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斜纹编织碳纤维层合厚板低速冲击损伤及剩余压缩强度研究

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斜纹编织碳纤维层合厚板低速冲击损伤及剩余压缩强度研究

作者：葛辛辛华中科技大学

学位级别：硕士

斜纹编织碳纤维复合材料结构因其具有高比刚度和比强度、优异的面内性能、耐腐蚀及可设计性强等一系列优点,广泛应用在航空航天、汽车和船舶的结构部件中。对于应用在船舶领域的复合材料部件,在服役过程中会受到外部低速冲击,很容易产... 详细信息

斜纹编织碳纤维复合材料结构因其具有高比刚度和比强度、优异的面内性能、耐腐蚀及可设计性强等一系列优点,广泛应用在航空航天、汽车和船舶的结构部件中。对于应用在船舶领域的复合材料部件,在服役过程中会受到外部低速冲击,很容易产生冲击损伤,降低结构承载能力。因此,对斜纹编织碳纤维复合材料低速冲击损伤和冲击后剩余压缩强度开展研究,具有重要的意义。本文主要的研究工作如下:(1)以斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板为研究对象,利用落锤冲击试验机进行了低速冲击实验。讨论了冲击能量和环境温度对层合板动态响应的影响规律,分析了冲击损伤机理。实验结果表明,斜纹编织复合材料层合板存在凹坑、分层、基体裂纹和纤维断裂等多种失效模式,低速冲击损伤程度随冲击能量的增加而增加,复合材料在低温环境下表现出更好的抗冲击性能。(2)建立了低速冲击载荷下斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板的有限元模型,通过与实验结果进行对比,验证了所建立有限元模型的有效性,并拓展研究了螺旋结构层合板。研究发现,层合板冲击表面的损伤主要由压应力引起,冲击背面的损伤则主要由拉应力引起;螺旋结构复合材料层合板具有更高峰值力和更低能量吸收能力。(3)对冲击后的斜纹编织碳纤维层合厚板进行了压缩实验和数值研究,探讨了剩余压缩强度和压缩失效模式与冲击能量之间的关系。结果表明,编织碳纤维层合板的压缩失效模式主要表现为端部压剪失效和横贯冲击损伤区域截断式破坏失效。层合板的剩余压缩强度随冲击能量的增加呈阶梯状下降趋势。螺旋结构能将低速冲击损伤更有效地分布在平面内,降低复合材料的损伤程度,提高结构的剩余压缩强度。

关键词：碳纤维复合材料冲击损伤剩余压缩强度实验和数值研究螺旋结构

编织型复合材料低速冲击损伤及剩余压缩强度研究

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机械设计与制造 2009年第3期 120-122页

作者：皇甫劭炜童小燕姚磊江西北工业大学航空学院西安710072 无人机特种技术国防科技重点实验室西安710065

通过应用三维逐渐累积损伤理论和分析技术,建立了适用于编织型复合材料板的低速冲击(LVI)及冲击后压缩破坏(CVI)过程的一种全程分析方法。该方法对复合材料板的冲击以及冲击后含损伤板在压缩载荷下损伤扩展的全过程进行分析,分析中把冲... 详细信息

通过应用三维逐渐累积损伤理论和分析技术,建立了适用于编织型复合材料板的低速冲击(LVI)及冲击后压缩破坏(CVI)过程的一种全程分析方法。该方法对复合材料板的冲击以及冲击后含损伤板在压缩载荷下损伤扩展的全过程进行分析,分析中把冲击后复合材料板的预测损伤直接用于剩余压缩强度研究,从而提高了最终失效载荷的预测精度,而且避免了为获得冲击后损伤状态参数所进行的大量试验,同时开发了与由***求解器调用执行的模拟程序。

