斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板冲击后压缩行为分析

[目的]为分析冲击损伤对层合板压缩强度和失效行为的影响,对冲击后的编织碳纤维复合材料层合厚板开展面内压缩试验和数值仿真研究。[方法]通过建立有限元模型,开展层合板冲击后的压缩仿真分析,采用Fortran语言编写用户自定义材料子程序（VUMAT）,实现改进的Hashin失效准则和基于损伤变量的材料退化模型在ABAQUS/Explict中的应用;从压缩强度和压缩破坏模式两方面将数值模拟与试验结果进行对比,验证所建立数值模型的有效性。[结果]结果显示,冲击损伤会降低层合板的压缩强度,无损层合板的压缩失效模式为端部破坏,冲击后的层合板会出现横贯试件中部的截断式破坏;冲击后的压缩强度会随冲击能量的增大而降低,但压缩强度与冲击能量之间并不存在线性关系;层合板损伤行为的拓展与压缩载荷的历程密切相关,压缩载荷在达到层合板破坏载荷的阈值之前,层合板的损伤几乎没有发生拓展,一旦压缩载荷达到阈值,损伤将沿宽度方向迅速拓展,最终发生横贯整个模型宽度方向的压缩损伤。[结论]所做研究可为斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板的抗冲击性能评估提供参考。     

玻璃纤维增强乙烯树脂复合材料层合板锥形冲头碰撞试验研究

利用自行设计的摆锤试验装置,对玻璃纤维增强乙烯树脂复合材料层合板结构开展了低速碰撞试验研究。通过对比分析冲击力、试件背面中心点位移以及采用超声C扫描定损技术,对复合材料层合板的损伤特性进行了详细分析。试验表明,在一定碰撞能量下复合材料层合板受冲击面出现明显损伤,同时伴随着内部大范围的分层损伤现象的发生;随着碰撞能量的增加,层合板受冲击面损伤程度随之增加,背冲击面也由无明显损伤到出现基体开裂和纤维断裂的现象变化;层合板内部分层的面积与其吸收的能量有关。     

碳/玻混杂夹层板低速撞击损伤特性试验研究

[目的]碳/玻混杂夹层板结构可有效提高船用复合材料层合板弯曲的刚度及强度。为探讨其耐撞击损伤及柔性层表面覆盖防护特性,开展了相关试验研究。[方法]采用落锤法对碳/玻混杂夹层板、玻璃纤维层合板以及碳/玻混杂+单侧贴敷橡胶复合板等3型平板的低速耐撞击性能进行对比试验,对3型结构撞击载荷作用下的宏观损伤形貌特征进行分析,并对比一阶模态阻尼比以评估3型平板的损伤程度特征规律。[结果]结果表明:相同冲击能量作用下,玻璃纤维层合板的损伤区域沿厚度方向呈现较为规则的圆台形,而碳/玻混杂板的损伤区域主要表现为较为明显的层间分层,并集中于碳纤维层与玻纤维层界面处;玻璃纤维层合板的层间损伤面积普遍小于碳/玻混杂夹层板;随着冲击能量的递增,冲击损伤程度的增加对碳/玻混杂夹层板一阶模态阻尼比的影响低于玻璃纤维层合板;单侧贴敷橡胶对碳/玻混杂板的防护作用随着冲击能量递增而减弱。[结论]研究结果为碳/玻混杂夹层板广泛运用于船舶领域提供了可靠的支撑。     

爆炸载荷下复合材料层合板的抗冲击性能

研究复合材料层合板在爆炸载荷冲击下的抗冲击性能,并且讨论不同铝合金含量以及不同铺层类型的层合板试件。建立一种新型零厚度粘结层单元模型,可以准确地预测复合材料层间分层扩展。采用Johnson-Cook准则模拟铝板的损伤,Hashin准则模拟碳纤维的损伤,运用有限元软件Abaqus进行模型的仿真计算,并通过试验对比验证该模型计算的有效性。最后得出结论:在适当范围内,提高铝合金含量的比例,或者采用比较少的铺层数,可以很有效地减小爆炸载荷冲击引起的板件变形,减轻金属材料和纤维材料的损伤程度。但它们有负面效果,即会使板件吸能的能力降低。     

