碳纤维双马树脂基圆锥壳的热振动特性研究

本文针对碳纤维双马树脂基圆锥壳在自由边界条件下的热振动特性展开了研究.通过热模态试验获得了圆锥壳在不同温度时的前三阶固有频率,结果表明:圆锥壳的固有频率随温度升高而降低.结合有限元方法,分析了温度对圆锥壳的热振动特性的影响机理,结果表明:随着温度升高,一方面圆锥壳的弹性模量会降低,使固有频率减小;另一方面,复合材料单层...     

复合材料层合板单搭胶接力学性能检测技术与分析

胶接工艺缺陷对单搭胶接接头的拉伸剪切性能有着重要的影响。为了研究不同单搭接胶接层厚度对不同材质复合材料层合板胶接性能的影响规律,通过喷水穿透法超声C扫描对试样的剪切区域进行无损检测,并分别采用1mm、2mm、4mm的胶层厚度,以碳纤维/玻璃纤维复合材料层合板为被粘物,进行单搭胶接拉伸剪切性能试验。检测及试验结果表明:当胶层厚度h1mm时,对于相同材料的被粘物,胶层厚度越大,试件胶接接头剪切强度越小;相同的粘接剂厚度,以碳纤维增强复合材料板为被粘物的试件胶接接头剪切强度大于以玻纤增强复合材料板为被粘物的试件胶接接头强度;胶粘剂与碳纤维被粘物表面的润湿效果要优于胶粘剂与玻纤被粘物表面的润湿效果。     

约束阻尼层合板的稳态响应

基于Reddy分层理论推导出约束阻尼层合板的稳态振动方程,得到了约束阻尼层合板的振动频率和损耗因子;分别分析了约束阻尼层合板的粘弹性夹层厚度、模量对固有频率和损耗因子的影响;得到了稳态振动时振幅和频率曲线以及横向应力与面内应力。数值计算结果表明所采用的算法是可靠的。     

高阻尼合金胶粘层合板阻尼特性研究

考虑高阻尼合金胶粘层合板中高阻尼合金的阻尼迟滞特性和胶粘剂本构中固化时间影响的关系,进行粘贴阻尼合金板后层合板结构的非线性动力有限元建模。对不同胶粘剂固化时间的高阻尼合金层合板进行数值仿真分析,用有理分式正交多项法结合非线性优化方法对仿真数据进行处理,得到不同胶粘剂固化时间下高阻尼合金层合板的固有频率和模态阻尼比。通过与锤击法模态试验所得高阻尼合金层合板模态参数对比,验证了有限元仿真模型的合理性。通过数值仿真和试验结果分析发现:粘贴阻尼合金板后层合板结构阻尼比有大幅度提高;随着胶粘剂固化时间的增加,层合板阻尼性能增强,瞬态振动也可以得到更快地衰减。表明高阻尼合金层合板的阻尼性能与阻尼合金的应变幅值有关;阻尼合金的应变幅值越大,阻尼合金层合板模态阻尼比越大,对应结构的减振性能越佳。     

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.     

柔性基/硅层合悬臂梁振动响应的有限元分析

应用ABAQUS建立了柔性基/硅层合悬臂梁有限元模型,计算了在位移载荷下,柔性基/硅层合悬臂梁中硅层的应力变化,分析了层厚比的变化对柔性基/硅层合悬臂梁低阶固有频率以及振动响应的影响,并与铝基层合悬臂梁进行了对比。结果表明:柔性基可以大幅减小硅层上的应力;封装层和硅层的层厚比越大,柔性基/硅层合悬臂梁的低阶固有频率越大;同时,位移和速度响应明显减小,响应的周期也减小。表明增大封装层和硅层的层厚比,可以有效地提高柔性基/硅层合悬臂梁的整体性能和稳定性,提高其抗冲击性能。反之,会增大柔性基/硅层合悬臂梁发生共振现象的概率,不利于其整体稳定性的提升。此研究结果可为柔性电子器件结构振动特性的优化设计提供理论参考。     

单搭接胶接接头弹性应力的二维分析方法

提出一种能得到单搭接胶接接头二维弹性应力解析解的的一般分析方法.该方法从纵向正应力沿厚度线性分布的理论假设出发,用完整的几何方程与本构方程,在考虑了被粘物与胶层的剪应力和剥离正应力沿厚度的变化,而且严格满足包括搭接区端头胶层剪应力为零的所有边界条件下,能够准确地预测接头任意点的应力状态,并适用于被粘物/胶层几何和材料属性的任何组合.通过与以往的解析解和有限元分析结果对比表明:不仅胶层平均剪应力最大值发生在距胶层端头很近的位置处,而且平均剥离正应力最大值位置也距离接头端头很近.这与以往绝大多数理论解预测"胶层剪应力和剥离正应力最大值都发生在端头处"的结论不同;该解析解有很好的精度和较广的适用范围.     