关键词：低速冲击编织型复合材料逐渐损伤剩余压缩强度

游艇复合材料低速冲击性能与剩余压缩强度研究

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游艇复合材料低速冲击性能与剩余压缩强度研究

作者：温嘉豪集美大学

学位级别：硕士

随着水上运动的多样化,游艇快速地进入了大众视野,同时推动了游艇复合材料及游艇结构相关研究。在游艇航行过程中难免受到速度为1-10m/s的水上漂浮物低速冲击,在经受低速冲击后游艇还有可能遭遇压缩工况。因此有必要对游艇复合材料进行... 详细信息

随着水上运动的多样化,游艇快速地进入了大众视野,同时推动了游艇复合材料及游艇结构相关研究。在游艇航行过程中难免受到速度为1-10m/s的水上漂浮物低速冲击,在经受低速冲击后游艇还有可能遭遇压缩工况。因此有必要对游艇复合材料进行低速冲击性能与剩余压缩强度研究。本文通过对某游艇上使用的复合材料板进行低速冲击试验和剩余压缩强度试验,结合有限元软件ABAQUS对其进行仿真分析,并分析了游艇结构强度与艇艏低速冲击性能、剩余压缩强度。论文主要内容包括:(1)基于ASTM-D7136标准,通过落锤式冲击试验机对4种游艇复合材料试样进行6种冲击能量的低速冲击试验。从接触力、位移、能量三个指标进行分析,研究不同铺层试样的力学特性。结合便携式超声C扫描设备对试样内部损伤形态进行观察,研究了不同铺层试样的损伤特征。结果表明:在试样中间铺设碳纤维可有效控制低速冲击造成的损伤。(2)基于ASTM-D7137标准,通过万能试验机对冲击后的复合材料试样进行剩余压缩强度试验。基于接触力-位移曲线对不同试样的剩余压缩强度进行比较,研究了剩余压缩强度与低速冲击能量、损伤面积及铺层方式间的关系。结果表明:中间铺设碳纤维的试样在经受低速冲击后,其剩余压缩强度较低。(3)基于Hashin、Puck损伤准则编写用户自定义材料(VUMAT)子程序,在ABAQUS中模拟低速冲击和剩余压缩强度试验中试样刚度折减及应力分布情况,并分析Hashin、Puck损伤准则对游艇复合材料仿真的准确性。结果表明:基于Hashin、Puck损伤准则的子程序能较为有效的模拟游艇复合材料试样在低速冲击及剩余压缩强度试验中展现的力学特性。(4)基于某游艇厂参数构建了一艘双体游艇的有限元模型,结合中国船级社标准研究了该游艇模型在不同铺层下结构强度的变化,同时分析了不同网格密度对模型准确性的影响。对不同铺层下游艇艇艏的低速冲击性能及剩余压缩强度进行仿真对比,为游艇铺层选择提供了有效参考。

关键词：游艇复合材料低速冲击超声波无损探伤剩余压缩强度 ABAQUS 损伤准则

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含椭圆分层缝合复合材料层板的剩余压缩强度

含椭圆分层缝合复合材料层板的剩余压缩强度

作者：孙浩南京航空航天大学

学位级别：硕士

复合材料具有比强度、比刚度高的特点，在现代航空领域的应用越来越多。复合材料结构的失效形式包括纤维断裂、基体破坏和层间分层。层间分层在制造和使用过程中经常发生，严重影响了复合材料结构的剩余压缩强度。含分层损伤复合材料结... 详细信息

