含胶接缺陷的椭球泡沫夹层结构破坏机理与承载能力研究

采用试验和有限元方法,对含胶接缺陷的椭球泡沫夹层结构在外压作用下的破坏模式和承载能力进行了研究。针对国内在研的大尺寸椭球泡沫夹层结构,实施了全尺寸静力外压试验,发现初始胶接缺陷破坏了夹层结构界面应力传递的连续性;随着载荷增加,面板发生皱褶且脱胶界面继续扩展,从而降低结构整体承载能力。通过红外无损检测确定了缺陷的类型和形貌;采用预留相应初始脱粘面积、脱粘间隙以及内聚力单元模拟界面脱粘的有限元分析方法,对含胶接缺陷的椭球泡沫夹层结构承载能力进行预测。数值结果表明:含胶接缺陷结构易发生面板皱褶,且结构顶部和根部区域较易发生界面脱粘扩展。数值和试验结果取得了较好的一致性,本文结果可为同类结构设计提供参考。     

纤维增强橡胶复合材料界面力学性能有限元分析

基于剪滞理论,引入双线性内聚力模型研究了纤维与基体界面应力传递机理.采用ABAQUS模拟了非理想界面在单纤维拔出过程中的脱粘失效,分析了不同脱粘阶段界面剪应力分布情况,以及界面刚度和纤维长径比对界面应力传递和拔出载荷的影响规律.结果表明,在纤维受载失效过程中,纤维的拔出过程可分为4个阶段,即界面的完全粘结、损伤演化、逐渐脱粘、完全脱粘.界面的刚度和纤维长径比对界面应力传递与最大拔出力均有一定的影响.界面刚度、纤维长径比主要影响纤维的最大拔出载荷以及界面脱粘失效位移.     

多焊点情况下胶焊单搭接头的静力分析

以胶接分析为基础,将焊点视为大剪切弹性模量胶粘荆,假设被粘体切应力沿厚度线性分布,胶层和焊点切应力沿厚度方向不变,建立了多焊点情况下胶焊单搭拉剪接头的线弹性应力解析模型.计算结果表明:被粘体正应力和胶层切应力解析解与有限元模型吻合得较好.对焊距的参数研究表明:胶焊单搭拉剪接头连接区纵向正应力和切应力随焊距减少而分布更均匀,峰值切应力下降,与前人的试验结果一致.     

含人工脱粘层固体装药结构应力应变场分析

针对某翼柱型固体装药结构,选取1/16子结构进行了有限元分析。通过将其分割成若干具有单一拓扑型式的组合体,获得了精度较高的结构化网格。在三维线性粘弹性理论和边界非线性理论基础上,基于接触算法模拟了人工脱粘层的边界条件;研究了固化降温过程含人工脱粘层固体装药结构的变形特征和应变场,并与无人工脱粘层的计算结果进行了对比,结果表明:人工脱粘层可以显著地改善固体装药结构端部的应变水平,最大的等效VonMises应变从无人工脱粘的30.1%下降为23.0%。此外,探讨了人工脱粘层前缘的应力水平以及工程上界面脱粘的快速近似计算方法。     

基于弹性-塑性内聚力模型的纤维拔出界面宏观行为分析

用解析法分析了单纤维从聚合物基体中的拔出过程,采用弹性—塑性内聚力模型模拟裂纹的扩展和界面失效,确定了临界纤维埋入长度,该值区分两种不同长度的纤维拔出过程. 在纤维拔出过程,界面经历不同的阶段. 纤维埋长小于临界长度时,界面的脱粘载荷与纤维的埋长成正比;超过临界长度后,界面的脱粘载荷近似为常数. 分析了界面参数对脱粘载荷的影响:增加界面的剪切强度和界面的断裂韧性,或减小界面裂纹萌生位移,均能提高界面的脱粘载荷;界面脱粘后无界面摩擦应力时,拔出载荷—位移曲线的峰值载荷等于界面的脱粘载荷;界面摩擦应力存在时,使峰值载荷大于脱粘载荷,需要较长的纤维埋入长度和较大的界面摩擦应力.      

含多源损伤的胶接修补结构有限元分析方法

采用有限元法研究含多源损伤结构的胶接修补问题,利用二维三层有限元模型对损伤区进行了数值模拟,并选取典型多源损伤情况中含共线双裂纹铝板结构为算例,详细分析了含多裂纹胶接修补结构中两裂纹相对位置、补片尺寸、铺层和厚度对应力强度因子的影响.结果表明,复合材料胶接修补可明显降低含共线双裂纹母板的应力强度因子;对于确定的裂纹和应力场,应对复合材料补片长度和厚度等参数进行优化设计,以获得最佳的修补效果.     

