用蒙特卡罗数值模拟方法,对层合板结构的可靠度进行了计算。分析中采用最大应力准则计算了单元层的破坏概率,然后利用首层失效准则计算了层合板的可靠度。通过对算例的分析和与其他结果的对比,讨论了本文方法的有效性,以及参数敏感性。     

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。     

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.     

复合材料层合板壳非线性力学的研究进展

复合材料层合板壳是由多种组分材料组合而成.与单一材料的板壳结构相比,它无明确的材料主方向,各层间材料间断和不连续,具有明显的几何非线性和材料非线性等新的特点.其失效模式也远比单一材料的情况复杂,具有如基体开裂、脱胶、分层、分层裂纹偏转、多分层以及分层传播等多种模式.各国学者基于不同的考虑,提出了多种方法研究复合材料层合板壳的失效.首先,在简要介绍了层合板壳线性力学基本理论的基础上,重点回顾了层合板壳结构非线性力学几种基本理论发展的过程,主要阐述了经典大挠度非线性理论、一阶剪切变形理论、高阶剪切变形理论、锯齿理论、广义分层理论的理论体系及基本公式,并对几种理论之间的联系和差异进行了总结;其次,介绍了当前层合结构非线性领域的研究进展,综述了典型复合材料板壳结构的失效机理及优化设计、复合材料板壳结构在复杂环境下的破坏机理、复合材料板壳结构的物理非线性、含脱层纤维增强复合材料板壳结构的破坏机理等各研究热点的最新研究成果;最后,对该领域未来的研究方向进行了展望.     

复合材料层合板的率模可靠度研究

传统的结构可靠性分析是基于二值状态假设的,即结构要么处于失效状态,要么处于安全状态,但在许多工程实际中,在失效和安全之间有一系列中间状态,因此判断结构是否失效,引用模糊状态的概念更为合理．该文将失效（或安全）的模糊状态假设引入到复合材料层合板的可靠度分析和计算中,建立了复合材料层合板的率模可靠度模型和相应的计算模型．在该模型中,考虑了单层复合材料强度指标的随机性,以及极限状态的模糊性．由层合板结构可靠性分析的具体算例,说明了该文模型和计算方法的合理性及有效性．同时,对参数的影响也进行了分析和讨论．结果表明,强度参数的均值以及失效准则的选取对可靠度有较大的影响．     

变角度纤维复合材料环扇形层合板的自由振动分析

与传统的直线纤维增强复合材料相比，变角度纤维复合材料具有更强的可设计性，为改善结构性能提供了更大的可能．鉴于此，本文将研究纤维的变角度铺设对复合材料环扇形层合板的自振频率及振动模态的影响．假设纤维的方向角沿环扇形板的径向线性变化，基于经典的层合板理论，采用微分求积法获得了环扇形层合板自由振动问题的数值解．通过与现有文献及ABAQUS有限元结果的比较验证了本文模型及方法的正确性和收敛性，并详细分析了纤维起始角和终止角的变化对层合板的自振频率及振动模态的影响．研究结果表明：与常刚度层合板相比，变角度纤维复合材料层合板的基频具有更大的调整空间，通过合理选择纤维起始角和终止角可有效提高层合板的基频．研究结果可为该种新型复合材料结构的优化设计提供一定的参考．     

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...     

基体开裂的正交复合材料对称层合板的粘弹性力学行为

本文讨论了含有均匀基体裂纹的正交复合材料对称层合板的线性粘弹性力学行为.采用二维剪切滞后模型并对其层间剪应力在厚度方向进行线性假设分布,求得层合板的平均应力应变的线弹性解,利用等效约束模型和经典层合理论可得到层合板因为含有基体裂纹而所引起的刚度退化现象.在弹性-粘弹性对应原理的基础上对其层合板的线粘弹性进行了讨论和研究.结果表明:层合板的松弛模量和蠕变泊松比随着时间的增加而减少,到达稳态后其值基本上是恒值.并跟Zocher的解析解和有限元数值解作了比较,发现结果非常吻合.     

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.