复合材料层合板低速冲击损伤特性影响因素

基于二维Hashin失效准则,在充分考虑低速冲击下层合板纤维和基体拉压失效等损伤模式下,计及材料退化并引入损伤因子,运用ABAQUS软件建立复合材料层合板低速冲击有限元模型。运用该模型深入研究层合板低速冲击问题,考察其动态响应和损伤演化过程,数值结果和实验值吻合良好,验证模型的合理性和准确性。在此基础上,通过对层合板进行各冲击工况的数值模拟,详细讨论冲击能量、铺层形式等参数对层合板低速冲击动态响应和损伤特性的影响规律。     

含层间分层损伤复合材料层合板的动力响应研究

本文研究了含层间分层损伤复合材料层合板分层模型、阻尼和动力响应特征。在分层区上下子板间构造一种特定的界面连接单元,以防止分层处子板间的脱离或嵌入现象。为确定合理的有限元分析中的阻尼矩阵形式,文中进行了多种计算方式的比较,并做了T300/QY8911层合板梁的激振试验,依据耗散能等效,提出对阻尼矩阵构造的改良方法,使系统有限元动力响应分析中,既包含较多模态参数对结构响应的作用,又避免阻尼矩阵的满阵形式以利于有限元分析的计算机实施。利用时域直接积分法对稳态激励下的响应特征进行了研究,通过对界面连接单元刚度对动力特性影响的计算,给出分层受损复合材料层合板的动力响应特征,为含层间分层抽伤层合板动力分析提供了一个有效方法,同时,数值模拟结果对进一步理解层间分层损伤层合板的动态特性也存在一定的参考价值。     

舰船复合材料防护结构的选择与优化

为选择与优化舰船复合材料防护结构,根据陶瓷材料的密度小、强度大、硬度高、抗冲击性能良好等特征,建立以金属为面板的金属/陶瓷复合材料和以陶瓷为面板的陶瓷/金属复合材料结构模型,研究复合材料层合板在爆炸冲击载荷下的抗冲击性能,陶瓷/金属复合材料的抗爆炸冲击性能远远优于金属/陶瓷复合材料的抗爆炸冲击性能。在此基础上,考虑复合材料层合板在防护结构中的位置,讨论不同结构参数对防护结构爆炸冲击性能的影响。研究结果表明,当复合材料层合板设置在空舱外板时,舰船的抗爆炸冲击性能相对较优。     

玻璃钢艇体外板抗低速冲击铺层选优

针对某75 ft玻璃钢游艇艇体外板,设计20种不同的铺层方案,采用手糊湿法工艺制备试件,按照ASTM D7136标准进行落锤冲击试验,基于ANSYS Workbench的ACP模块和LS-DYNA模块,采用多点约束方法建立艇体外板在低速冲击下的多尺度有限元模型,通过试验与数值模拟相结合的方法,分析铺层参数对艇体外板抗低速冲击性能的影响,结果表明,低能量冲击时铺层顺序对冲击能量的耗散有较大影响,损伤形式主要以基体开裂和分层损伤为主,沿冲击方向离冲头越远,分层损伤面积越大,呈椭圆形分布且沿纤维方向扩张,合理设计铺层顺序和铺设角度,可有效提升艇体外板的抗冲击性能。     

水中含分层损伤复合材料层合板的声特征值研究

本文采用复合材料结构有限元和可压缩流体边界元耦合分析方法,研究了重流体介质(Heavy Fluid)中含层间分层损伤复合材料层合板结构的声特征值问题。在建立分析模型时,对完整与受损层合板结构采用有限元方法离散;而针对水中结构声辐射的特点,对可压缩流体介质中声压力场进行边界元离散,在此基础上讨论了含层间分层损伤复合材料层合结构的动力声特征值问题。文中给出的典型算例结果与参考文献结果吻合较好。同时以内含层间椭圆型分层损伤的复合材料层合板为典型结构,在重流体介质中探讨了影响结构声特征值的因素,本文工作为评判含层间损伤对其动力特征值的影响提供了一种有效的计算方法,而且也为含损伤复合材料层合结构声透射和辐射奠定了研究基础。     

Ballistic performance of ultra-high molecular weight polyethylene laminates against fragment-simulating projectiles北大核心CSCD

