复合材料层合板低速冲击响应和损伤分析

通过在有限元软件Abaqus/Explicit中编写用户材料子程序VUMAT,建立了一种基于能量演化的复合材料低速冲击渐进损伤模型．该模型以三维Hashin准则来预测层内损伤的起始,以一种简化的损伤变量来模拟层内损伤的演化,将具有双线性牵引-分离本构的零厚度界面单元插入层间来模拟分层损伤．采用该模型对14.7 J冲击能量下的纤维增强复合材料低速冲击过程进行了仿真分析,计算得到的冲击力-时间曲线、能量-时间曲线和损伤分布与试验结果吻合较好．根据数值模拟结果,分析了纤维、基体和分层损伤的扩展规律,为低速冲击下的复合材料结构设计提供了理论依据．     

复合材料层合板的低速冲击损伤及其剩余压缩强度研究

本文采用理论和实验方法研究了复合材料层合板的低速冲地及其剩余压缩强度。文中利用有限元方法和能量转换原理计算了层合板受到低速冲击的受载最危险状态，以及此时的应力分布；并用Ｔｓａｉ－Ｗｕ张量准则判断损伤情况，对产生损伤的单元进行相应的刚度折减，且作重复计算直至不产生新的损伤为止；最后，对受冲击的层合板还进行剩余压缩强度计算。在实验中，采用激光全息无损检测法测量了层合板的冲击损伤，并对受冲击的层合板进行     

复合材料层合板冲击损伤及剩余强度分析方法

应用三维逐渐累积损伤理论和分析技术对层合板的冲击及冲击后含损伤的层合板在拉伸载荷下损伤扩展的全过程进行分析.分析中取消了以往研究者对冲击后层合板损伤状态所做的人为假设,将冲击后层合板的实际损伤状态直接用于剩余拉伸强度研究.通过与已有文献结果比较,验证了方法的正确性.     

编织Kevlar/Epoxy复合材料层合板在冲击荷载下的动态响应

通过编织Kevlar/Epoxy复合材料层合板的平头弹冲击实验,分析了结构在不同冲量下的变形失效模式以及结构的抗冲击性能。实验表明复合板的变形失效模式主要表现为:(1)弹性变形;(2)复合板表面嵌入失效及整体塑性大变形;(3)背面纤维拉伸断裂及分层失效。基于实验研究,运用LS-DYNA 971有限元程序对铺层数不同的复合板在冲击载荷作用下的动态响应过程进行了数值模拟,模拟结果与实验吻合较好,子弹作用区域边缘处首先发生近似圆形的嵌入失效,而在板背面发生近似正方形的破坏区域;计算中重点分析了铺层数对结构动力响应的影响,在一定冲量范围内,通过对铺层数的优化,能够有效地减小后面板挠度,提高结构的能量吸收效率,增强结构的抗冲击性能。     

碳纳米管/碳纤维增强复合材料层合板低速冲击响应和破坏的数值模拟

碳纳米管/碳纤维增强复合材料（carbon nanotube/carbon fibre reinforced plastic,CNT/CFRP）是一种多尺度复合材料,比传统CFRP有更好的综合性能和更广阔的应用前景。对CNT/CFRP在低速冲击下的响应和破坏进行了数值模拟研究。首先,基于先前的研究通过引入基体增韧因子、残余强度因子并改进损伤耦合方程,建立了新的FRP动态渐进损伤模型;然后,利用新建立的本构模型并结合黏结层损伤模型,对4种碳纳米管含量的增韧碳纤维增强树脂基复合材料层合板在5个能量下的冲击实验进行了数值模拟;最后,将模拟结果与文献中的相关实验结果进行了比较,并讨论了冲击速度的影响。结果表明:新建立的FRP本构模型能够预测CNT/CFRP层合板在低速冲击载荷作用下的响应、破坏过程和分层形貌,模拟得到的载荷-位移曲线和破坏形貌与实验吻合较好;冲击速度会影响CNT/CFRP层合板拉伸和压缩破坏的比例,相同的冲击能量下,更大的冲击速度会造成更多的拉伸破坏。     

复合材料层合板冲击损伤近场动力学模型与分析

近场动力学(简称PD)理论通过域内积分建立物质基本运动方程。不同于传统理论中通过微分建立运动方程的方法,该理论对场函数没有连续性的要求,因而适合求解各类不连续问题。基于此,本文建立了正交各向异性单层板PD理论模型,进而引入单层板层间作用,发展了正交各向异性层合板PD模型及其损伤模型,并模拟了各向同性与各向异性层合板冲击损伤;通过对比分析,对模型的有效性进行了验证。     

