含孔二维机织复合材料层合板强度预测方法

针对含孔有限宽复合材料层合板的应力集中问题,提出一种计算孔边应力分布及应力集中因子的方法:先利用经典层板理论,将复合材料层合板化归为各向异性板;再将各向异性板等效转换为一偏轴拉伸的单向纤维层板;最后利用含孔偏轴单向板的孔边应力计算公式来分析一般铺层层合板孔边应力集中情况。根据所推导的计算公式,分析讨论了板宽/孔径比、铺层比例、铺层方式、材料性能参数等因素对孔边应力集中的影响。

含孔复合材料层合板的压缩性能研究-论文

7层板破坏次序根据上述分析及单向复合材料的破坏应变得出,当仅n1拉伸作用时的破坏次序是:90°铺层横向先拉坏,其次是±45°铺层或±60°铺层剪切破坏,最后才是0°铺层纵向拉坏。仅在n1压缩作用时的破坏次序是:±45°铺层或±60°铺层先剪切破坏,其次是0°铺层纵向压坏,最后是90°铺层横向压坏。仅在n6作用时的破坏次序是:±45°铺层或±60°铺层横向拉坏,其次是0°、90°铺层剪切破坏,最后是±45°铺层或±60°铺层纵向破坏。

11月12日,由浙江中天纺检测有限公司和海宁市马桥经编行业协会主导制定的马桥经编《篷盖用机织复合材料》联盟标准审定会召开。浙江海利得新材料股份有限公司、浙江锦达新材料有限公司、浙江宇立塑胶有限公司等13家篷盖用机织复合材料生产企业的技术骨干参加了该标准的讨论。

该文结合径向基点插值函数、弹簧层模型和弹性材料修正后的h-r(hellinger-reissner)变分原理,推导了含弱粘接复合材料层合板控制方程的无网格列式。利用典型径向基函数multiquadric(mq),计算了含弱粘接复合材料层合板的应力与位移。通过与精确法的对比,证明了控制方程无网格列式的正确性,并研究了弱粘接刚度和面积对层合板位移的影响规律。含弱粘接复合材料层合板控制方程的无网格列式与精确方法相比,更适合于复杂结构与复杂边界条件。

使用有限元模拟计算了含孔复合材料层合板开口缝合补强结构。研究了含孔复合材料层合板在轴向拉伸载荷作用下孔边各个铺层的层间应力分布情况,并将缝合后的层间应力值与缝合前的相关数值进行了比较,主要研究了不同缝合参数对孔边层间应力的影响。通过有限元模拟计算可得,层合板缝合补强后,孔边的层间应力比未缝合前显著减小,孔边附近层间应力的分布与相邻铺层的铺层角有关,不同铺层之间的层间应力沿孔边区域存在应力的转换点,并且存在显著差别。

板锥网壳结构是一种受力性能合理、技术经济效益良好的新型空间结构形式。本文结合复合材料力学理论和复合材料结构力学(板壳理论),采用组合结构有限元对复合材料层合板自身的强度和主要影响因素进行全面和深入的研究,研究复合材料板锥网壳结构的受力性能,为复合材料板锥网壳结构设计和层合板铺层设计提供理论上的依据,得出了可应用于工程实践的重要结论。

对复合材料开孔层合板有限元建模过程中网格划分方法进行量化研究。应用参数化的方法建立多种板宽孔径比、多种铺层比例的开孔层合板模型,逐级调整网格密度,计算单轴拉伸载荷作用下孔边最大应力集中系数。根据有限元结果,结合牛顿插值的数值计算方法,模拟出开孔层合板合理的网格密度划分方程。然后,对该网格划分方程下计算的数值解进行试验验证与解析解验证。结果表明,这种网格密度划分方程能有效地降低计算误差,可以在板宽孔径比大于3的复合材料开孔层合板的有限元计算中广泛使用。

为了更加准确地对双轴向纤维增强复合材料在双向载荷作用下的强度进行预测,本文针对tsai-wu强度理论进行了理论分析和实验研究。首先,讨论tsai-wu张量准则在双向纤维增强复合材料中的应用问题,并确定用双轴拉伸实验来测定准则其中的一个强度参数f12。其次,采用数值模拟方法,结合taguchi实验设计方法对十字形试件进行外形设计和参数优化,得到了中心应力水平高、过渡区域应力集中系数小的十字形试件。最后,对十字形试件进行不同载荷比的双轴拉伸实验,通过实验数据计算得到强度参数f12,并拟合了该材料应力平面第一象限的强度包络线。研究结果表明,经实验数据修正后的tsai-wu强度包络线能够准确地反映出材料的强度特性。

建立了复合材料加筋壁板屈曲和后屈曲有限元分析模型。该模型采用实体单元有效模拟筋条和蒙皮之间的连接。连接界面采用二次应力准则作为损伤起始判据、混合能量准则作为损伤扩展判据,并自定义损伤变量实现刚度非线性衰减。复合材料壁板采用断裂面准则作为失效判据,该判据能有效判断基体的失效。基于abaqus动态显示分析步,模拟了复合材料加筋壁板在压缩载荷下屈曲和后屈曲的过程,有限元分析结果与试验数据对比良好,证明了该方法的有效性。

本文讨论由0°、90°、±45°及由0°、90°、±60°组成的两种平衡层板,在平面应力状态下的单向强度的估算分析,给出了层板中铺层首次出现破坏和层板最终破坏的平均应力估算公式,并给出有关曲线,以供复合材料产品强度分析及最优设计应用。

