三维编织复合材料渐进损伤的非线性模型及强度分析

建立了考虑周期性位移边界条件的细观体胞模型,对三维编织复合材料的渐进损伤过程进行数值模拟。采用Eshelby-Mori—Tanaka方法计算含损伤裂纹的材料的剐度矩阵,并将有限元网格尺寸和单元裂纹尺寸引入损伤演化方程,有效地降低了模拟结果对有限元网格的依赖程度。通过计算得到了材料应力应变的非线性关系和失效时的极限强度,并分析了材料的破坏机理。结果表明,大编织角材料的破坏模式主要是基体失效与纤维横向拉剪破坏,模拟计算结果与文献中的实验值吻合较好。     

三维编织复合材料渐进损伤的非线性数值分析

基于考虑纤维束相互挤压的八边形纤维束截面单胞模型,引入周期性位移边界条件,采用 细观非线性有限元方法,建立了三维四向编织复合材料的渐进损伤拉伸强度模型. 该模型考 虑了增强体纤维束纵向非线性剪切应力-应变关系,采用Hashin型损伤失效准则定义了纤维 束的典型损伤类型,并根据纤维束和纯基体相应损伤类型所造成的材料性能退化,模拟了不 同编织角试件各类损伤产生、扩展及材料最终破坏的整个过程. 模型数值结果与实验数据吻 合较好,证明了该模型的合理有效性. 探讨了组分材料剪切非线性、损伤对材料宏观非线性 本构行为的影响,结果表明：随着编织角增大,纤维束剪切非线性效应和累积损伤对材料非 线性力学行为的影响明显增强.     

基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲失效特性分析

为了预测三维编织C/C复合材料的弯曲失效行为,基于多尺度渐进展开理论,结合细观渐进损伤模型,建立了三维编织C/C复合材料宏细观多尺度分析模型。通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序UMAT的二次开发,在宏观结构有限元分析中实时调用细观单胞模型进行细观渐进损伤分析,实现了宏细观尺度之间交互式信息传递和多尺度损伤模拟。利用上述模型对三点弯曲载荷下三维编织C/C复合材料梁的渐进损伤和失效过程进行了模拟,预测了梁的载荷-挠度曲线和弯曲强度,并与实验结果进行了对比分析,验证了基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲强度预测模型的有效性,为此类材料及结构失效分析提供了一种手段。     

含分层损伤复合材料层合板剩余压缩强度研究

准确预测含分层损伤层合板的剩余压缩强度,对复合材料具有十分重要 意义。本文基于层合板一阶剪切理论,建立了一种考虑复合材料多种损伤的含分层层合板刚度退化模型,通过数值算例分析了分层屈曲临界载荷与材料强度极限的关系以及刚度退化对含分层层合板前后屈曲行为的影响。     

三维编织复合材料剪切性能分析

根据三维四向编织复合材料的结构特点，提出了刚度合成法预测编织复合材料剪切弹性模量，比较了整体编织试件和裁剪所得试件理论剪切性能差别，分析了三维编织T300／QY9512复合材料的剪切性能随试件沿宽度和厚度两个方向内部单胞数目的变化规律。结果表明，三维编织复合材料剪切弹性模量是与试件尺寸相关的，只有当试件尺寸较大、沿宽度和厚度两个方向内部单胞数目较多时，试件尺寸的影响可以忽略。当沿宽度方向单胞数目较大时，整体编织试件和裁剪所得试件的剪切模量相近。本文还得到了在复合材料板的纤维体积含量不变的情况下，剪切模量随编织角的变化规律。     

三维编织复合材料弯曲性能分析

根据三维四向编织复合材料的结构特点,提出了用刚度合成法来预测复合材料的弯曲模量,并对三维编织T300/QY9512复合材料的弯曲模量进行了预测.分析结果表明,由于试件的表面单胞和内部单胞的结构不同,得到试件的弯曲模量略高于拉伸模量,该结果与试验值相符.另外,当试件尺寸较大、内部单胞数较多时,可以不考虑表面单胞和内部单胞性能差异的影响,而认为三维编织复合材料的弯曲模量只与内部单胞的性能有关,这对工程分析和试件制作具有指导意义.     

三维编织复合材料几何建模及数值分析

论文根据三维编织复合材料的结构特点,把整体结构分为内部单胞、表面单胞和角单胞三种类型的子单胞,考虑空间纤维束的相互扭结和挤压所造成的纤维束的弯曲和截面变形,针对每种类型的子单胞,建立了相应的几何分析模型.引入周期性位移边界条件,建立了材料的弹性性能预报模型,得到了三维编织复合材料的工程弹性常数.通过数值比较可以看出,论文所给出的数值计算结果与实验结果吻合较好,从而验证了本文模型的有效性.     

粘弹性树脂基三维编织复合材料的热膨胀性能研究

首先利用均匀化理论并结合有限元法研究了三维编织复合材料的粘弹性效应,根据松弛模量的计算结果研究了材料热膨胀系数随时间的变化关系,在此基础上,给出了编织结构和工艺参数(编织角、纤维体积比)对材料初始热膨胀系数的影响规律,计算结果与实验值吻合较好.论文工作为深入研究三维编织复合材料的热粘弹性能提供了基础.     

