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。     

含分层损伤复合材料层合板频率响应函数分析

振动分析中含分层损伤复合材料层合板的动力特性是非常重要的，本文主要研究含分层损伤层合板的频率响应函数（FRFs)。首先，建立分层模型和基于FOSD理论的有限元层合板单元，为保证分析模型中避免出现上子板与下子板间的脱离或嵌入，引入了16节点虚拟界面罚单元，其次，根据Adams应变理论，由层合板SDC推导出相应结构振动的模态阻尼；最后，对0%-80%不同分层大小层合板的分析计算结果，讨论了不同分层大小对受损结构的固有频率，SDC和FRFs的影响，本研究不仅有助深入理解含分层复合材料层合板的动力特性，而且可发展用来预报复合材料层合板分层损伤的程度。     

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.     

约束阻尼层对复合材料层合板声辐射的影响

层合阻尼板在刚强度比、减振降噪上具有显著的优势,但关于振动致声问题研究还不充分,相应的有限元分析方法不够准确高效。为此基于分层理论的连续壳单元和三维弹性理论的体单元建立一种混合有限元模型,结合声学无限元技术分析层合阻尼板的振声特性。采用连续壳单元离散约束面板及层合板,用体单元离散阻尼层,2种单元均为8节点三位移自由度,因此面板、阻尼层以及基板之间有很好的位移协调性。通过算例校验该方法的可行性。然后讨论了面板厚度、阻尼层厚度及位置、铺层角度对均方振速和辐射声功率的影响。结果表明采用的方法可以准确分析层合阻尼板的声辐射问题,计算得到的声辐射影响规律可以为该结构的低噪声设计提供有益参考。     

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。     

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。     

Analysis of impact damage characteristics of marine carbon fiber composite laminates embedded with PEI film北大核心CSCD

[目的]在传统船用碳纤维复合材料层合板层间添加热塑性相材料能有效提升船用复合材料的抗冲击性能,为探究其冲击损伤特性,开展实验研究。[方法]使用光学显微镜观察层合板的热塑性/热固性界面,分析两相材料的结合方式;对不同结构的复合材料层合板进行低、中、高3种不同能量的低速冲击;通过超声C扫描与电子显微镜,对各试件的损伤形貌进行观测,以研究各试件的冲击响应及损伤机理。[结果]结果显示,相较于碳纤维层合板,含热塑性相的船用复合材料层合板具有更好的损伤阻抗;内部嵌膜层合板试件在冲击能量为8和12 J的冲击下,内部分层损伤分别减少了19%和39%,且受到12 J冲击后,内部结构损伤较小,完整性较好。[结论]将PEI热塑性膜嵌于内部能提升层合板的韧性,显著减少内部分层损伤,明显提升内部嵌膜层合板的抗冲击性能。     

基于等效截面的复合材料板格弯曲正应力计算方法

复合材料板格作为复合材料基本板架结构力学性能的最小分析单元,是由不同厚度、不同材料和不同铺设角度的单层板叠合而成。利用材料力学理论和经典复合材料层合板理论,推导一般情况下的复合材料板格中性轴位置控制方程,并采用等效截面方法,提出复合材料板格各单层弯曲正应力的计算公式。复合材料板格各单层的最大正应力由模量比和距中性轴位置共同决定。此公式形式上和各向同性材料弯曲正应力的计算公式一致,从而将弯曲正应力计算公式由各向同性材料扩展到各向异性材料,为掌握复合材料板架结构应力水平提供方便。此公式形式简洁,便于工程应用。     

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。     

高速破片侵彻下高分子聚乙烯层合板的弹道极限估算方法

为了得到弹道冲击下高分子聚乙烯（UHMWPE）层合板的弹道极限估算方法,提出四阶段吸能模型,分析3.3 g立方体破片高速侵彻不同厚度UHMWPE层合板的吸能过程,并在此基础上提出UHMWPE层合板在高速侵彻作用下弹道极限的估算方法,分析不同板厚UHMWPE层合板在弹道极限下不同吸能方式吸收能量的比例。结果表明：在弹道极限情况下,复合材料层合板的主要吸能方式为剪切破坏吸能、压缩破坏吸能、层合板的结构运动吸能和纤维拉伸变形吸能,且剪切破坏吸能、压缩破坏吸能和结构运动吸能在总吸能中的比例是随板厚的增加而增大,纤维拉伸变形吸能的比例则是随板厚的增加而减小;在高速侵彻作用下,UHMWPE弹道极限的估算方法与试验结果吻合良好。     

