含孔二維機織復(fù)合材料層合板強度預(yù)測方法

針對含孔有限寬復(fù)合材料層合板的應(yīng)力集中問題,提出一種計算孔邊應(yīng)力分布及應(yīng)力集中因子的方法:先利用經(jīng)典層板理論,將復(fù)合材料層合板化歸為各向異性板;再將各向異性板等效轉(zhuǎn)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(yīng)力計算公式來分析一般鋪層層合板孔邊應(yīng)力集中情況。根據(jù)所推導(dǎo)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(shù)等因素對孔邊應(yīng)力集中的影響。

含孔復(fù)合材料層合板的壓縮性能研究-論文

7層板破壞次序根據(jù)上述分析及單向復(fù)合材料的破壞應(yīng)變得出,當(dāng)僅n1拉伸作用時的破壞次序是:90°鋪層橫向先拉壞,其次是±45°鋪層或±60°鋪層剪切破壞,最后才是0°鋪層縱向拉壞。僅在n1壓縮作用時的破壞次序是:±45°鋪層或±60°鋪層先剪切破壞,其次是0°鋪層縱向壓壞,最后是90°鋪層橫向壓壞。僅在n6作用時的破壞次序是:±45°鋪層或±60°鋪層橫向拉壞,其次是0°、90°鋪層剪切破壞,最后是±45°鋪層或±60°鋪層縱向破壞。

11月12日,由浙江中天紡檢測有限公司和海寧市馬橋經(jīng)編行業(yè)協(xié)會主導(dǎo)制定的馬橋經(jīng)編《篷蓋用機織復(fù)合材料》聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)審定會召開。浙江海利得新材料股份有限公司、浙江錦達(dá)新材料有限公司、浙江宇立塑膠有限公司等13家篷蓋用機織復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)骨干參加了該標(biāo)準(zhǔn)的討論。

該文結(jié)合徑向基點插值函數(shù)、彈簧層模型和彈性材料修正后的h-r(hellinger-reissner)變分原理,推導(dǎo)了含弱粘接復(fù)合材料層合板控制方程的無網(wǎng)格列式。利用典型徑向基函數(shù)multiquadric(mq),計算了含弱粘接復(fù)合材料層合板的應(yīng)力與位移。通過與精確法的對比,證明了控制方程無網(wǎng)格列式的正確性,并研究了弱粘接剛度和面積對層合板位移的影響規(guī)律。含弱粘接復(fù)合材料層合板控制方程的無網(wǎng)格列式與精確方法相比,更適合于復(fù)雜結(jié)構(gòu)與復(fù)雜邊界條件。

使用有限元模擬計算了含孔復(fù)合材料層合板開口縫合補強結(jié)構(gòu)。研究了含孔復(fù)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(yīng)力分布情況,并將縫合后的層間應(yīng)力值與縫合前的相關(guān)數(shù)值進(jìn)行了比較,主要研究了不同縫合參數(shù)對孔邊層間應(yīng)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(yīng)力比未縫合前顯著減小,孔邊附近層間應(yīng)力的分布與相鄰鋪層的鋪層角有關(guān),不同鋪層之間的層間應(yīng)力沿孔邊區(qū)域存在應(yīng)力的轉(zhuǎn)換點,并且存在顯著差別。

板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種受力性能合理、技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益良好的新型空間結(jié)構(gòu)形式。本文結(jié)合復(fù)合材料力學(xué)理論和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)(板殼理論),采用組合結(jié)構(gòu)有限元對復(fù)合材料層合板自身的強度和主要影響因素進(jìn)行全面和深入的研究,研究復(fù)合材料板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力性能,為復(fù)合材料板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計和層合板鋪層設(shè)計提供理論上的依據(jù),得出了可應(yīng)用于工程實踐的重要結(jié)論。

對復(fù)合材料開孔層合板有限元建模過程中網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行量化研究。應(yīng)用參數(shù)化的方法建立多種板寬孔徑比、多種鋪層比例的開孔層合板模型,逐級調(diào)整網(wǎng)格密度,計算單軸拉伸載荷作用下孔邊最大應(yīng)力集中系數(shù)。根據(jù)有限元結(jié)果,結(jié)合牛頓插值的數(shù)值計算方法,模擬出開孔層合板合理的網(wǎng)格密度劃分方程。然后,對該網(wǎng)格劃分方程下計算的數(shù)值解進(jìn)行試驗驗證與解析解驗證。結(jié)果表明,這種網(wǎng)格密度劃分方程能有效地降低計算誤差,可以在板寬孔徑比大于3的復(fù)合材料開孔層合板的有限元計算中廣泛使用。

