基于FBG非均匀反射谱特性的波纹型复合材料蒙皮渐进损伤监测

提出利用布拉格光纤光栅(FBG)非均匀反射谱监测复合材料结构渐进损伤的方法。对波纹型复合材料蒙皮样件进行有限元分析,预测蒙皮在拉伸载荷下失效过程和对应临界失效载荷大小,据此重构FBG传感器的非均匀反射谱,获得铺层失效与传感器反射谱的对应关系,并为实验光谱记录提供参考。构建一种基于FBG非均匀反射谱监测波纹型复合材料蒙皮渐进损伤的监测系统,进行拉伸实验,实验结果表明系统实测光谱与重构的反射谱趋势相同,对应失效载荷与预测值最大误差为8.6%,证明了采用FBG传感器监测波纹型复合材料蒙皮渐进损伤的可行性。该方法通过实时监测预测失效范围内FBG非均匀反射谱的变化,简单易行,测量及传导光路实现全光纤化,无需破坏试件结构,即可实现对波纹型复合材料蒙皮渐进损伤程度及铺层失效次序精确、迅速的在线监测,研究结果为智能蒙皮动态监测领域提供新的思路和实验参考。     

碳纤维增强复合材料夹芯板的砰击损伤特性

复合材料高速船舶在复杂多变的海况中航行时，由于船体结构自身的大幅升沉和纵荡运动，不可避免地会与波浪产生砰击作用，可能产生结构损伤甚至失效。采用欧拉-拉格朗日方法建立了复合材料层合板砰击数值模型，将模拟结果与文献中的试验结果进行对比，验证了流固耦合渐进损伤分析方法的可靠性。在此基础上，建立了碳纤维增强复合材料夹芯板入水砰击流固耦合数值模型，编写了VUMAT子程序，研究了复合材料夹芯板渐进损伤演化特性，分析了砰击水动力载荷、射流和水压分布特性，研究了砰击速度和斜升角对夹芯板损伤特性的影响规律。结果表明，碳纤维增强复合材料夹芯板入水砰击过程经历4个阶段，即初始增长阶段、波动阶段、急剧上升阶段和迅速下降阶段。砰击载荷作用下复合材料夹芯板产生基体损伤和分层损伤，随着砰击速度提升和斜升角增大，砰击水动力载荷逐渐增加，复合材料夹芯板面板损伤范围逐渐扩大。     

基于3D-DIC对爆炸作用下碳纤维层合板的变形研究

针对3种不同铺层的碳纤维复合材料层合板,设计了开放式爆炸加载实验,研究不同的炸药质量和爆炸距离下层合板的动态力学行为。基于两台高速相机,搭建了高速三维变形场的实验测量系统,记录层合板在爆炸作用下动态变形过程。通过三维数字图像相关方法(3D-DIC)软件计算得到层合板在冲击波作用下的动态位移场和应变场。研究发现:层合板在弱冲击波作用下只发生弹性变形,正交铺层和准均质铺层均表现出良好的抗冲击能力;在强冲击波作用下层合板会产生分层、基体开裂、纤维断裂等形式的损伤,铺层顺序对损伤形式有很大影响。     

不同铺设角度下层合板结构参数对声功率影响*

本文研究了不同纤维铺设角度的层合板结构参数对声功率的影响,从而为层合板的低噪声设计提供理论依据。通过分层有限元理论获得层合板结构动力学响应,基于声辐射模态概念分析不同铺设角度下层合板不同铺设方式、宽厚比和弹性模量比对其声功率影响。结果表明,层合板的铺设角度和宽厚比对复合材料层合板结构的声辐射功率影响较大。首先相同铺设角度的层合板,改变弹性模量比,声功率变化不明显;其次改变不同的铺设角度,宽厚比较小的层合板声功率下降的空间更大,更易于声功率的降低。层合板作为结构件时,从降低声功率角度而言总体上对称铺设结构比单向铺设层合板结构有优势,并且相同铺设角度下,反对称铺设层合板可获得更小的辐射声功率。     

基于修正Linde模型的复材层板的损伤模拟

基于连续损伤力学方法,建立含初始损伤的三维复合材料层合板的有限元模型.采用Linde等提出的应变失效准则,并引入参数对损伤函数进行修正,模拟层合板的纤维和基体的失效行为.参数的改变可以描述损伤变量随应变的变化程度.数值模拟表明,计算结果随着参数的变化幅度较大,在试验值的±15%范围内变动.本文引入的参数一方面可以拓宽Linde材料损伤判据的适用范围,另一方面在适用范围内可以达到更为精确的数值模拟结果,为后续的结构分析打下基础.     

