復合材料層合板機械連接失效分析及鋪層優(yōu)化

基于厚板理論和材料的參數退化準則,以三維hashin準則作為失效判據,研究了一種考慮z向應力復合材料層壓板結構的漸進失效計算方法,發(fā)展了復合材料中厚尺度含孔層壓板漸進失效模型。使用abaqus軟件的用戶材料子程序umat,編寫材料屬性程序,建立含孔復合材料厚板的漸進失效分析模型,較好地預測了復合材料層壓板的損傷擴展過程,并預測的極限強度與復合材料層壓板開孔拉伸標準試驗的試驗數據吻合較好,驗證了該模型在預測復合材料層壓板極限強度上的有效性,該模型在對網格劃分的簡化極大地提高了計算效率。

**資訊http://www.***.*** **資訊http://www.***.*** **資訊http://www.***.*** **資訊http://www.***.*** **資訊http://www.***.***

論文開展了受拉伸復合材料層合板圓形開口四種補強型式的研究.首先,基于hoffman準則,分析補強型式對首層失效強度的影響,再通過比較開口周圍最大應力和應變的降低程度,分析圓缺、環(huán)形、橢圓缺和矩形缺四種補強型式的補強效率.通過有限元參數化建模,分析了幾何尺寸對補強效率的影響,給出了不同補強型式適合的補強范圍.研究表明通過合理地設計補強型式可以有效地降低應力集中,提高拉伸破壞強度.分析結果可以為復合材料飛機結構在相似形狀和載荷條件下的補強設計提供參考.

針對縱橫向性能差異較大的纖維增強復合材料構件采用機械連接時,材料的弱方向也可能承受較大拉力作用的現(xiàn)實,設計了6組對比試驗,研究了單螺栓連接時接頭邊距/孔徑比的變化對其破壞模式與破壞荷載的影響規(guī)律并結合有限元對破壞機理進行了分析。結果表明:材料弱方向受拉的復合材料機械連接接頭極容易發(fā)生孔邊拉斷破壞;增大邊距/孔徑比并不能控制接頭不發(fā)生孔邊拉斷破壞,并且接頭破壞荷載隨邊距/孔徑比的增大逐漸趨于穩(wěn)定。復合材料的彈脆性力學特點、孔邊應力集中以及孔邊應力分布隨邊距/孔徑比的增大趨于穩(wěn)定是以上試驗現(xiàn)象發(fā)生的本質原因。

綜述了纖維增強復合材料機械連接接頭疲勞研究進程、影響因素及破壞方式,同時對目前公開發(fā)表的幾種預測復合材料接頭疲勞壽命方法進行了介紹與分析。最后,對今后研究動向進行了展望。

提出基于單層的特征曲線法,對復合材料機械連接接頭強度進行了分析計算。在基于單層的特征曲線法中,特征長度根據各層的受力特點用數值方法確定,不需要試驗,通過對各層特征曲線位置處單元進行失效判斷,確定接頭的破壞載荷。通過算例分析可知,采用本文所提出方法所得的計算結果與試驗值吻合很好,較基于層合板特征曲線法所得結果更精確,說明了該方法的有效性。

復合材料層合板下陷是飛機結構中應用廣泛的典型結構細節(jié)。以下陷長深比、相同方向下陷區(qū)間距、兩個不同方向下陷區(qū)間距為下陷區(qū)設計變量,建立參數化有限元模型；通過下陷應力應變分布、初始失效和最終承載能力分析,確定各設計變量對下陷區(qū)結構力學性能的影響,并進行參數化設計。分析結果表明:下陷區(qū)結構最先發(fā)生損傷的部位為下陷區(qū)轉折處；合理的下陷參數設計變量取值為長深比b/a≥20、主受力方向上兩個下陷區(qū)間距a/h≥12、不同方向上兩個下陷區(qū)間距c/a_(min)≥1.5。