為了更加準(zhǔn)確地對雙軸向纖維增強復(fù)合材料在雙向載荷作用下的強度進(jìn)行預(yù)測,本文針對tsai-wu強度理論進(jìn)行了理論分析和實驗研究。首先,討論tsai-wu張量準(zhǔn)則在雙向纖維增強復(fù)合材料中的應(yīng)用問題,并確定用雙軸拉伸實驗來測定準(zhǔn)則其中的一個強度參數(shù)f12。其次,采用數(shù)值模擬方法,結(jié)合taguchi實驗設(shè)計方法對十字形試件進(jìn)行外形設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化,得到了中心應(yīng)力水平高、過渡區(qū)域應(yīng)力集中系數(shù)小的十字形試件。最后,對十字形試件進(jìn)行不同載荷比的雙軸拉伸實驗,通過實驗數(shù)據(jù)計算得到強度參數(shù)f12,并擬合了該材料應(yīng)力平面第一象限的強度包絡(luò)線。研究結(jié)果表明,經(jīng)實驗數(shù)據(jù)修正后的tsai-wu強度包絡(luò)線能夠準(zhǔn)確地反映出材料的強度特性。

建立了復(fù)合材料加筋壁板屈曲和后屈曲有限元分析模型。該模型采用實體單元有效模擬筋條和蒙皮之間的連接。連接界面采用二次應(yīng)力準(zhǔn)則作為損傷起始判據(jù)、混合能量準(zhǔn)則作為損傷擴(kuò)展判據(jù),并自定義損傷變量實現(xiàn)剛度非線性衰減。復(fù)合材料壁板采用斷裂面準(zhǔn)則作為失效判據(jù),該判據(jù)能有效判斷基體的失效。基于abaqus動態(tài)顯示分析步,模擬了復(fù)合材料加筋壁板在壓縮載荷下屈曲和后屈曲的過程,有限元分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比良好,證明了該方法的有效性。

本文討論由0°、90°、±45°及由0°、90°、±60°組成的兩種平衡層板,在平面應(yīng)力狀態(tài)下的單向強度的估算分析,給出了層板中鋪層首次出現(xiàn)破壞和層板最終破壞的平均應(yīng)力估算公式,并給出有關(guān)曲線,以供復(fù)合材料產(chǎn)品強度分析及最優(yōu)設(shè)計應(yīng)用。

復(fù)合材料層合板下陷是飛機結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛的典型結(jié)構(gòu)細(xì)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(shè)計變量,建立參數(shù)化有限元模型；通過下陷應(yīng)力應(yīng)變分布、初始失效和最終承載能力分析,確定各設(shè)計變量對下陷區(qū)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響,并進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計。分析結(jié)果表明:下陷區(qū)結(jié)構(gòu)最先發(fā)生損傷的部位為下陷區(qū)轉(zhuǎn)折處；合理的下陷參數(shù)設(shè)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。

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論文開展了受拉伸復(fù)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(zhǔn)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(yīng)力和應(yīng)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(shù)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(shè)計補強型式可以有效地降低應(yīng)力集中,提高拉伸破壞強度.分析結(jié)果可以為復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)在相似形狀和載荷條件下的補強設(shè)計提供參考.

復(fù)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(fù)雜的,精確的模型能更深刻地揭示復(fù)合材料的損傷機理。以hahn和tsai提出的單向損傷模型為基礎(chǔ)建立了剛度遞降關(guān)系,運用上述剛度遞降關(guān)系給出了一個疲勞壽命算例,計算數(shù)據(jù)與試驗結(jié)果較為吻合,相對誤差分別為7.72%和8.79%。結(jié)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(shù)展開二次項,能準(zhǔn)確模擬出材料的"突然死亡"行為。