CFRP层合板低速冲击响应及损伤特性研究

为了研究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)层合板低速冲击力学性能,开展了铺层顺序为[45_4/–45_4]_(4T)的CFRP层合板落锤低速冲击试验。研究了条形冲锤冲击角度和半球形冲锤直径两个影响因素下的CFRP层合板低速冲击力学响应,同时通过凹坑深度和分层损伤面积研究了层合板低速冲击损伤特性。试验结果表明:当条形冲锤冲击角度与层合板表面纤维方向平行时以及以较小直径的半球形冲锤冲击时,最大中心位移和能量耗散较大,凹坑深度和分层面积也较大;在冲锤直径和冲击角度两个单因素变量下,凹坑深度与分层损伤面积成正相关;直径为10 mm的半球形冲锤冲击层合板时,在凹坑区域存在明显的纤维断裂;14 mm和16 mm半球形冲锤冲击时,损伤虽目视可见,但未见明显纤维断裂。     

纤维金属层合板的抗爆性能及失效机理

采用爆炸冲击摆锤系统,对玄武岩纤维-铝合金层合板和碳纤维-铝合金层合板进行了爆炸加载实验。实验中通过改变炸药质量获得不同的加载冲量,分析了载荷冲量、结构组合形式以及纤维类型对纤维金属层合板变形/失效模式的影响。实验中观察到分层、基质失效、金属撕裂、塑性大变形等典型的变形失效模式。实验结果表明:随着冲量的增加,纤维金属层合板中铝合金层的塑性变形以及纤维层的损伤区域不断增大;纤维金属层合板相对于单一的金属层合板具有更优异的抗冲击性能。     

基于Galerkin法研究应力波作用下复合材料板的动力学失稳

基于Kirchhoff薄板理论和Hamilton原理,考虑应力波效应,对含初始几何缺陷的三边简支、一边固支的复合材料板,建立了振动控制方程,得到了其屈曲临界荷载表达式。采用MATLAB编程进行数值计算,讨论了初始几何缺陷、初相位、铺层角度、屈曲模态阶数及铺层层数对板屈曲临界荷载的影响。结果表明:复合材料板的屈曲临界载荷随临界长度增大、铺设厚度减小、初始几何缺陷系数增大、振型函数初相位减小而减小。此外,复合材料板的各层铺层角度与荷载作用方向的夹角越小,屈曲临界载荷越大,当板的对称铺设层数达到7层时,临界荷载趋于稳定。     

压缩载荷下UHMWPE纤维复合材料层合板的力学性能与失效分析

为获得超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维复合材料层合板在静、动态压缩载荷下的力学性能与失效模式,采用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆对材料进行面外方向的压缩实验,获得了不同应变率下材料的应力-应变关系。通过扫描电子显微镜观察材料微观失效形貌,分析了材料的失效模式。结果表明,UHMWPE纤维复合材料层合板在应变率较低(6.7×10^-3～6.7×10^-2 s^-1)且相差较小时,无应变率效应;在高应变率(2.05×10³～5.27×10³ s^-1)下,材料具有明显的应变率效应。压缩强度随应变率的增加而增大,动态增强因子逐渐增大,具有明显的应变率强化效应。静态压缩载荷下,材料的主要破坏模式为纤维的拉伸、断裂;动态压缩载荷下,材料的主要破坏模式为纵向位错分层。     

风力机叶片FRP铺层结构强度与失效预测

本文通过对一40 m商业风力机叶片进行三维建模和详细的结构铺层,在叶根挥舞极限载荷条件下研究了叶片铺层结构强度。模型重量及模态频率与试验值吻合很好;主梁帽承受较大的载荷;在主梁帽内段及叶根过渡区域纤维失效因子较大,吸力面与压力面纤维失效因子大小与受力规律不一致;主梁帽在叶根过渡处纤维(层)间失效因子较大,主梁帽靠近叶根段表现为C型失效模式,中段表现为B型失效模式,其余大部分位置表现为A型失效模式。     

三维正交机织复合材料弹道侵彻数值模拟

利用LS-Dyna有限元软件开展球形弹弹道侵彻Kevlar/乙烯基树脂三维正交机织复合材料的模拟研究,靶板采用含损伤的正交各向异性本构模型和Hashin失效准则,子弹剩余速度的计算值和实验值符合较好,破坏形貌和实验基本一致,并给出侵彻速度时程曲线;结合x方向纤维和面内基体的损伤演化图,分析弹道侵彻过程和材料的破坏模式.     