胶层吸湿对单搭接接头影响的数值模拟

在建立胶桔剂吸涅本构模型的基础上,用弹塑性有限元法研究了聚丙烯酸酯胶层吸涅程度对单搭接接头上胶层中应力分布的影响.结果表明:随着胶层吸湿程度增加,单搭接接头上胶瘤处的峰值应力显著降低.对水分从搭接区两侧渗入胶层的总宽度变化时胶层中的应力分布作了研究,发现随渗入总宽度的增加,胶层中的等效应力Seqv峰值下降.因水分渗入后引起胶层溶胀,在胶瘤过渡到中间胶层的拐角处会产生严重变形,可能导致该处发生脱粘.     

基于粘聚力理论的CFRP加固钢板剥离机理研究

碳纤维增强复合材料（CFRP）加固钢板时,CFRP端部往往会发生剥离破坏而导致失效,文中重点研究了CFRP加固钢板的机理。首先根据粘聚力理论建立了CFRP加固钢板的有限元模型;然后对CFRP加固钢板进行了静态拉伸试验研究,并利用试验数据验证了有限元模型;最后基于有限元模型对CFRP剥离破坏进行了机理研究。分析结果表明：采用粘聚力理论建立的有限元模型可以准确模拟胶层剥离机理;胶层剪应力是胶层剥离破坏主要因素,整个过程经历了弹性变形、胶层软化和胶层剥离三个阶段;胶层剥离破坏从CFRP端部开始,逐渐向中间发展,最终导致胶层完全失效。     

两类有脱层损伤层合圆柱壳的半解析法研究

为了研究层合壳脱层,本文首先建立了柱坐标系下Hamilton 正则方程的8 节点等参元列式;然后分别采用了"先分后合" 模型和"弱粘接" 模型对开口壳的脱层损伤进行了模拟;通过利用层间的力学关系建立了整个壳的求解方程;最后分别从粘接完好和脱层两类情况对开口壳进行研究,并计算脱层前缘裂纹扩展的能量释放率. 数值实例的分析结果表明环向脱层受外载荷影响大于轴向脱层外载荷影响,脱层深度对两类脱层模型影响较大.     

纤维增强混凝土材料的界面剪应力分布研究

针对纤维与混凝土界面的破坏过程,提出了几种简化的粘结-滑移本构模型,以双线性局部粘结-滑移本构模型为基础,在受力平衡和变形协调的基本原理基础上,推导了纤维脱粘过程中界面剪应力的解析解.采用弹簧粘结单元,通过数值方法模拟了纤维与混凝土之间的粘结-滑移过程,给出了纤维与混凝土界面脱粘过程中界面剪应力的分布、变化情况.对解析解、有限元计算结果和试验结果之间的差异进行了对比分析,验证了简化模型的合理性和有效性.     

考虑损伤和界面脱粘的复合材料加筋板稳定性试验与模拟研究

对复合材料帽型加筋板的压缩稳定性进行了试验研究,并在包含复合材料多种损伤模式和胶层损伤的条件下,对加筋板失稳及损伤演化特征开展了有限元分析.试验与模拟结果表明:在加筋壁板失稳前,基体、纤维、加强筋和壁板之间的胶层均未产生明显损伤,加筋板的失稳会导致快速的损伤演化;壁板近表面损伤较内部严重,胶层界面脱粘降低了壁板的极限承载能力;考虑损伤的模拟结果与试验相符性好,证明了该方法的可行性和有效性.     

应变控制的热机械疲劳行为的数值模拟

根据高温合金材料的力学性能,以弹粘塑性本构模型为基础,用数值模拟方法研究材料的热机械疲劳循环特性.模型将应变分为弹性应变、温度应变和粘塑性应变三部分,认为材料在高温循环载荷下呈现明显的弹粘塑性特征.根据虚位移原理建立轴对称体的弹粘塑性计算有限元格式.对于循环机械载荷和循环温度载荷,程序中采用了增量法迭代求解,在非线性项中不仅考虑了机械载荷增量的影响,同时也考虑了温度增量的影响.根据应变控制热机械疲劳的特点,发展了应变增量法的有限元计算方法.通过数值模拟,得到材料在各种循环载荷下的应力-应变响应.数值模拟较好地反映了粘塑性变形过程以及温度变化的效应.所描述的不可逆系统在某一时刻的状态完全由当时的状态参数、内变量、承载时间及塑性应变累积量决定.对带缺口试件的模拟结果显示了程序对复杂轴对称结构进行热机械疲劳计算的有效性.     