針對孔口縫合補強復(fù)合材料層合板,通過有限元軟件建立了含孔口縫合補強復(fù)合材料的漸進(jìn)損傷模型。利用該模型預(yù)測了不同縫合參數(shù)情況下的破壞載荷,數(shù)值結(jié)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(shù)下不同鋪層的孔邊損傷情況,發(fā)現(xiàn)不同縫合參數(shù)對層合板纖維損傷的影響與鋪層角度密切相關(guān)。結(jié)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。

基于厚板理論和材料的參數(shù)退化準(zhǔn)則,以三維hashin準(zhǔn)則作為失效判據(jù),研究了一種考慮z向應(yīng)力復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)失效計算方法,發(fā)展了復(fù)合材料中厚尺度含孔層壓板漸進(jìn)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(fù)合材料厚板的漸進(jìn)失效分析模型,較好地預(yù)測了復(fù)合材料層壓板的損傷擴(kuò)展過程,并預(yù)測的極限強度與復(fù)合材料層壓板開孔拉伸標(biāo)準(zhǔn)試驗的試驗數(shù)據(jù)吻合較好,驗證了該模型在預(yù)測復(fù)合材料層壓板極限強度上的有效性,該模型在對網(wǎng)格劃分的簡化極大地提高了計算效率。

以某型發(fā)動機的復(fù)合材料外涵機匣為模型,用ls-dyna對平板葉片沖擊碳纖維復(fù)合材料模型機匣進(jìn)行了數(shù)值模擬。應(yīng)用在ls-dyna中的復(fù)合材料建模方法,分析了模擬沖擊條件下的穿透閾值和復(fù)合材料的吸能特性,鋪層角度、順序?qū)_擊過程的影響,以及在相同沖擊速度下沖擊角度對沖擊過程的影響。最終得到平板葉片沖擊復(fù)合材料機匣的模擬結(jié)果。

結(jié)合復(fù)合材料修正后的h-r混合變分原理,直接借助應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,推導(dǎo)了新的應(yīng)力模式,建立了復(fù)合材料層合板的雜交等參有限元列式。利用mathematica語言編程進(jìn)行數(shù)值實例分析,其計算結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)的精確解以及abaqus軟件建模分析結(jié)果對比,實例證明該方法所得到的各個靜力學(xué)量更接近精確解,并且可用較少的網(wǎng)格劃分得到較精確的解。

本文主要通過對單搭接螺栓連接的二維機織物增強層合板拉伸實驗的分析,討論了螺栓連接的物理參數(shù)、織物組織結(jié)構(gòu)等因素對層合板強度、斷裂方式等方面的影響

為了研制高性能復(fù)合材料衛(wèi)星桁架接頭,采用三維有限元分析技術(shù),分析了三維整體織物增強的碳纖維衛(wèi)星桁架接頭三通制件的等效抗彎剛度和內(nèi)部應(yīng)力分布,并與制件的三點彎曲實測結(jié)果進(jìn)行了對比.結(jié)果表明:三通制件的等效抗彎剛度可以用有限元軟件快速、方便、準(zhǔn)確地計算出來,并可提供制件任意部位的應(yīng)力分布狀態(tài),為優(yōu)化制件結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù).彎曲破壞實驗的破壞載荷未能真實地反映接頭的最大抗彎破壞承載能力,3個方管的根部應(yīng)力尚未達(dá)到材料的破壞極限.

以芳砜綸為原料,在芳砜綸機織格柵上復(fù)合靜電紡芳砜綸納米纖維,獲得增強三維復(fù)合過濾材料。通過掃描電鏡、紅外光譜儀、x-衍射儀、熱分析儀以及電子織物強力儀等儀器對復(fù)合過濾材料的結(jié)構(gòu)及其性能進(jìn)行測定。結(jié)果表明:納米纖維層與機織格柵相互嵌合成三維復(fù)合過濾材料;靜電紡絲法可制備連續(xù)、均勻、無珠狀物并含有大量孔隙的芳砜綸納米纖維;紅外光譜和x衍射表明靜電紡絲和材料復(fù)合不影響芳砜綸纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu);該三維復(fù)合過濾材料具有優(yōu)異的耐高溫性能、良好的過濾效果和力學(xué)性能,對直徑0.5μm以下的粒子達(dá)到85%以上的過濾效率,復(fù)合材料的斷裂強力大于1000n。