低速冲击下纤维/金属层合板抗分层性能研究

本文采用内聚力模型,对纤维/金属层合板(FMLs)在低速冲击载荷作用下抗分层性能进行研究。内聚力模型对裂纹的模拟具有它独特的优势：一是该模型不需要预先假设初始缺陷;二是在计算过程中随着裂纹的扩展,该方法不需要重新对结构进行网格划分。借助该模型,本文对低速冲击载荷作用下,纤维层合板(FRP)分层进行了模拟,并验证了该模型计算的有效性。在此基础上,本文研究了低速冲击载荷作用下,不同金属含量的纤维/金属层合板抗分层性能,并与纤维层合板进行了比较。最后从能量的角度讨论了金属含量与铺层结构对FMLs低速冲击性能的影响。     

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。     

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．     

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...     

低速冲击激励下嵌入黏弹性阻尼芯层的纤维金属混杂层合板动态响应预测模型

本文首次从解析角度建立了低速冲击激励下嵌入黏弹性阻尼芯层的纤维金属混杂层合板动态响应预测模型. 首先,结合经典层合板理论和冯$\cdot$卡门假设,建立了嵌入黏弹性芯层的纤维金属混杂层合板弹性损伤本构关系. 然后,将层合板受冲击时的变形分成接触和拉伸两个区域,在接触区域内,对金属层采用 Von Mises 失效准则,纤维层采用 Tsai-Hill 失效准则和对黏弹性层采用指数 Drucker-Prager 失效准则判断层合板损伤情况. 考虑不同材料层对冲击动态响应的贡献来修正两个变形区域的位移公式,进而计算结构因弹性变形产生的应变能,以及接触区域因塑性变形消耗的能量,实现每次失效事件发生后各层材料的能量、位移和冲击接触力的理论求解,并给出了结构动态响应分析的具体流程图. 最后,以嵌入 Zn33 黏弹性芯层的 TA2 钛合金混杂 T300 碳纤维/树脂层合板为研究对象,开展落锤冲击实验. 验证结果表明,理论预测与测试获得的冲击接触力、位移响应以及冲击载荷-位移曲线吻合较好,且关注的峰值点计算误差最大不超过 9%,进而验证了所提出的理论模型的有效性.      

A DYNAMIC RESPONSE PREDICTION MODEL OF FIBER-METAL HYBRID LAMINATED PLATES EMBEDDED WITH VISCOELASTIC DAMPING CORE UNDER LOW-VELOCITY IMPACT EXCITATION 1)

本文首次从解析角度建立了低速冲击激励下嵌入黏弹性阻尼芯层的纤维金属混杂层合板动态响应预测模型. 首先,结合经典层合板理论和冯$\cdot$卡门假设,建立了嵌入黏弹性芯层的纤维金属混杂层合板弹性损伤本构关系. 然后,将层合板受冲击时的变形分成接触和拉伸两个区域,在接触区域内,对金属层采用 Von Mises 失效准则,纤维层采用 Tsai-Hill 失效准则和对黏弹性层采用指数 Drucker-Prager 失效准则判断层合板损伤情况. 考虑不同材料层对冲击动态响应的贡献来修正两个变形区域的位移公式,进而计算结构因弹性变形产生的应变能,以及接触区域因塑性变形消耗的能量,实现每次失效事件发生后各层材料的能量、位移和冲击接触力的理论求解,并给出了结构动态响应分析的具体流程图. 最后,以嵌入 Zn33 黏弹性芯层的 TA2 钛合金混杂 T300 碳纤维/树脂层合板为研究对象,开展落锤冲击实验. 验证结果表明,理论预测与测试获得的冲击接触力、位移响应以及冲击载荷-位移曲线吻合较好,且关注的峰值点计算误差最大不超过 9%,进而验证了所提出的理论模型的有效性.     

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。     

破片冲击作用下舰船复合材料结构损伤的近场动力学模拟

基于近场动力学方法，综合分析了破片的速度、层合板的铺层方式、加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对结构损伤模式和破片剩余速度的影响。结果显示:高速破片冲击作用下，层合板会发生侵彻和穿透现象，层合板的损伤模式以基体损伤为主，且随着破片冲击速度的增大，板上下表面的损伤区域呈现出一种先增大后减小的趋势；高速破片冲击作用下，层合的板损伤扩展方向和纤维铺设方向有关，对于纤维铺层方向相同的层合板，其上下表面的损伤扩展方向一般与纤维方向相同；加筋板通过增加少量质量可以获得比层合板更好的抗破片冲击性能，且加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对加筋板的损伤具有明显影响。     

均衡型层合板

本文在经典层合板理论的基础上讨论了层合板的均衡型问题.给出了既适合阿络理论也适合层合板理论的广义均衡型条件;阐明了均衡型的力学机理.均衡型是使层合板面内各方向具有相同相对伸长时的铺层形式.说明了均衡型层合板的应变和应力计算方法.引入均衡应变概念,讨论了与金属层复合时层合板的均衡型,并用表格形式开列了网络理论的相应公式.本文的结果不仅适合同种纤维增强的层合板,也适合不同种纤维增强的混杂层合板.     