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。     

基于逆复合二次径向基函数的对称复合材料层合板自由振动分析

利用逆复合二次径向基函数无网格配点法对Reddy的高阶剪切变形理论进行离散,预测了对称复合材料层合板的自由振动特性.将不同材料参数、几何尺寸和边界条件的层合板固有频率计算结果与相关文献中的结果进行对比,结果表明:逆复合二次径向基函数在对称复合材料层合板自由振动分析方面具有收敛性好及精度高等一系列优点.     

一种FRP累积损伤模型及其在结构疲劳寿命估算中的应用

推荐了一种应变损伤累积模型，能够考虑单向板面内多轴应力和平均应力的影响。只需要单向板在确定应力比下的若干典型疲劳试验结果，就可以预测相同材料体系多向层压结构在不同应力比的循环载荷下的疲劳寿命，有助于降低试验成本和工作量。研究了适用于多向层压结构剩余强度估算和疲劳寿命预测的步骤和程序。针对碳纤维／树脂基T300／QY8911复合材料，试验测定了三组典型单轴循环应力（[0]16拉－拉、[90]16拉－拉和[0/90]4S剪－剪）下的S－N曲线。以此为输入，预测四种多向铺层板在各种拉－拉循环应力下的疲劳寿命，寿命预测结果和相应的试验结果吻合良好。采用了保持计算和试验的载荷／强度比相对等值的方法来近似抵消层合效应对疲劳寿命的影响。强调了进一步发展能够定量估计层间应力影响与分层扩展过程的疲劳损伤模型的重要性。     

各向同性超弹性本构模型数值计算及验证

现有多种形式的橡胶本构模型试图预测橡胶力学性质,其中部分模型已写入有限元软件中用于仿真计算,还存在较多拟合性较好的模型无法在有限元材料库中直接获得。本文详述了由不变量和主伸长率描写的各向同性超弹性本构模型的数值实现方法,并结合最新的本构模型开发了UHYPER和UMAT子程序。将UHYPER用于有限元实现对多孔橡胶板的拉伸仿真,对比仿真和试验结果,验证子程序的正确性以及评估本构模型预测复杂应变场的准确性;将UMAT用于单轴、等双轴和剪切拉伸的有限元仿真,对比仿真和本构模型理论结果,验证子程序的可靠性。结果表明,有限元仿真结果与理论结果拟合较好,子程序能够契合本构模型的力学描述,所述方法可以用于超弹性材料的数值计算。     

循环硬化材料本构模型的隐式应力积分和有限元实现

针对新发展的、能够描述循环硬化行为应变幅值依赖性的粘塑性本构模型,讨论了它的数值实现方法。首先,为了能够对材料的循环棘轮行为（Ratcheting）和循环应力松弛现象进行描述,对已有的本构模型进行了改进;然后,在改进模型的基础上,建立了一个新的、全隐式应力积分算法,进而推导了相应的一致切线刚度（Consistent Tangent Modulus）矩阵的表达式;最后,通过ABAQUS用户材料子程序UMAT将上述本构模型进行了有限元实现,并通过一些算例对一些构件的循环变形行为进行了有限元数值模拟,讨论了该类本构模型有限元实现的必要性和合理性。     

A 3/D finite element approach for metal matrix composites based on micromechanical models

Based on analytical considerations by Dvorak and Bahel-El-Din, a 3/D finite element material law has been developed for the elastic-plastic analysis of unidirectional fiber-reinforced metal matrix composites. The material law described in this paper has been implemented in the finite element code ABAQUS via the user subroutine UMAT. A constitutive law is described under the assumption that the fibers are linear-elastic and the matrix is of a von Mises-type with a Prager-Ziegler kinematic hardening rule. The uniaxial effective stress-strain relationship of the matrix in the plastic range is approximated by a Ramberg-Osgood law, a linear hardening rule or a nonhardening rule. Initial yield surface of the matrix material and for the fiber reinforced composite are compared to show the effect of reinforcement. Implementation of this material law in a finite element program is shown. Furthermore, the efficiency of substepping schemes and stress corrections for the numerical integration of the elastic-plastic stress-strain relations for anisotropic materials are investigated. The results of uniaxial monotonic tests of a boron/aluminum composite are compared to some finite element analyses based on micromechanical considerations. Furthermore a complete 3/D analysis of a tensile test specimen made of a silicon-carbide/aluminum MMC and the analysis of an MMC inlet inserted in a homogenous material are shown.     

Constitutive relations for calculating the processes of quasistatic deformation,damage, and fracture of bodies (Including those with concentrators) made of filled polymer materials

We study composite polymer materials with a high degree of dispersion filling (several tens of percent in volume). A tensor generalization of the previously developed variant of the geroendochronic theory of viscoelastic materials is obtained, which allows us to pose and solve initialboundary value problems using this model. A numerical solution algorithm is proposed, which is realized as the UMAT subroutine for the ABAQUS finite element software package.     