[目的]旨在探究破片侵彻作用下高强聚乙烯(UHMWPE)纤维增强层合板的毁伤响应过程、失效模式转变和能量吸收特性。[方法]采用有限元软件ANSYS/AUTODYN,建立UHMWPE层合板抗破片侵彻数值模型,分析UHMWPE层合板的失效模式转变和能量吸收特性。[结果]破片侵彻作用下UHMWPE层合板的动态响应过程大致可以分为剪切冲塞阶段和拉伸变形阶段。破片入射速度和靶板厚度会直接影响靶板的能量吸收特性。靶板厚度越大,剪切冲塞模式占比越大。在靶板厚度不变的情况下,随着破片侵彻速度的提高,剪切冲塞模式占比越来越大,最终趋于稳定。在破片弹道极限速度以上初始小范围内,靶板吸能随破片入射速度增大有所减小,随后破片速度继续增加会扩大靶板剪切冲塞破坏范围,导致靶板整体吸能量增加。[结论]基于所建立的数值模型能够较好地模拟破片侵彻作用下UHMWPE层合板的动态响应过程,可以为UHMWPE材料在弹道防护领域的应用提供参考。     

复合材料波纹夹层结构低速冲击后的剩余弯曲承载能力

制备上下面板为碳纤维增强树脂基层合板、芯层为铝合金压制波纹的杂交复合结构,对其开展低速冲击性能试验及冲击后的剩余弯曲承载能力试验。结果表明,低速冲击对复合材料波纹夹层结构造成的损伤会对其剩余弯曲承载能力有较大的影响,但随着冲击能量的增大,剩余承载能力却变化极小,而冲击位置对结构的剩余承载能力影响却非常明显。     

Vibration transmission characteristics of composite laminate joints based on power flow北大核心CSCD

[目的]为了研究复合材料层合板连接节点的振动传递特性,提出一种采用有限元功率流法并结合功率流可视化技术的分析方法。[方法]首先,验证用有限元实体单元功率流描述板壳振动的有效性;然后,引入功率流传递率评价指标,提出有限元模型功率流传递率的计算方法,并以导纳功率流法计算结果为参照来验证其有效性;最后,建立嵌入式连接和螺钉连接这2种复合材料层合板的连接模型,计算其功率流传递率曲线和典型功率流矢量图。[结果]对比验证结果表明,2种连接模型的振动传递路径和功率流传递率存在明显差异。[结论]有限元功率流法直观反映了连接结构的振动传递能力及振动能量传递路径,可为复合材料结构设计提供参考。     

船用泡沫铝夹层板在低温下的冲击动态响应研究

泡沫铝夹层板具有良好的动态能量吸收性能,在极地船舶抗冲击防护方面具有巨大的潜在应用前景。文章利用ABAQUS有限元软件,结合准静态拉伸压缩材料试验,建立了船用泡沫铝夹层板的低温动态冲击数值仿真模型,研究了其动态冲击响应与抗冲击性能,并采用Instran 9350落锤冲击试验机对数值仿真模型进行了试验验证。在此基础上,研究了低温和冲击能量对船用泡沫铝夹层板动态冲击响应的影响。结果表明,随着冲击能量的增加,常温和低温条件下船用夹层板的冲击力峰值、最大挠度和最终挠度遵从乘幂增长规律。与常温相比,低温下船用泡沫铝夹层板的面板变形较小,且随着冲击能量的增加,低温的影响更为显著,即船用泡沫铝夹层板在低温下具有更好的抗冲击性能。     

含分层损伤复合材料层合板声激励下振动特性研究

本文通过对含厚度方向不同位置椭圆分层层合板结构动力分析,讨论平面声波激励对结构动力响应特性的影响,基于分层损伤结构变形特点,将含损伤层合板的基板和上下子板采用Mindlin板单元离散,而分层损伤区以虚拟连接单元模拟,根据耗散能的计算确定结构的模态阻尼特征,建立含损伤层合板的振动响应函数的有限元分析方法,用算例验证模型的可信性,在0-1000Hz范围内,计算了含厚度方向不同位置椭圆分层损伤层合板结构的固有频率、模态阻尼和幅频响应与相频响应,依据计算结果分析了分层损伤对动力特性的影响,有益于进一步对分层损伤建立识别模式.     