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．     

一种考虑拉弯耦合的复合材料层板的优化设计方法

提出了以层压板分层为基本单位，用满应变设计层板厚度，以应变能原理调整分层比例的二级优化策略，给出了复合材料板壳结构铺层设计的方法，并将其编入COMPASS3．0版本中。工程应用表明，该方法实用可靠，设计效率高，优化设计软件COMPASS为工程技术人员提供了有效的设计手段。     

智能材料MFC驱动双稳态板的跳变特性研究

智能可变形结构能感知周围环境的变化并做出适当的反应,其主要原理是利用智能材料层产生应变以达到驱动主体结构发生变形。含有智能材料压电纤维MFC的双稳态复合材料层合板可以通过智能驱动实时调整主体结构的形状,实现稳态构型之间的跳变。本文对中心点固支的MFC压电智能驱动双稳态复合材料层合板的稳态构型、跳变规律及其影响因素进行了系统地研究。研究内容主要包括：含MFC的双稳态层合板的稳态构型、分叉行为和驱动跳变分析。利用理论模型分析了层合板的长宽比、厚度尺寸、铺层方式和MFC粘贴位置对双稳态板分叉行为的影响,并预测了双稳态层合板的临界尺寸以及驱动跳变的临界电压。双稳态板的跳变是一个大变形的非线性行为,实现和控制跳变行为的研究是其应用的基础。本文的研究结果为新型压电材料驱动双稳态板的结构设计提供了一定的理论参考。     

含铺层拼接层合板的剪切强度

对含铺层拼接的碳纤维增强树脂基复合材料层合板进行了剪切强度实验研究.从三种不同铺层拼接角层合板上切取含缺口的剪切试件,通过实验测定了其载荷-位移曲线,得到了剪切强度值.实验结果表明,三组试件的剪切强度基本相同,即拼接层角度改变几乎不会引起层合板的剪切强度发生明显变化.采用有限元软件ABAQUS6.5对实验过程进行模拟,得到拼接层角度改变将引起拼接层中0°层出现切应力集中,但沿缺口切应力的平均值几乎不变.这也说明拼接层角度的变化几乎不影响层合板的剪切强度.     

Optimum design of composite laminates

A new procedure for the optimum layup design of composite laminates is described in this paper. In this method the global optimum search and local relaxing constraints are adequately combined together. The design variables are divided and applied in separate processes. A 16-node hybrid semi-Loof element model is used in the global structure analysis. The iterative complex method is adopted in the optimization. The method is suitable for the minimum weight design of a laminate subjected to the strength and stiffness constraints under multiple loading. The numerical results demonstrate the high efficiency and reliability of the present method.The project was supported by National Natural Science Foundation of China     

A theoretical model of matrix cracking in composite laminates under thermomechanical loading

A theoretical approach is presented for analyzing the ply cracking in general symmetric laminates subjected to any combination of in-plane mechanical loading and uniform temperature changes. The equivalent constraint model proposed by the authors in a previous work is used to account for the cracking interaction between laminae in the laminates. By using a superposition scheme and the stress field solutions the energy release rate for a ply cracking is explicitly expressed as a function of stiffness reduction parameters of the laminates. The ratio of mode I to mode II is introduced for construction of the fracture criterion. The effects of the laminate parameters and the crack spacing on the energy release rate and the mode mixity are illustrated. Finally, the model is used to predict the thermomechanical load for the first-ply-cracking. Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 19972076) and the Germen Research Foundation (DFG).     

Biaxial testing of fiber composites using tubular specimens

The failure of advanced continuous fiber laminates is not well understood. Stresses on a ply level are usually multiaxial, and reliable rules for the prediction of laminate failure are not generally available. Experiments to measure laminate-failure properties are difficult to perform and to relate to composite structures, being complicated for example by stress concentrations at the free edges of laboratory specimens. A multiaxial laminate specimen based on internal pressure and axial-force loading of a cylinder has been developed that appears to give reliable response and failure data. The purpose of this paper is to present in detail the design and show the supporting analysis of the specimen. In addition recent results on the failure of carbon/epoxy laminates are reviewed.     

Effect of laminate construction on residual stresses in graphite/polyimide composites

The influence of ply-stacking sequence and ply orientation on the magnitude of lamination residual stresses in graphite/polyimide angle-ply laminates was investigated. The effect of stacking sequence was investigated with laminates of [0₂/±45]_s, [±45/0₂]_s, [0/+45/0/?45]_s and [+45/0₂/?45]_s layup. The effect of ply orientation was evaluated with additional specimens of [0₂/±15]_s and [0₂/90₂]_s layup. Thermal strains were measured using embedded-gage techniques. Residual strains were determined by comparing thermal strains in the angle-ply laminates with those of a unidirectional laminate. The ply-stacking sequence did not have an influence on the magnitude of residual strains. The highest residual strains occur in the [0₂/90₂]_s laminate and the lowest, approximately one-fourth in magnitude, occur in the [0₂/±15]_s laminate. The maximum residual strains in the [0₂/±45]_s group are slightly lower than those in the [0₂/90₂]_s laminate. Residual stress computations show that, at room temperature, the transverse-to-the-fibers stresses in all plies, except those of the [0₂/±15]_s laminate, exceed the transverse tensile strength of the unidirectional material.     

Layup optimization with GA for tapered laminates with internal plydrops

Layup optimization of the maximum strength of laminated composites with internal ply-drops is performed by genetic algorithm (GA). Interlaminar stresses are considered in estimating the strength of laminates and calculated by the stress function based complementary virtual work principle. Out-of-plane stress functions are expanded in terms of harmonic series through the thickness direction and initially satisfied the traction free boundary conditions of laminates automatically. As the number of expansion terms is increased, stress concentration near the dropped plies is predicted with better accuracy. Since the proposed analysis is relatively simple and efficient in the prediction of interlaminar stress concentration near the ply-drops, the layup optimization of composite laminates with dropped plies considering interlaminar strength can be easily performed by GA. In the formulation of genetic algorithm, a repair strategy is adopted to satisfy given constraints and multiple elitism scheme is implemented to efficiently find multiple global optima or near-optima.