复合材料具有比强度、比刚度高的特点，在现代航空领域的应用越来越多。复合材料结构的失效形式包括纤维断裂、基体破坏和层间分层。层间分层在制造和使用过程中经常发生，严重影响了复合材料结构的剩余压缩强度。含分层损伤复合材料结构在承受压缩载荷时发生子层局部屈曲是造成结构破坏的主要原因。子层屈曲后由于分层前缘应力集中，会发生二次失稳即分层扩展，对于结构的剩余强度也有很大影响。缝合复合材料可以改善传统复合材料结构层间性能。实验表明，缝合复合材料层板冲击造成的分层损伤明显小于传统层板，缝线具有抑制分层损伤的能力。本文基于渐进损伤方法，研究了含椭圆形分层缝合复合材料层板在压缩载荷下的剩余强度问题。采用ABAQUS软件建立了三维有限元模型，以杆单元模拟缝线的桥联作用，通过界面元模拟层间分层。首先通过求解特征值方程得到了子层屈曲模态，讨论了缝合前后分层面积和分层深度对屈曲载荷的影响。然后将屈曲模态作为初始缺陷引入非线性分析，考虑了刚度折减、子层屈曲和分层扩展对剩余强度的影响。通过引入Hashin准则、二次应力准则和最大应力准则模拟了纤维、基体、层间和缝线的失效问题。最后讨论了有关参数对椭圆分层缝合层板剩余压缩强度的影响。计算结果表明本文方法准确可行，所预测的含分层损伤缝合层板剩余压缩强度与实验结果吻合。缝合能提高含分层损伤层板的子层屈曲载荷，抑制分层扩展,并增加层板的剩余压缩强度。

关键词：复合材料层板缝合剩余压缩强度渐进损伤

复合材料层合板低速冲击损伤与剩余压缩强度研究

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复合材料层合板低速冲击损伤与剩余压缩强度研究

作者：李习习哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

复合材料由于具有比强度高、比模量大等优点，而在航空航天领域得到了越来越广泛的应用。但是复合材料的抗冲击性能差，尤其是低速冲击作用，会严重削弱复合材料层合板的承载能力。低速冲击会使材料结构内部产生一定程度的损伤，如基体... 详细信息

复合材料由于具有比强度高、比模量大等优点，而在航空航天领域得到了越来越广泛的应用。但是复合材料的抗冲击性能差，尤其是低速冲击作用，会严重削弱复合材料层合板的承载能力。低速冲击会使材料结构内部产生一定程度的损伤，如基体开裂、分层和纤维断裂等，并且不同形式的损伤之间相互作用，进一步加重了材料的破坏，这些内部损伤无法及时检测并维修，所以从很大程度上影响了结构的剩余强度。本文通过试验和有限元模拟相结合的方法，研究了复合材料层合板的低速冲击损伤以及冲击后剩余压缩强度。主要研究内容如下所述：（1）针对两种不同铺层的层合板进行了不同能量的冲击试验，并通过超声波C扫获到了层合板的内部损伤形态;（2）对冲击后的层合板进行了压缩试验，通过压缩试验得到了含损伤层合板的损伤扩展情况、破坏载荷和剩余压缩强度，试验结果表明了冲击后层合板的剩余压缩强度有显著下降;（3）基于PATRAN/NASTRAN软件，建立了层合板低速冲击分析模型，分析了层合板的损伤行为;并通过将冲击后的损伤状态作为压缩模拟的初始状态实现了层合板低速冲击损伤和冲击后压缩过程的全程分析;（4）选取了部分冲击后的层合板进行了湿热环境下的压缩试验，分析了湿热环境对复合材料层合板剩余压缩强度的影响。

关键词：复合材料低速冲击损伤剩余压缩强度试验

T300/69层合板边缘多角度低速冲击损伤及剩余压缩强度研究

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T300/69层合板边缘多角度低速冲击损伤及剩余压缩强度研究

作者：潘仪晨兰州理工大学

学位级别：硕士

复合材料因其比强度高和疲劳性能可设计等优点被广泛应用。但在制造和运输过程中,材料的碰撞和工具的掉落等可能会给复合材料带来目视不可见损伤,但此时复合材料内部可能已经发生结构变化,这在后期材料的使用过程中会带来不可预测的安... 详细信息