復合材料在靜態(tài)和動態(tài)載荷作用下的損傷形式是十分復雜的,精確的模型能更深刻地揭示復合材料的損傷機理。以hahn和tsai提出的單向損傷模型為基礎建立了剛度遞降關系,運用上述剛度遞降關系給出了一個疲勞壽命算例,計算數據與試驗結果較為吻合,相對誤差分別為7.72%和8.79%。結果表明:材料在循環(huán)加載作用下的損傷過程大體上可以分為兩個階段;通過保留泰勒級數展開二次項,能準確模擬出材料的"突然死亡"行為。

板錐網殼結構是一種受力性能合理、技術經濟效益良好的新型空間結構形式。本文結合復合材料力學理論和復合材料結構力學(板殼理論),采用組合結構有限元對復合材料層合板自身的強度和主要影響因素進行全面和深入的研究,研究復合材料板錐網殼結構的受力性能,為復合材料板錐網殼結構設計和層合板鋪層設計提供理論上的依據,得出了可應用于工程實踐的重要結論。

以復合材料層合板各單層連續(xù)變化的鋪層角度為設計變量,在有限元軟件中對層合板結構的基頻進行優(yōu)化分析,在四邊簡支和固支兩種不同的邊界條件下,結構的基頻分別提高了4.9%和16.2%,并對優(yōu)化前后結構的靜力失效強度進行了對比分析。隨后將這種優(yōu)化方法應用到某無人機復合材料機翼格柵結構中,針對格柵結構蒙皮和肋板共計24個纖維鋪層角度進行了優(yōu)化設計,使結構基頻提高了10.6%,同時結構的承載能力也有了一定程度的提高。

針對孔口縫合補強復合材料層合板,通過有限元軟件建立了含孔口縫合補強復合材料的漸進損傷模型。利用該模型預測了不同縫合參數情況下的破壞載荷,數值結果和實驗吻合較好,證明了模型的有效性。在拉伸載荷情況下,模擬不同縫合參數下不同鋪層的孔邊損傷情況,發(fā)現(xiàn)不同縫合參數對層合板纖維損傷的影響與鋪層角度密切相關。結果顯示縫合補強后,層合板的損傷過程有明顯的推遲,特別是雙縫合情形下推遲的程度尤為顯著。

采用壁板顫振分析的有限元方法,從壁板的正則化彎曲剛度、屈曲臨界溫升、顫振臨界速壓和極限環(huán)顫振幅值等參數的角度,分析了不同鋪層方向和不同鋪層順序對層合復合材料壁板的顫振特性的影響,并給出了幾種常見鋪層方式層合復合材料壁板的顫振特性。結果表明,在設計復合材料壁板的鋪層方向和鋪層順序時,一般可以通過壁板正則化彎曲剛度的大小來對顫振速壓進行比較。但是在某些特殊的鋪層情況下,隨著溫度升高,發(fā)生頻率重合型顫振的耦合模態(tài)會發(fā)生演變,這時正則化彎曲剛度較大的壁板也有可能在較低的速壓下發(fā)生顫振。

針對復合材料t型接頭優(yōu)化設計問題,利用粘聚區(qū)模型(czm)建立了可預測復合材料接頭拉伸破壞過程的分析方法。將填充物缺陷加入該模型,填充區(qū)裂紋的起始是隨機的,重點分析填充物缺陷的位置、尺寸大小以及填充物剛度對接頭承載能力的影響。計算結果表明:模擬結果與實驗結果吻合較好;無論缺陷位置如何,缺陷尺寸越大,結構承載能力越弱;結構承載能力對上角缺陷最為敏感;填充物剛度在3～50mpa時,填充物剛度較大的接頭損傷容限特性更好;不同的缺陷位置,破壞模式差異較大,但起裂點或最終失效處都在缺陷附近的基體中。

平面編織復合材料層合板低速沖擊后的拉伸性能

對含孔復合材料層合板的破壞模式和拉伸強度進行了研究,考查了孔的直徑和形狀對層合板強度的影響.通過實驗研究,測量出含孔層合板的強度.利用有限元軟件abaqus的子程序usdfld建立了逐漸損傷失效模型,對層合板的強度進行了數值模擬.研究結果表明,數值模擬得到的強度值和實驗測量的強度值吻合較好,文中建立的數值模型可以有效地預測含孔層合板的強度.