复合材料层合板的混沌现象

本文通过计算机仿真，观察和研究了铲支艰称正交铺设层合板的周期运动、混沌运动以及它们各自的吸引子，其系统动力响应的形式，用时间历程图、相位状态图和Ｐｏｉｎｃａｒｅ映射图来表示。结果表明，在受迫振动的对称正交铺设层合存在着混沌运动。     

复合材料层合板固化过程的数值模拟

在文［１］中作者采用了有限元和有限差分相结合的交替迭代法及Ｅｕｌｅｒ－Ｃａｕｃｈ解偶算法分析了复合材料层合板固化全过程中板内温度场和固化度场。在此基础上，本文进一步根据层合板在固化过程中不同阶段材料物性变化及损伤破坏特征，提出了两种不同破坏准则和后破坏模型，并采用非线性瞬态热弹性问题的Ｈａｍｉｌｔｏｎ半解析法，研究了层合板在固化全过程中的损伤破坏和热应力、变形的变化规律。通过数值模拟和分析，发现层合板在固化过程中，板内热应力出现多峰值和变号特征，这将是导致层合板早期破坏的原因，本文工作将对材料工艺工作者选择固化工艺参数具有参考价值。     

低速冲击下压电层合板的非线性动力响应与疲劳损伤寿命分析

基于损伤力学,考虑压电效应、几何非线性和损伤演化的影响,建立了集中载荷作用下压电层合板的非线性运动微分方程,考虑撞击物与压电层合板之间的弹性接触效应,确定了层合板所承受的冲击力.对此非线性动力问题,采用有限差分法进行求解,且引入损伤层合板单元模型,采用有限元方法模拟了冲击荷载作用下压电层合板的损伤演化.算例中,讨论了撞击物的冲击速度、压电材料以及损伤对压电层合板非线性动力响应的影响,以及周期冲击荷载下冲击速度和压电材料对压电层合板疲劳损伤寿命的影响.     

低速冲击下纤维/金属层合板抗分层性能研究

论文采用内聚力模型,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,论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,论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.     

Low Velocity Response Characteristics of Composite Plate with Embedded Shape Memory Alloy

I. INTRODUCTION Composite materials have been used extensively in aerospace and other industries owing to the factthat they have high speci?c modulus, high speci?c strength, and the capability to be designed andfabricated with greater ?exibility, and ha…     

Response and Damage Tolerance of Composite Sandwich Structures under Low Velocity Impact

The deformation and failure response of composite sandwich beams and panels under low velocity impact was reviewed and discussed. Sandwich facesheet materials discussed are unidirectional and woven carbon/epoxy, and woven glass/vinylester composite laminates; sandwich core materials investigated include four types of closed cell PVC foams of various densities, and balsa wood. Sandwich beams were tested in an instrumented drop tower system under various energy levels, where load and strain histories and failure modes were recorded for the various types of beams. Peak loads predicted by spring-mass and energy balance models were in satisfactory agreement with experimental measurements. Failure patterns depend strongly on the impact energy levels and core properties. Failure modes observed include core indentation/cracking, facesheet buckling, delamination within the facesheet, and debonding between the facesheet and core. In the case of sandwich panels, it was shown that static and impact loads of the same magnitude produce very similar far-field deformations. The induced damage is localized and is lower for impact loading than for an equivalent static loading. The load history, predicted by a model based on the sinusoidal shape of the impact load pulse, was in agreement with experimental results. A finite element model was implemented to capture the full response of the panel indentation. The investigation of post impact behavior of sandwich structures shows that, although impact damage may not be readily visible, its effects on the residual mechanical properties of the structure can be quite detrimental.     

基于精化高阶理论的层合板热-力问题有限元分析

基于精化高阶理论,建立了层合板有限元模型,编制了相应的MATLAB程序。分析了三层四边简支层合板在力荷载作用下的响应,与解析解吻合良好。分析了热-力共同作用下层合板的响应,与基于ABAQUS软件建立的精细有限元模型计算结果相对比,验证了模型的高效性。研究了跨厚比和铺设方式对层合板层间应力的影响,结果表明:跨厚比对层间应力影响显著,两者之间大致呈反比例函数关系;对称铺设方式可以有效降低层合板中的层间应力。     

具有自由边的复合材料层合板的解析解

从三维弹性力学基本方程出发,通过假设自由边的边界位移函数,建立了正交异性层合板的状态方程,给出了对边自由,对边简支矩形板的解析解.此解满足层合板的基本方程和层间连续条件.用本文的方法比较容易处理层合板的自由边.算例表明,数值结果具有较高的精度.     