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。     

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。     

舰船加筋复合材料层合板的导纳分析

应用有限元法对加筋复合材料层合板结构进行固有振动特性和导纳特性分析。基于一阶剪切理论的复合材料层合板理论，采用4节点Mindlin壳单元进行结构离散，通过动力学原理建立结构动力学有限元方程，并编制出相应的计算机程序。针对双向加筋复合材料结构进行分析，讨论不同结构模态阻尼系数、不同激励位置、不同边界条件和加筋的疏密程度对结构原点导纳及跨点导纳的影响。依据计算结果，可以进一步研究舰船复杂结构振动能量的传递和隔振效果，为追求最佳振动和声学设计提供分析方法。     

一种复合材料加筋夹芯板弯曲正应力工程计算方法

复合材料加筋夹芯板作为复合材料基本板架结构力学性能分析单元,是由夹芯板和加强筋组成,其蒙皮由不同厚度、不同材料和一定铺设角度的单层板叠合而成。利用材料力学理论和经典复合材料层合板理论,将蒙皮等效成正交各向异性层合板,推导一般情况下的复合材料加筋夹芯板中性轴位置控制方程,并采用等效截面方法,将加筋夹芯板截面等效成单一材料的组合截面,提出复合材料加筋夹芯板弯曲正应力的工程计算公式。复合材料加筋夹芯板各部分的最大弯曲正应力由模量比和距中性轴位置共同决定。本文提出的加筋夹芯板弯曲正应力工程计算方法,与有限元计算结果十分接近,主要弯曲正应力计算值与有限元值误差不超过10%,可以满足工程上的计算要求。此公式形式上和各向同性材料弯曲正应力的计算公式一致,给掌握复合材料板架结构应力水平带来方便。     

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。     

芯板可压缩的夹层加筋板固有频率分析

推导了一种考虑芯板垂向压缩变形影响的双向加筋的约束阻尼夹层板有限元单元.其中,夹层板面遵循Mindlin一阶剪切变形理论的假定;芯板采用基于厚板理论的非线性位移模式, 各向位移沿板厚成抛物线分布, 并考虑了芯板的横向压缩变形;加强筋采用Timoshenko梁模型,考虑了其剪切变形的影响.根据层间位移连续和板、梁位移连续假设,将芯板和加强筋的位移用上下面板位移表示,推导了相应的位移应变关系, 继而根据Hamilton原理建立了控制方程.数值计算结果表明约束阻尼夹层加筋板有限元单元的推导是正确的;在约束阻尼夹层加筋板的固有频率研究中,考虑夹层板芯层的垂向压缩变形的影响是必要的.还讨论了芯板和加强筋的各个参数对板固有频率的影响.     

复合材料桅杆层合板刚强度分析研究

针对封闭式桅杆中复合材料层合板结构进行设计,提出复合材料层合板结构设计方案。综合利用有限元软件ANSYS和相关强度准则对桅杆的复合材料部分进行强度和刚度校核,分析并总结出相关特性。确定并得出满足要求的复合材料层合板厚组合,实现复合材料桅杆的优化设计。并验证了设计的可行性,为复合材料桅杆以后的设计研究提供参考。     

基于Zig-Zag模型夹层板平面波作用下声传输特性研究

基于Zig-Zag变形假定和板Mindlin一阶剪切理论,建立了复合材料夹层板有限元动力单元模型,分别对上下面板和芯体建立了3个独立坐标系,考虑各部分转角变量独立,为具有厚夹芯和软夹芯的复合材料夹层板的动力分析提供了一种更为准确的有限元模型.采用有限元/边界元方法,建立了嵌在无限大障板上板在简谐平面声波斜入射情况下声传输的计算模型.根据推导的模型编制计算机程序,针对典型结构较为详细地研究分析了芯板材料参数和厚度变化对结构动力特性的影响,并研究分析了夹层板芯层材料、芯层厚度和平面声波入射角度对传声损失的影响.     

复合材料船体层合板的极限强度分析

基于更新拉格朗日格式,应用非线性层合三维退化壳元,结合有效的复合材料失效准则、刚度退化模型以及文中提出的刚度矩阵奇异判断准则,对复合材料层合板在轴向载荷作用下的轴向压缩极限强度问题进行深入研究.讨论了铺层方式、板厚等对极限强度的影响.通过与试验结果进行比较,表明基于文中提出的刚度矩阵奇异判断准则,结合增量更新拉格朗日格式下非线性层合三维退化有限元的计算方法能有效计算复合材料层合板的轴向压缩极限强度,并具有很高的精度.     

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。