复合材料层合板下陷是飞机结构中应用广泛的典型结构细节。以下陷长深比、相同方向下陷区间距、两个不同方向下陷区间距为下陷区设计变量,建立参数化有限元模型；通过下陷应力应变分布、初始失效和最终承载能力分析,确定各设计变量对下陷区结构力学性能的影响,并进行参数化设计。分析结果表明:下陷区结构最先发生损伤的部位为下陷区转折处；合理的下陷参数设计变量取值为长深比b/a≥20、主受力方向上两个下陷区间距a/h≥12、不同方向上两个下陷区间距c/a_(min)≥1.5。

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论文开展了受拉伸复合材料层合板圆形开口四种补强型式的研究.首先,基于hoffman准则,分析补强型式对首层失效强度的影响,再通过比较开口周围最大应力和应变的降低程度,分析圆缺、环形、椭圆缺和矩形缺四种补强型式的补强效率.通过有限元参数化建模,分析了几何尺寸对补强效率的影响,给出了不同补强型式适合的补强范围.研究表明通过合理地设计补强型式可以有效地降低应力集中,提高拉伸破坏强度.分析结果可以为复合材料飞机结构在相似形状和载荷条件下的补强设计提供参考.

复合材料在静态和动态载荷作用下的损伤形式是十分复杂的,精确的模型能更深刻地揭示复合材料的损伤机理。以hahn和tsai提出的单向损伤模型为基础建立了刚度递降关系,运用上述刚度递降关系给出了一个疲劳寿命算例,计算数据与试验结果较为吻合,相对误差分别为7.72%和8.79%。结果表明:材料在循环加载作用下的损伤过程大体上可以分为两个阶段;通过保留泰勒级数展开二次项,能准确模拟出材料的"突然死亡"行为。

针对孔口缝合补强复合材料层合板,通过有限元软件建立了含孔口缝合补强复合材料的渐进损伤模型。利用该模型预测了不同缝合参数情况下的破坏载荷,数值结果和实验吻合较好,证明了模型的有效性。在拉伸载荷情况下,模拟不同缝合参数下不同铺层的孔边损伤情况,发现不同缝合参数对层合板纤维损伤的影响与铺层角度密切相关。结果显示缝合补强后,层合板的损伤过程有明显的推迟,特别是双缝合情形下推迟的程度尤为显著。

基于厚板理论和材料的参数退化准则,以三维hashin准则作为失效判据,研究了一种考虑z向应力复合材料层压板结构的渐进失效计算方法,发展了复合材料中厚尺度含孔层压板渐进失效模型。使用abaqus软件的用户材料子程序umat,编写材料属性程序,建立含孔复合材料厚板的渐进失效分析模型,较好地预测了复合材料层压板的损伤扩展过程,并预测的极限强度与复合材料层压板开孔拉伸标准试验的试验数据吻合较好,验证了该模型在预测复合材料层压板极限强度上的有效性,该模型在对网格划分的简化极大地提高了计算效率。

以某型发动机的复合材料外涵机匣为模型,用ls-dyna对平板叶片冲击碳纤维复合材料模型机匣进行了数值模拟。应用在ls-dyna中的复合材料建模方法,分析了模拟冲击条件下的穿透阈值和复合材料的吸能特性,铺层角度、顺序对冲击过程的影响,以及在相同冲击速度下冲击角度对冲击过程的影响。最终得到平板叶片冲击复合材料机匣的模拟结果。

分别用ansys软件的实体单元solid-46,基于一阶理论的壳单元shell-99和基于整体-局部高阶理论有限元计算了复合材料层合/夹层板结构,包括层合板孔边应力集中和层合板热响应的算例,比较了各算法的精度。计算结果表明:ansys软件不能准确计算层合板/夹层板的层间应力,对孔边应力和热响应问题精度较低,整体-局部高阶理论有限元对于上述问题的计算具有较高精度。

结合复合材料修正后的h-r混合变分原理,直接借助应力-应变关系,推导了新的应力模式,建立了复合材料层合板的杂交等参有限元列式。利用mathematica语言编程进行数值实例分析,其计算结果与相关文献的精确解以及abaqus软件建模分析结果对比,实例证明该方法所得到的各个静力学量更接近精确解,并且可用较少的网格划分得到较精确的解。

本文主要通过对单搭接螺栓连接的二维机织物增强层合板拉伸实验的分析,讨论了螺栓连接的物理参数、织物组织结构等因素对层合板强度、断裂方式等方面的影响

以玄武岩纤维、玻璃纤维为增强纤维,丙纶为基体纤维,采用包缠技术制备复合线,织造不同纤维混杂比例的平纹预制件及三维预制件,直接热压成型制备纤维增强复合材料,研究纤维混杂比例及预制件结构对复合材料拉伸性能的影响。结果表明:随着玻璃纤维体积含量的增加,平纹组织复合材料的纬向抗拉强度先增大后减小,断裂伸长率逐渐减小,弹性模量逐渐增大,当玻纤含量在51%~59%之间时,复合材料力学性能相对最好;三维预制件复合材料中,4层角联锁结构的力学性能较4层准正交结构好,较4层正交结构差,多层预制件复合的复合材料,其力学性能好于相同层数的三维预制件复合材料。