碳纤维-泡沫铝夹芯板低速冲击响应

为研究夹芯结构的低速冲击响应,以碳纤维(T700)/环氧树脂复合材料层合板为上下面板,以闭孔泡沫铝为芯层,模拟夹芯板落锤冲击时的损伤演化过程。复合材料层合板采用三维实体单元建模,基于有限元软件ABAQUS中的用户子程序VUMAT,引入三维Hashin失效准则模拟复合材料的损伤破坏;采用二次应力准则,Cohesive单元模拟黏结层的层间失效;闭孔泡沫铝芯层采用3D Voronoi细观模型建模。分析复合材料夹芯结构在落锤冲击下的损伤起始、损伤扩展和最终破坏模式,通过锤头的接触力、位移、夹芯板的内能、后面板的最大位移研究夹层结构的能量吸收情况及抗冲击特性,得出了在质量保持不变的情况下,5种芯层相对密度和厚度的耦合关系中的最优设计是芯层相对密度15.0%,厚度为10 mm,为满足实际工程中的需求提供了设计依据。     

激光辐照下预加载CFRC层合板断裂行为实验研究

针对激光与机械载荷联合作用下碳纤维/环氧树脂增强复合材料（CFRC）层合板失效时间的预测需求,实验研究了不同激光功率密度（70～210 W/cm2）、不同预应力水平（拉伸强度的50%和70%）、不同光斑尺寸（拉伸试件宽度的70%和100%）下2 mm厚层合板的失效机理,获取了不同影响因素对断裂时间的影响规律。结果表明:预加载层合板失效机制为迎光面环氧树脂基底材料热解、纤维氧化断裂,背光面剩余结构偏脆性断裂;在预应力一定条件下,试件断裂时间与辐照激光功率密度成指数规律;预应力水平对断裂时间影响显著。     

基于原位测量的复合材料冲击损伤定位

针对连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板和玻璃纤维(GF)增强环氧树脂基复合材料层合板两类典型结构,开展了基于原位测量的冲击损伤定位研究。利用碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板自身的导电性,设计了电极阵列,考察了板厚对定位结果的影响;对于不导电玻璃纤维/环氧树脂基复合材料层合板,设计并制备了多壁碳纳米管涂覆的玻璃纤维束(MWCNT@GF)传感器,并将MWCNT@GF嵌入层合板中形成传感网络,考察了不同入射角度对定位结果的影响。对于上述两种方法,编制了冲击损伤成像算法。结果表明:利用冲击前后碳纤维自身电阻和嵌入MWCNT@GF传感器的方法,可准确定位碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板和玻璃纤维/环氧树脂基复合材料层合板的冲击损伤。     

碳纤维增强复合材料反射镜的刚度分析

用有限元法对层合板结构和蜂窝夹层结构的两种复合材料反射镜的刚度进行分析计算,分析是以Ex1522环氧树脂为基体,M60J碳为增强材料的平面反射镜为例进行的,分析包括不同铺层取向、顺序的层合板反射镜自重下的镜面变形;对蜂窝夹层结构反射镜,分别比较了以芳纶纸、玻璃布、耐久铝三种夹层材料的反射镜刚度,对比了碳纤维复合材料、铍金属、微晶玻璃为面板材料的反射镜刚度,讨论了不同蜂窝单元结构形状对反射镜刚度的影响.分析表明,对于以Ex1522环氧树脂为基体,M60J碳为增强材料的平面复合材料反射镜,要使其具有相对稳定的面形,应采用单元形状为正三角形铝蜂窝,前后面板各为12层;90/45/0/－45］3层合板的夹层结构.     