高速船复合材料层合板非线性动力响应分析

研究高速船复合材料层合板在冲击载荷作用下的非线性动力响应,其中位移和应力函数均用级数展开,应用四阶Runge-Kutta法进行数值求解,讨论了载荷形式对非对称复合材料层合板动力响应的影响。     

不同载荷形式下复合材料层合板渐进失效行为研究

近年来复合材料在船舶与海洋工程领域得到快速发展。船舶在服役周期内受载复杂,主要承载板材除受典型的面内拉压外载外,免不了遭受横向波浪载荷作用。研究复合材料层合板在不同载荷形式下结构的响应特征与损伤演化特性,有助于先进复合材料的性能评估及优化设计。本文采用三维实体单元及内聚力单元建立复合材料层合板模型进行计算分析,考察拉压载荷下层合板的极限承载能力与渐进失效过程,研究在横向载荷下层合板结构强度,对比分析其层内及层间损伤模式的差异性。     

船用复合材料层合板螺栓孔处疲劳寿命实验研究

复合材料层合板结构由于其优异的力学性能在舰船上得到广泛使用。此种结构一般采用螺栓连接,其连接处的疲劳特性往往决定了结构的使用寿命。针对舰船桅杆上的复合材料雷达罩,阐述如何将结构疲劳实验简化为部件疲劳实验的具体方法和过程。设计了试验件和相应的夹具,开展了复合材料层合板螺栓连接结构的部件疲劳实验。分析表明:弹簧垫圈的预紧作用可延长复合材料层合板螺栓孔处的疲劳寿命;可采用结构静强度覆盖结构疲劳并辅以部件疲劳实验的方法来评估复合材料层合板结构的疲劳性能。     

碳纤维复合材料在舰艇显控台上的应用

碳纤维复合材料作为轻型材料在减轻设备重量、提高设备强度方面的应用范围越来越广,随着海军舰艇显控台对重量和强度的要求不断提高,将碳纤维复合材料能够成功应用到海军舰艇显控台上已成当务之急。以碳纤维碳丝的制备与分类和碳纤维复合材料的成型工艺为基础,详细阐述了海军舰艇显控台碳纤维复合材料壳体的设计及工艺流程,其中包括分型设计、模具设计以及RTM工艺等,并对制造出的碳纤维复合材料的显控台进行摆锤冲击试验,验证了碳纤维复合材料的抗冲击性能以及其应用在海军舰艇显控台上的可能性。     

芯层几何构形对复合材料波纹夹层结构冲击特性的影响

复合材料夹层结构广泛应用于航空航天、舰船等领域,其低速冲击特性近年来受到广泛关注.为研究芯层几何构型对夹层结构冲击特性的影响,首先制备了碳纤维面板、铝合金芯层的复合材料夹层结构,并开展了实验研究,然后基于AUBAQUS通用软件平台,开发了用户自定义材料VUMAT,对模型试件进行了仿真模拟,仿真计算结果与试验结果吻合较好.基于此,针对5种不同芯层几何构型的波纹夹层结构,进行了冲击性能的系列计算.结果表明:针对不同的冲击能量,芯层的几何构型在低能冲击下对结构的冲击损伤范围和吸能能力有较大的影响,而在高能冲击下影响却很小.     

低速冲击载荷下Ti80合金平板动响应数值分析北大核心CSCD

[目的]旨在通过动响应数值计算来评估Ti80合金在低速冲击载荷下的抗冲击性能。[方法]首先,利用有限元软件Abaqus/Explicit建立Ti80合金平板低速冲击有限元模型;然后,基于已有的试验结果,验证材料参数的合理性和有限元模型的可靠性;最后,基于该有限元模型,对比分析冲头形状、材料的屈服强度和断裂能对低速冲击载荷下Ti80合金平板动响应的影响。[结果]在冲击响应过程和变形/失效模式下,有限元计算结果与试验结果吻合良好;在低速冲击载荷下,损伤最先出现在Ti80合金平板的背面;锥形冲头的扩孔效应将对Ti80合金平板造成严重的冲塞破坏;冲击响应过程中的冲击力峰值、冲头位移峰值和能量吸收量与屈服强度呈近似线性关系;断裂能的变化对Ti80合金平板的变形/失效模式影响显著,但相较于屈服强度,其对能量吸收量的影响并不明显。[结论]研究成果可为Ti80合金结构物的抗冲击设计提供参考。