Stress–strain and fracture behaviour of 0°/90° and plain weave ceramic matrix composites from tow multi-axial properties

A computationally economic finite-element-based multi-linear elastic orthotropic materials approach has been developed to predict the stress–strain and fracture behaviour of ceramic matrix composites with strain-induced damage. The finite element analysis utilises a solid element to represent a homogenised orthotropic medium of a heterogeneous uni-directional tow. The non-linear multi-axial stress–strain behaviour has been discretised to multi-linear elastic curves, which have been implemented by a user defined subroutine or UMAT in the commercial finite element package, ABAQUS. The model has been used to study the performance of two CMC composites: a SiC (Nicalon) fibre/calcium aluminosilicate (CAS) matrix 0°/90° cross-ply laminate Nicalon/CAS; and, a carbon fibre/carbon matrix–SiC matrix (C/C–SiC) plain weave laminate DLR-XT. The global stress–strain curves with catastrophic fracture behaviour and effects of fibre waviness have been predicted. Comparisons have been made between the predictions and experimental data for both materials. The predicted results when fibre waviness is taken into account compare well with the experimental data.     

大、中等质量冲头冲击下支持跨度对复合材料层压板冲击的影响分析

基于ABAQUS软件建立三种支持跨度的层压板三维有限元模型,分别计算在两种质量冲头冲击下的响应和损伤。结果表明,在判断支持跨度对冲击结果的影响时,要考虑冲头质量与板质量的比;在大质量冲头冲击的情况下,层压板的响应呈现准静态特征,层压板支持跨度的变化对,最大接触力、冲击持续时间、分层损伤面积等参数的影响较为简单明确;对于中等质量冲头情况,冲击接触时间减小,层压板振动明显,导致冲头与层压板在冲击过程中会脱离接触。在这种情况下不同跨度下板的响应差异也较为明显,冲击力的大小和损伤情况要依据具体的分析。从冲击接触时间和层压板固有振动周期的角度分析了冲头质量水平对冲击响应的影响。     

一种非统一黏塑性本构的有限元实现

在与率相关黏塑性本构模型的背应力分量中加入静态回复项通常用来更精确地描述材料应力松弛效应．本文基于包含静态回复项的非统一黏塑性本构模型,提出了对应的隐式应力积分算法．该模型可简化为两个关于偏背应力和等效应力张量的方程组,通过牛顿迭代法进行求解．在应力积分算法中采用了Return-Mapping求解策略．此外还推导出了材料的一致切线刚度矩阵来判断有限元分析收敛性．在此基础上开发出了适用于ABAQUS工程软件的UMAT用户材料子程序．文中选取了高温下镍合金材料在伴随应力松弛的循环加载路径下的试验结果来验证算法的有效性．从比较结果中可以发现：用户子程序即使在大时间增量下也具有良好的收敛性,静态回复项的引入使得模型对应力松弛效应的模拟更加准确．     

基于UMAT的形状记忆合金驱动波纹板结构的数值分析

形状记忆合金SMA主动驱动波纹板效率高,且性能稳定,在设计自适应智能结构上具有可观的前景。为有效利用有限元法对SMA波纹板结构进行计算分析,基于已有SMA本构模型推导了增量型SMA本构模型,据此编写了可由ABAQUS调用的用户材料（UMAT）子程序;利用该UMAT子程序对SMA主动驱动波纹板结构进行了数值模拟计算,与实验结果的对比验证了计算结果的有效性;在SMA波纹板原始结构基础上,提出了SMA短带错落布置型新结构,并进行了数值模拟分析与验证;提出了新结构的温度控制方案和提高驱动效果的措施,可为SMA驱动波纹板驱动器的设计与应用提供参考与借鉴。     

基于刚度损伤并考虑强度退化的钢筋模型

Clough本构广泛应用于现浇节点的滞回模拟中,针对原始Clough本构中的应力可能会超出材料自身极限强度的问题,提出了一种根据节点刚度损伤来推导钢筋本构的算法。该算法依次建立现浇节点刚度退化与构件中钢筋模量退化间的关系及梁端位移角与钢筋应变的关系,根据以上关系建立钢筋强度退化的表达式,并得到钢筋的本构模型。使用Fortran语言编写自定义纤维单元材料子程序,利用有限元软件ABAQUS进行两个算例验证,得到的模拟滞回曲线具有捏缩现象,形状与试验吻合良好,耗能和延性等方面可与试验接近,在峰值点位移角的预测方面也具备一定的优势,同时,本构在二维和三维模型中均有良好的收敛性,且精度较高,可以应用于实际工程中。