复合材料因其比强度高和疲劳性能可设计等优点被广泛应用。但在制造和运输过程中,材料的碰撞和工具的掉落等可能会给复合材料带来目视不可见损伤,但此时复合材料内部可能已经发生结构变化,这在后期材料的使用过程中会带来不可预测的安全隐患。实际工程应用中,复合材料遭受冲击载荷时,载荷大小和冲击角度等具有随机性,损伤模式较为复杂,因此开展复合材料边缘多角度和多能量低速冲击损伤规律及机理研究具有重要的理论和工程意义。本文借助T300/69层合板低速冲击试验和有限元模拟研究边缘多角度的低能量冲击行为和冲击后剩余压缩强度的变化规律,具体研究内容如下:(1)多因素下T300/69层合板边缘低速冲击行为评估。以T300/69层合板为研究对象,通过改变层合板厚度、冲击能量和冲击角度对层合板边缘低速冲击行为进行评估;明确不同冲击条件下层合板凹坑深度-冲击能量关系,分析层合板低速多角度冲击下的损伤特性,借助电子显微镜扫描技术(SEM)表征冲击点及周围区域损伤状况,阐明边缘低速冲击失效机理。(2)基于剩余压缩强度的层合板冲击后损伤容限评估。对不同冲击条件下层合板进行定位移的压缩试验,得到剩余压缩强度-位移、剩余压缩强度-冲击能量和强度保留率-冲击能量关系,探究不同冲击条件对层合板剩余压缩强度的影响。(3)基于应力描述的三维Hashin失效准则理论。数值模拟中采用基于应力描述的三维Hashin失效准则,借助ABAQUS有限元分析软件,对低速冲击和冲击后压缩试验进行仿真模拟;将冲击/压缩试验和有限元分析相结合进行对比,分析层合板不同冲击工况下的损伤特性。

关键词：冲击角度边缘低速冲击剩余压缩强度 T300/69层合板

CFRP层合板的二次低速冲击及冲击后剩余压缩强度研究

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CFRP层合板的二次低速冲击及冲击后剩余压缩强度研究

作者：王景东广州大学

学位级别：硕士

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer,FRP）具有密度低、比强度高、比模量高、易于加工成型等优良特性,被广泛应用于航空航天、汽车工程、船舶工程、土木工程等诸多领域。常用的纤维增强复合材料为层合结构,其界面强度相对于面... 详细信息

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer,FRP）具有密度低、比强度高、比模量高、易于加工成型等优良特性,被广泛应用于航空航天、汽车工程、船舶工程、土木工程等诸多领域。常用的纤维增强复合材料为层合结构,其界面强度相对于面内强度要低很多,对冲击荷载较为敏感。复合材料层合结构在制造、维护和服役期间,可能暴露在复杂的荷载环境中,结构局部可能受到反复冲击。每次冲击可能都会给复合材料带来新的损伤,导致结构的剩余压缩强度降低,影响结构的使用和服役寿命。因此,研究复合材料层合结构的二次冲击损伤行为和剩余压缩强度,对复合材料层合结构的设计、使用和维修具有重要意义。本文以碳纤维增强复合材料层合板（Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP）为研究对象,对其单次冲击、二次冲击和冲击后的剩余压缩强度（Compression After Impact,CAI）进行了研究,主要工作包括以下几个方面:（1）对CFRP层合板的单次冲击和二次冲击行为进行了试验研究,在不同的冲击能量下,采用落锤法对CFRP试件进行了单次冲击和二次冲击试验,得到相应的结构动力响应和能量吸收情况。并且,通过模态测试追踪了冲击前后CFRP层合板的模态频率变化,获得了试件在冲击前后的振型和频率变化情况。之后,对冲击后的层合板进行超声波C扫描,检测了层合板内部的损伤情况。最终,对层合板进行了剩余压缩强度试验。（2）系统研究和对比了单次冲击和二次冲击对CFRP层合板在结构动力响应、能量吸收、损伤情况、频率变化和冲击后剩余强度上的影响。结果表明,单次冲击中,随着冲击能量增大,损伤面积、能量吸收率、冲击前后的频率下降率等均增大,而层合板冲击后的剩余压缩强度减小。总冲击能量相同时,分前后两次冲击对层合板造成的损伤比单次冲击的损伤更小,前者的冲击后剩余压缩强度也更大。并且,试验发现CAI-冲击能量、CAI-吸收能量、CAI-损伤面积和冲击能量-频率变化率等曲线均在20J的冲击能量下出现拐点现象。其中,结构频率可以方便地进行在线、原位测量,且不会破坏试件,因此通过频率指标可方便地确定层合板的冲击能量拐点,并利用拐点处的剩余压缩强度来表征层合板的冲击损伤容限。（3）建立了低速冲击损伤渐进模型、内聚力区域模型,并通过ABAQUS软件内置的预定义场设置,实现了对复合材料层合板的低速冲击与冲击后剩余压缩强度的全过程有限元模拟。首先,对复合材料层合板的单次和二次低速冲击分别进行有限元模拟,研究了两种低速冲击下CFRP层合板的动力响应和损伤演化行为,并与试验结果进行对比。结果表明,仿真结果在冲击力-时间曲线、冲击力-位移曲线、能量-时间曲线、冲击损伤面积和形貌等方面均与试验数据吻合较好。最后,建立了含冲击损伤的剩余压缩强度模型,对层合板进行剩余压缩强度有限元模拟,并与压缩试验结果进行了对比实现了低速冲击到压缩的全过程仿真模拟。其中,无损CFRP试件、20J单次冲击CFRP试件、10J+10J二次冲击试件的实测压缩强度分别为226.77MPa、140.01MPa、169.29MPa,仿真模拟中的剩余压缩强度依次为219.10MPa、131.23MPa、158.62MPa,误差不超过8%,表明试验与仿真模拟结果吻合度很好。

