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.     

低速冲击下复合材料合板的响应过程模拟

运用一种精度较高的高阶位移模型分析了复合材料层合板在低速击下的响应过程,该位移模型能够同时考虑层间正应力和横向剪应力,另外,采用修正的Hertz接触定律与Newmark积分方法相结合,建立了冲击接触的有限元模型,本文的数值模拟计算结果与解析结果相比较证明了该方法的有效和精确性。     

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.     

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。     

基于凹坑深度的复合材料低速冲击损伤分析

对复合材料层合板进行了低速冲击实验,建立了冲击凹坑深度与冲击能量的关系。依据凹坑深度反推冲击能量,并用能量确定冲锤质量和冲击速度,从而可对层合板进行动态数值模拟。冲击凹坑深度与冲击能量的关系表明,凹坑深度的变化是与冲击能量的变化过程相适应的,在此基础上对损伤的分布形式及大小做了详细的分析。采用ANSYS有限元程序对复合材料层合板横向低速冲击进行模拟,采用瞬态分析方法来研究层合板的冲击与损伤过程。对冲击后的试验件进行了C扫描损失检测。计算和试验结果表明,此方法是可行的,特别适合于层合板冲击后的损伤评估。     

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。     

低速冲击下纤维金属层合板的损伤模式研究

为研究低速冲击下纤维金属层合板(FMLs)的损伤特点,对由玻璃纤维和2024-T3铝合金交替层压而成的层合板进行了落锤低速冲击试验,并将试验结果与2024-T3铝板进行了对比;分析了FMLs的动态冲击响应并根据各能量下的损伤情况总结了其损伤规律。结果表明:冲击后裂纹长度、凹坑深度等随冲击能量的变化关系曲线上存在裂纹产生、裂纹分叉和完全穿透三个转折点。为研究冲击过程中层间相互作用,采用有限元方法分析了FMLs的低速冲击后动态响应,讨论了FMLs中铝层和纤维层之间的分层等情况,各分层大致呈椭圆状,其长轴与轧制方向垂直。同时将冲击能量为15J和45J下的模拟载荷-时间曲线与试验结果进行了对比,其最大载荷误差分别为10.2%和5.6%,从而验证了该数值方法的可靠性。     

复合材料层合板低速冲击损伤分析的连续介质损伤力学模型

针对复合材料层合板低速冲击损伤问题,提出了一种各向异性材料连续介质损伤力学模型,模型涵盖损伤表征、损伤起始判定和损伤演化法则3 个方面. 通过材料断裂面坐标下的损伤状态变量矩阵完成损伤表征,并考虑断裂面角度的影响,建立了主轴坐标系下的材料损伤本构关系. 损伤起始由卜克(Puck) 失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,服从基于材料应变能释放的线性软化行为. 模型区分了纤维损伤和基体损伤,并根据冲击载荷下层内产生多条基体裂纹继而扩展至界面形成层间裂纹(分层) 的试验观察,引入基体裂纹饱和密度参数表征层间分层. 以[0₃/45/-45]_S 和[45/0/-45/90]_4S 两种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了连续介质损伤力学模型的有效性.模型在不同网格密度下的计算结果表明单元特征长度的引入可以在一定程度上降低损伤演化阶段对网格密度的依赖性.      

纤维增强复合材料层合板弹道冲击研究进展

近20多年来, 纤维增强复合材料层合板, 在结构防护领域大量使用, 由于层合板结构及材料特性的复杂, 其弹道吸能机理十分复杂, 影响因素包括靶板的几何尺寸、结构形式、材料力学特性及层间粘结、弹形及弹速等诸多方面.本文主要针对近10年的研究工作, 侧重于实验技术、弹道冲击实验研究、经验公式及理论分析模型等几方面的发展, 进行了回顾和展望.同时, 对于弹道侵彻力历程、材料的动态力学特性以及数值分析技术在层合板弹道冲击问题上的运用及发展等方面, 也进行了简要的介绍.      

纤维/金属网增强层板低速冲击损伤机理和演化

本文首先通过落锤低速冲击实验测试了纯玻璃纤维增强环氧树脂复合材料和304不锈钢丝网(SSWM)/玻璃纤维混杂复合材料的力学性能,探究了SSWM嵌入数量对混杂复合材料抗冲击性能的影响．随后采用Abaqus有限元软件建立了混杂复合材料的低速冲击模型,分别采用三维Hashin失效准则和Jason-Cook破坏准则模拟了纤维/基体和SSWM的损伤;建立了基于表面接触的内聚力模型来模拟界面分层;编写了VUMAT用户子程序定义混杂复合材料层合板的渐进失效过程．结果表明：相较于纯玻璃纤维增强环氧树脂层合板,SSWM/玻璃纤维混杂增强环氧树脂层合板的抗冲击性能更优,其中铺层形式为铺层III的混杂复合材料抗冲击性能最佳．通过对比发现有限元仿真结果与实验结果吻合良好,表明建立的模型适用于SSWM/玻璃纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击损伤的评估．通过分析仿真结果发现混杂复合材料的低速冲击损伤主要是冲击区域的纤维断裂、基体破坏和层间分层;SSWM通过吸收和传递冲击能量从而提升了混杂复合材料的抗冲击性能．     