為使frp結構在太空交變溫度場下的熱穩(wěn)定性能要求,研究了面內二維零熱膨脹混雜復合材料層合板設計理論.采用細觀力學方法和經典層合板理論,分析層合板的纖維含量、混雜比及其鋪層角等對層合板熱膨脹系數的影響規(guī)律.建立了層內混雜復合材料層合板面內二維熱膨脹系數設計理論.理論分析和實驗結果表明,合理設計復合材料層合板的纖維含量、混雜比及其鋪層,可以實現(xiàn)面內二維零膨脹.

針對含孔有限寬復合材料層合板的應力集中問題,提出一種計算孔邊應力分布及應力集中因子的方法:先利用經典層板理論,將復合材料層合板化歸為各向異性板;再將各向異性板等效轉換為一偏軸拉伸的單向纖維層板;最后利用含孔偏軸單向板的孔邊應力計算公式來分析一般鋪層層合板孔邊應力集中情況。根據所推導的計算公式,分析討論了板寬/孔徑比、鋪層比例、鋪層方式、材料性能參數等因素對孔邊應力集中的影響。

為在設計復合材料機械連接時有據可循,采用有限元分析方法,對復合材料機械連接層合板進行分析,給出正交異性帶孔板相對邊距h/d以及相對寬度d/b對孔邊應力集中的影響,結果表明:h/d及d/b對孔邊應力集中因子的影響較大;隨h/d的增加,最大環(huán)向應力集中因子kmaxσθ減小,而徑向最大應力與擠壓應力比krd變化不大;當復合材料板的寬度減小時,環(huán)向最大應力與擠壓應力比kσd增大,而krd幾乎不會隨d/b的改變而改變,但徑向應力的分布會因孔外形的變化而產生明顯的差異。為復合材料機械連接設計提供了一定的參考。

沉頭螺栓連接因具有改善釘載分配不均勻性,保持結構表面光滑等優(yōu)點,在飛行器復合材料表面結構連接中得到了廣泛應用。但是國內外對于沉頭連接釘載分配卻少有研究,通過abaqus軟件建立復合材料層合板與金屬沉頭螺栓多釘連接三維有限元模型,計算沉頭連接的釘載分配情況。對比凸頭連接的載荷分配結果發(fā)現(xiàn):沉頭連接對釘載分配有一定的改善作用,且金屬板厚度的改變對沉頭螺栓載荷分配影響很小。

研究了橫向諧波荷載作用下具脫層復合材料層合梁的主共振問題.首先基于經典非線性彈性理論以及分區(qū)reissner變分原理建立了脫層層合梁的非線性動力模型,然后利用galerkin積分過程,將脫層梁的非線性偏微分控制方程轉化為常微分控制方程,進而采用多尺度法求解了脫層梁主共振響應.討論了不同脫層長度、脫層深度以及不同鋪設材料對脫層層合梁主共振行為的影響.

使用有限元模擬計算了含孔復合材料層合板開口縫合補強結構。研究了含孔復合材料層合板在軸向拉伸載荷作用下孔邊各個鋪層的層間應力分布情況,并將縫合后的層間應力值與縫合前的相關數值進行了比較,主要研究了不同縫合參數對孔邊層間應力的影響。通過有限元模擬計算可得,層合板縫合補強后,孔邊的層間應力比未縫合前顯著減小,孔邊附近層間應力的分布與相鄰鋪層的鋪層角有關,不同鋪層之間的層間應力沿孔邊區(qū)域存在應力的轉換點,并且存在顯著差別。

含孔復合材料層合板的壓縮性能研究-論文