聚能侵彻体作用下钢-CFRP层合板的防护性能

碳纤维增强复合材料（carbon fiber-reinforced polymer,CFRP）具有优越的抗侵彻性能，正逐渐应用于舰船抗爆抗冲击防护设计。为了研究钢-CFRP层合板在聚能侵彻体作用下的防护性能，基于任意拉格朗日-欧拉方法建立聚能装药空中爆炸对钢-CFRP层合板破坏的数值模型，探究聚能装药的空中爆炸载荷特性及其对钢-CFRP层合板的毁伤机理。采用等面密度方法，设计了CFRP作为面板、背板和夹芯层时多种钢-CFRP层合板形式，通过侵彻后侵彻体头部降速以及层合板破口大小，讨论了CFRP敷设位置对层合板防护效果的影响，给出了较优的敷设形式。在此基础上，对层合板的厚度进行优化。结果表明：CFRP-钢-CFRP夹芯结构在聚能侵彻体作用下的防护效果最佳，较佳的厚度比为4.0∶1.4∶4.0。     

超声图像中复合材料褶皱形态的Mask-RCNN识别方法

复合材料在制造和使用过程中不可避免地会产生褶皱缺陷,因其形态变化多样,形变程度较小,人工辨认存在一定障碍,容易出现错漏情况.为提高检测效率,提出利用Mask-RCNN(Mask region-based convolutional neural net works)目标检测算法对复合材料超声图像中不同形态的褶皱缺陷进行检测并分类.制备含有不同形态褶皱缺陷的碳纤维复合材料层合板,利用超声相控阵采集全矩阵数据;通过波数成像算法得到复合材料层合板纵切面图像,根据地质层中褶皱的几何学特征,将复合材料层合板中存在的不同褶皱分为三类,进而建立褶皱形态与材料损伤程度之间的关系;提出Mask-RCNN算法用于褶皱缺陷的自动检测并分类,该算法中语义分割的引入可显示褶皱缺陷的位置和形状.实验结果表明:Mask-RCNN对不同形态褶皱识别的准确率分别达到92.1%,90.9%和93.3%,褶皱分类识别准确、有效.为实现复合材料层合板数据采集-成像-缺陷判别一体化、自动化提供了理论支撑.     

复合材料冲击损伤监测的概率成像方法*

复合材料在制造、使用和维修过程中不可避免的受外来意外物体的低速冲击,造成结构的损伤。材料本身存在各向异性、纤维铺层方向误差等复杂结构特性,导致延迟-累加损伤成像方法难以实现冲击损伤的准确检测。针对这一问题,本文采用了一种与信号传播速度无关的损伤概率成像方法,该方法利用能量损伤因子,将各路径周围的像素点以椭圆分布的形式对损伤进行概率化表述,然后对各路径损伤因子进行合成成像,实现了复合材料冲击损伤的准确监测。实验结果表明,利用能量损伤因子可以监测复合材料冲击损伤,利用损伤概率成像方法可以实现冲击损伤位置的判别。     

热塑性纤维金属层合板舱内爆炸响应数值模拟

热塑性纤维金属层合板作为具备优良抗冲击潜能的复合材料,在舰船防护领域受到广泛关注。以热塑性纤维金属层合板为研究对象,基于封闭空间内爆炸载荷作用下层合板动态响应试验数据,以及通过代表体积元(representative volume element,RVE)方法计算得到的纤维板材料参数,开展了热塑性纤维增强金属层合板的数值模拟研究。通过试验结果与数值模拟结果的对比,验证了数值模拟方法的有效性,进一步分析了层合板的响应规律。所采用的热塑性纤维金属层合板舱内爆炸响应数值模拟方法对研究层合板抗冲击性能具有一定的借鉴意义,为相关研究的进一步开展提供了思路。     

环氧树脂玻璃钢的动静态拉伸力学特性

为系统地研究环氧树脂玻璃钢在静、动态拉伸载荷作用下的力学性能，采用材料测试系统和分离式霍普金森拉杆对材料进行拉伸试验，获得0.001～0.1 s^-1及1 128～1 840 s^-1应变率下的应力-应变曲线和相应的力学参数。结果表明，动态加载下环氧树脂玻璃钢的应变率增强效应较为明显。为此，引入动态增强因子描述环氧树脂玻璃钢在高应变率下力学性能的增强。采用扫描电镜对损伤断面进行观测，发现动态加载下纤维束平整断裂，而非静态加载下纤维拔出失效。相较于静态加载，动态拉伸载荷作用下玻璃钢的基体-纤维界面断裂韧度更高。基于环氧树脂玻璃钢在动态拉伸下的力学响应，引入宏观损伤累积量，建立一种考虑损伤的非线性拉伸本构模型。拟合结果表明，该模型整体上可以反映环氧树脂玻璃钢在动态拉伸载荷作用下的力学响应。