三维四向编织复合材料的拉伸尺寸效应研究

通过对三维四向碳/环氧编织复合材料的拉伸实验,观测了不同几何尺寸的试件的破坏模式和断口形貌,得到了材料在拉伸载荷下不同的破坏机理以及材料的力学性能与试件几何尺寸的相关性,研究表明材料随着内部单胞数量的增加材料的弹性模量递减,而剪切模量和泊松比递增的变化规律,通过体积平均法从理论上预报了材料的弹性性能,预报结果与实验结果相符,实验和理论所获结论为进一步进行材料的刚度和强度预报以及强度准则的建立奠定了必要的实验和理论基础.     

纤维缠绕复合材料压力容器渐进损伤分析

利用大型有限元软件ANSYS的参数化设计语言(APDL)建立了纤维缠绕复合材料压力容器的有限元模型,该模型真实地反应了复合材料压力容器封头处纤维缠绕层的厚度以及纤维缠绕角度沿子午线不断变化的情况,即充分体现该压力容器结构的真实性.针对建立的有限元模型,对复合材料压力容器在一定内压下的应变进行了分析,将分析的结果与试验结果比较,验证该模型的准确性.在此基础上进行了复合材料压力容器的渐进损伤分析,获得了复合材料压力容器在外载荷逐渐增加的情况下,复合材料缠绕层逐层失效破坏的详细信息,为复合材料压力容器的设计提供一定的依据.     

含夹杂和微裂纹复合材料的损伤演化和分析

利用细观力学的Ｅｓｈｅｌｂｙ和Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ理论，考虑纤维和微裂纹之间的相互作用，研究了定向分布微裂纹的演化规律及其对材料力学性能的影响，分析了纤维体积份数，弹性系数、微裂纹密度，纤维不同取向与基体开裂强度之间的变化关系，并给出了许多有意义的结论。     

金属基复合材料和强度与损伤分析

用观察计算力学的方法分析了金属基复合材料（ＭＭＣ）多重损伤与强度的关系,采用唯象的内聚力模型模拟纤维／基体界面的脱粘和采用Ｇ－Ｔ模型描述韧性基体的损伤。并用上述模型分析了长纤维增强ＭＭＣ在横向荷载作用下损伤演化的规律,讨论了不同界面性质与材料强度及损伤、破坏模式之间的关系。     

含材料非线性的复合材料单钉接头累积损伤分析

发展了静拉伸复合材料接头层合板三维逐渐损伤模型,考虑了单层复合材料在材料1-2面及3-1面上具有明显非线性剪切应力-应变关系的叠层非线性效应,结合有限元技术即应力分析、失效判定准则及损伤过程中材料性能退化等,对接头层合板损伤扩展进行了模拟,结果表明考虑材料非线性的影响与实验结果吻合更好.     

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.     

PROGRESSIVE DAMAGE ARREST MECHANISM IN TAILORED LAMINATED PLATES WITH A CUTOUT

This study addresses the effectiveness of a simple stiffness tailoring concept to delay damage initiation, control damage progression, and improve residual strength in tensile-loaded composite plates with a central circular cutout. The tailoring concept is to simply reposit all axially oriented （0°） material into regions near the edge of the plate away from the cutout. This tailoring is done in a way so as not to affect the weight of the plate. This accomplishes several beneficial changes in the way that the plate resists loading with no increases in material cost or weight. Lowering the axial stiffness of the laminate surrounding the cutout lowers the stress concentration. Increasing the axial stiffness near edges of the plate attracts loading away from the vicinity of the cutout to further lower stresses in the critical cutout region. This study focuses on in-plane response including damage progression and residual strength as a function of the degree of tailoring and cutout size. Strength and stiffness properties typical of IM7/8551-7 preperg material were assumed and a modified version of the Hashin failure criteria was used to identify the local damage. Results show that tailoring can significantly increase the damage initiation load and the residual strength. In some cases, observed evidence shows that tailoring performs as a damage arrest mechanism.     

ANALYSIS ON BUCKLING AND POSTBUCKLING OF DELAMINATION IN 3D COMPOSITES

In this paper, the problem of axisymmetric buckling and postbuckling of a circular thin-film delamination bridged by through-thickness fiber tows in 3D composites is presented. An iterativeprocedure based on Taylor's series expansion is used to generate a family of nondimensionalized post-buckling solutions of the above problem by yon Karman's nonlinear plate theory. Attention is fo-cused, herein, on the effects of the bridge force of through-thickness fibers on the buckling and post-buckling behavior of the delamination. It is found that fiber bridge not only increases the ability of re-sisting delamination buckling and postbuckling, but also brings on the jump of the delamination deflec-tion mode during the postbuckling phase. Consequently the behavior of the composite structure with de-lamination is greatly improved, such as increasing the residual strength and prolonging the service life.