关键词：复合材料层合板二次低速冲击剩余压缩强度频率冲击-冲击后压缩全过程模拟

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复合材料层合板低速冲击及其剩余压缩强度

哈尔滨理工大学学报 2013年第5期18卷 6-9页

作者：陆夏美严实曾涛哈尔滨理工大学建筑工程学院黑龙江哈尔滨150080

为了研究冲击能量对层合结构冲击性能及吸能特性的影响规律,本文主要采用不同冲击能量作用下的复合材料层合板低速冲击性能及其剩余压缩强度的研究方法.通过低速冲击实验,研究了冲击能量对复合材料层合板的损伤影响.通过准静态压缩试验... 详细信息

为了研究冲击能量对层合结构冲击性能及吸能特性的影响规律,本文主要采用不同冲击能量作用下的复合材料层合板低速冲击性能及其剩余压缩强度的研究方法.通过低速冲击实验,研究了冲击能量对复合材料层合板的损伤影响.通过准静态压缩试验,较好地分析冲击能量对试件的压缩剩余强度的影响.

关键词：复合材料层合板低速冲击冲击能量剩余压缩强度

T300/QY8911层合复合材料低能量冲击后剩余压缩强度实验研究

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玻璃钢／复合材料 1998年第4期 3-6页

作者：孙先念郑长良关长文陈浩然赵鸿恩大连理工大学工程力学系沈阳飞机研究所

本文对Ｔ３００／ＱＹ８９１１层合复合材料低能量冲击后的剩余压缩强度进行了实验研究，采用落锤（自由落体）冲击试验方法预制损伤，并利用Ａ扫描无损检测方法测定了冲击后损伤区的面积然后采用自行研制的板材压缩夹具（可防止试件在... 详细信息

本文对Ｔ３００／ＱＹ８９１１层合复合材料低能量冲击后的剩余压缩强度进行了实验研究，采用落锤（自由落体）冲击试验方法预制损伤，并利用Ａ扫描无损检测方法测定了冲击后损伤区的面积然后采用自行研制的板材压缩夹具（可防止试件在压缩过程中的整体失稳），应用电测技术测定Ｔ３００／ＱＹ８９１１层合复合材料低能量冲击后剩余压缩强度，并考虑了湿热环境对其影响。

关键词：层合板剩余压缩强度湿热环境复合材料冲击