金属损伤复合材料胶接修补结构力学试验研究

为评估金属损伤复合材料胶接修补结构的剩余强度和剩余寿命,进行了含腐蚀和疲劳损伤LY12CZ航空铝合金板碳/环氧复合材料补片胶接修复结构的力学性能试验,分析了在静拉伸和疲劳载荷作用下修补结构的破坏模式、失效机理。试验研究发现:复合材料胶接修补技术有效改善了腐蚀和疲劳损伤这两类损伤区域的受力状况,恢复了其载荷传递路线,其静拉伸失效形式为金属韧性断裂后胶层脱粘的分步渐进式破坏;与含损伤未修补试样相比,胶接修补大幅度提高了试件的剩余强度和剩余寿命恢复率,修补后铝合金试件承载能力增加了约25%,疲劳寿命增加至修补前的约4倍~5倍。     

含裂粘补结构胶层剪应力的计算

提出了一种计算含裂粘补结构胶层剪应力的新方法。采用有限元计算补片的影响系数，使用已有解析解计算蒙皮的影响系数。利用位移协调条件，列出有限多组联立方程。解出含裂粘补结构胶层剪应力。计算结果较好的反映了含裂粘补结构胶层剪应力的实际变化趋势，该方法同样可应用于其他结构如高梯度基膜复合材料剪应力的计算。     

有限元模拟TIN 膜/碳钢基材体系的摩擦磨损试验

对TiN膜/碳钢基材体系摩擦磨损过程的有限元模拟表明:磨痕边缘的多种应力集中、磨痕内外的张应力、膜/基界面切应力,都将影响体系的摩擦学行为.用销/盘试验验证了有限元模拟结果,根据对膜层中裂纹的萌生、扩展和体系的损伤、破坏情况分析,摩擦磨损过程分为磨合、稳定磨损、膜层失稳、体系失效阶段.提出了小载荷摩擦磨损下过软基材的膜/基体系失效机制,即膜层在集中应力和张应力作用下发生裂纹萌生和扩展的脆性破坏,其中,由于体系变形引起的磨痕边缘应力集中对膜层早期损伤进而导致体系磨损失效具有最重要作用.     

岩石巴西圆盘动态劈裂的流形元法模拟

利用二阶流形元法,通过引入裂纹产生与扩展判据,对冲击载荷作用下岩石平台巴西圆盘的动态拉伸劈裂过程进行了数值模拟,再现拉伸波作用下圆盘被劈裂的过程。模拟现象与实验结果相符,动态平衡时的应力分布与有限元结果基本一致。从而验证了流形元在模拟冲击载荷作用下材料动态破坏过程的有效性和可行性。     

胶补加筋板应力强度因子及胶层剪应力计算

 在铆钉力法的基础上，提出计算胶接修补加筋板结构应力强度因子及胶层剪应力的解析法, 对分析胶接修补的加筋板强度具有现实意义. 利用影响系数，可以得到筋条、补片及蒙皮位 移的表达式，根据位移协调条件，建立联立方程，从而得到胶层剪应力及铆钉力. 通过解析 式，计算裂纹尖端的应力强度因子，分析补片对结构修补的效果，综合考虑了筋条及补片对 应力强度因子的影响.     

任意分布参数疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析

针对工程中疲劳裂纹扩展过程带有很大的随机性,采用Paris-Erdogan公式计算了两端承受均布拉伸载荷的边缘斜裂纹板的疲劳裂纹扩展寿命.裂纹扩展方向采用最大周向应力准则.在此基础上,以材料属性和载荷为随机变量,用随机有限元法结合计算可靠度的四阶矩法,分析了分布参数为任意分布时的疲劳裂纹扩展寿命可靠度对极限寿命的变化规律.通过算例说明本文方法的结果与Monte-Carlo Simulation的结果误差很小,对疲劳设计有一定的指导意义.     

胶补加筋板应力强度因子及胶层剪应力计算

在铆钉力法的基础上，提出计算胶接修补加筋板结构应力强度因子及胶层剪应力的解析法，对分析胶接修补的加筋板强度具有现实意义．利用影响系数，可以得到筋条、补片及蒙皮位移的表达式，根据位移协调条件，建立联立方程，从而得到胶层剪应力及铆钉力．通过解析式，计算裂纹尖端的应力强度因子，分析补片对结构修补的效果，综合考虑了筋条及补片对应力强度因子的影响．     

受弯脱层层板后屈曲有限元分析

脱层是复合材料层板结构中主要的缺陷形式之一。当脱层层板受到压力载荷的作用会造成脱层的局部屈曲和扩展,从而使结构的强度和刚度大为降低。含脱层层板的弯曲问题包含了脱层的压缩问题,却比压缩问题更加复杂。本文对含穿透脱层层板在纯弯载荷作用下的后屈曲问题进行了基于一阶剪切层板理论的几何非线性有限元分析,运用虚裂纹闭合技术求解了纯弯载荷作用下的脱层尖端的能量释放率各型分量,并用脱层扩展判据求解了脱层起始扩展载荷。