含冲击损伤高强中模碳纤维复合材料层压板压缩剩余强度分析与试验验证

论文以碳纤维复合材料层压板为研究对象,发展了一种模拟复合材料层压板冲击及冲击后压缩的一体化数值分析方法．基于Puck 失效准则和粘聚区模型描述层内损伤与层间损伤,分别采用基于断裂能的双线性型、函数型以及直接折减型等不同损伤折减方法构建了层内损伤预测与演化模型;建立了碳纤维复合材料冲击后压缩数值仿真模型,通过开展不同能量冲击后压缩试验,验证了所发展的数值分析方法的有效性;研究结果表明,采用Puck 失效准则和基于断裂能的双线性损伤演化模型预测冲击后压缩强度时具有较高精度．     

复合材料冲击损伤及冲击后压缩强度的等效实验方法

简要论述了复合材料低速冲击及冲击后压缩的研究情况,比较了几种不同的冲击后的压缩实验方法,选取一种小尺寸试件方法,对复合材料低速冲击后的压缩行为进行研究,并将结果与有关文献进行了比较,实验结果与文献结果具有一致的变化规律。研究结果显示,对于材料研究,该方法可用来表征复合材料冲击后的压缩特性。使用该方法可以大大节省实验费用及周期。     

GLARE层板鸟撞数值模拟分析

运用大型非线性动力学有限元分析软件MSC.Dytran的ALE(任意拉格朗日欧拉耦合)分析功能,建立了基于耦合解法的GLARE层板受鸟撞作用的数值模拟模型.由于鸟体与结构发生高速撞击时呈现出流体特征,在计算中鸟体用流体本构模拟.为得到GLARE层板的层间应力,GLARE层板采用三维实体单元模拟.在耦合界面上,通过定义ALE界面传递流体域和固体域之间的相互作用.计算比较了五种不同铺层角度的GLARE层板,得到复合材料铺层角度为0°,30°,45°,60°,90°时,GLARE层板对鸟撞动力的响应,通过对计算结果比较,发现随着铺层角度增大,材料在X方向刚度降低,GLARE层板产生的应力减小,为GLARE层板的设计和应用提供了参考依据.     

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。     

复合材料拉伸断裂过程的Monte-Carlo模拟

本文假定材料的断裂韧性Г是一个按概率密度分布的随机参数,其概率密度服从Weibull分布。应用Monte—Carlo方法模拟了层合板在拉伸条件下的断裂过程。计算结果表明：理论预测值与实验结果吻合较好。并得出结论：用Monte—Carlo模型能够较好模拟层合板的拉伸断裂过程,对层合板中基体开裂的演化进行相关的预测是可行并且有效的。     

复合材料板冲击损伤检测的二维间隔平滑法

本文发展了一种基于振动的复合材料板的损伤检测方法,将原有的一维间隔平滑法(1D GSM,one dimensional gapped smoothing method)发展至二维(2D GSM),并进一步提出二维间隔平滑法的标准化损伤指标.与其他多数基于振动分析的损伤检测方法不同,该方法只需分析含有损伤结构的检测数据,无需结构健康时的数据或理论、计算结果作为对比信号,即可判定缺陷的存在,并能准确定位.针对由冲击造成的准各向同性碳纤维增强复合材料板中的层裂损伤,本文采用压电片阵列组合激励的方式,得到了复合材料板多频率扭转振型的同时激励,可实现快速、高效的损伤检测.通过扫描式激光测振仪测得结构在不同固定频率下的结构响应ODS(operational deflection shapes),利用提出的二维间隔平滑法,分析得出损伤指标.实验结果表明,二维间隔平滑法可以准确地检测碳纤维增强复合材料板的冲击损伤,并具有较好的精度.     

含冲击损伤复合材料层压板压缩破坏机制的声发射特性研究

复合材料层压板在压缩破坏过程中包含了丰富的声发射信息.为了研究含冲击损伤的复合材料层压板的压缩破坏机制,采用声发射观察层压板的压缩破坏过程,通过分析声发射信号的特征规律,表征了在压缩载荷下材料损伤的形式及其演化过程.结果表明:通过对声发射参数(撞击计数、能量、幅值、事件位置)和载荷曲线进行综合分析,发现损伤的发展过程经过了初始阶段、平稳扩展期和断裂阶段,冲击造成的分层区域最先出现屈曲并最早破坏;在损伤初始阶段和平稳扩展期间,损伤是一种渐进式的增长,层压板具有一定的承载能力;在断裂阶段损伤快速扩展,层压板的承载能力迅速下降,在出现纤维密集断裂的现象后整体破坏.     

局部损伤复合材料层合板的振动分析

本文采用了一种改进方法对局部损伤复合材料层合板进行了振动分析,将复合材料板中的损伤模拟为局部刚度的削减,并取三个损伤因子来刻画损伤的特性．利用高阶摄动法对其自由振动方程进行求解,主要计算了损伤板的自然振动频率和振动模态．相较于一阶摄动展开法,该方法在计算局部较大损伤问题中具有更高的准确度和敏感度．最后对损伤问题进行了参数研究,分析了不同的损伤因子（包括局部损伤程度、方向、面积大小）对板自由振动频率的影响．该方法为二维板局部损伤检测提供了有效精确的理论依据,并为损伤的定量评价提供了一种思路．