基于各向异性修正偶应力理论的Reddy型层合板的自由振动

论文基于各向异性修正偶应力理论建立了只含一个尺度参数的Reddy型复合材料层合板的自由振动模型.同见诸于文献的细观尺度Kirchhoff薄板偶应力模型相比,论文提出的新模型能够更精确的预测细观尺度下的中、厚层合板的自振频率.基于Hamilton原理推导了细观尺度下Reddy型复合材料层合板的运动微分方程以及边界条件,并以正交铺设的四边简支复合材料层合方板为例进行了解析求解,分析了尺度参数对自振频率的影响并对比了Kirchhoff、Mindlin和Reddy等三种板模型计算结果的异同.算例结果表明论文所给出的模型能够捕捉到复合材料层合板自由振动问题的尺度效应.另外,在细观尺度下Kirchhoff板模型所预测的自振频率相对于Mindlin板模型和Reddy板模型总是过高,且越接近厚板三者的差别就越大,这与经典理论中三种板模型的对比情况是一致的.     

Stochastic Response of Laminated Composite Shell Panel in Hygrothermal Environment

In this article, the effect of random system properties is accounted to estimate the free vibration of multilayered composite shell panel in hygrothermal environment. The majority of previous investigations assumed that the material properties are independent of temperature and moisture. Establishing margin on material properties for design, analysis, and conceptualizing the material is highly difficult and uncertain. To perturb that, a first-order perturbation technique is adopted to obtain the response statistics of the structure by obtaining the mean and variance of random natural frequencies. The higher-order shear deformation theory with 9 degrees of freedom per node with the von-Karman sense of nonlinear kinematics is employed for generating basic formulation. The analysis is carried out by using quadratic C⁰ eight-noded isoparametric element. The governing equation for free vibration of laminated composite panel is derived using variational principle, which is a generalization of the principle of virtual displacement. The solution methodology is validated with published results. Mean and variance are obtained for different cross-ply of spherical and cylindrical laminates with different stacking sequence and boundary conditions.     

Nonlinear Theory of Dynamic Stability for Laminated Composite Cylindrical Shells

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＷｈｅｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｈｅｌｌｓａｒｅｕｎｄｅｒｔｈｅａｃｔｉｏｎｏｆｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｉｎｇ ,ｔｈｅｙｍａｙｆａｌｌｉｎｄｙｎａｍｉｃｂｕｃｋｌｉｎｇｏｒｄｙｎａｍｉｃｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ .Ｉｆｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｉｓｓｕｄｄｅｎｌｙａｐｐｌｉｅｄ ,ｏｒｉｔｉｓｃｈａｎｇｉｎｇｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｌｙ ,ｓｕｃｈａｓｉｍｐｕｌｓｉｖｅｌｏａｄｉｎｇ ,ｔｈｅｎ ,ｄｙｎａｍｉｃｂｕｃｋｌｉｎｇｗｉｌｌｈａｐｐｅｎｆｏｒｔｈｅｓｈ…     

压电复合材料层板柱面弯曲的精化理论

本研究旨在建立精确的压电复合材料层板理论。位移场和电势场采用近似表达，其沿板厚的分布通过构造高精度的位移分布函数和电势分布函数来描述。这两个函数由三雏弹性平衡方程和静电平衡方程的特解来导出，从而满足复杂的力电耦合关系和各类连续条件，保证了本文理论的高精度。本文理论仅涉及4个位移和电势变量，且不随层数的增加而增多，较之变量随层数而增多的分层理论简单得多，平衡方程形式简单；也便于发展成有限元等数值模型。通过与三维精确解比较，算例显示了本文理论的高精度和有效性。     

冲击作用下含孔洞纤维增强复合材料平板的动力学实验与数值研究

作为复合材料动力学实验与数值研究的应用实例 ,实验研究采用正交异性动态光弹性方法 ,数值分析运用各向异性介质的时域边界元方法。纤维增强光弹性复合材料平板被用来模拟含孔洞的正交异性半无限域 ,用小口径步枪施加与纤维方向成 0及 90两个方向的冲击载荷 ,在正交异性动态光弹性实验中记录了应力波在孔洞周围的传播、反射与绕射过程 ,此过程被进一步转换成应力分量的变化时程 ,并与相应的时域边界元方法的数值分析结果进行了比较。     

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。