弯曲载荷作用下复合材料T型接头的失效分析

运用蔡-吴逐步失效判据和黏聚接触模型建立弯曲加载下的T型接头的有限元模型。对复合材料T型接头在弯曲加载下的损伤机理和承载能力进行数值模拟。结合静态弯曲加载实验,揭示T型接头在弯曲破坏过程中的四种失效模式。T型接头的弯曲失效载荷的有限元模型计算结果与实测值吻合较好。     

夹芯复合材料T型接头侧弯损伤机理及强度特性分析

针对复合材料夹芯板材构件的侧弯承载和坚固连接要求,设计了弧形过渡区增强型T型胶接接头。建立了夹芯复合材料T型接头数值模型,模拟了其在侧弯载荷作用下的损伤产生、扩展及失效过程,并对夹芯复合材料T型接头试件进行了静态侧弯试验。结果表明:接头发生初始损伤的线载荷强度为44~47N/mm,损伤发生后接头的刚度值发生折减(降低约28%~32%),此时接头的承载能力仍在上升;试件界面完全剥离载荷强度较初始损伤线载荷强度略有增加(线载荷强度范围为54~62N/mm)。数值计算与试验结果吻合,表明弧形过渡区是夹芯复合材料T型接头最薄弱的部位,易发生破坏;初始损伤将首先出现在弧形过渡区复合材料表层,随着层间裂纹的扩展,过渡区复合材料与芯材的复合界面处出现剥离破坏并向自由端端部界面扩展,这是导致夹芯复合材料T型胶接接头失效的最主要原因。     

三明治复合材料加筋L型接头的弯曲承载能力和损伤机理

针对一种三明治复合材料加筋L型接头,介绍了其结构形式和成型工艺,通过试验测试了接头的弯曲承载能力,分析了接头的破坏模式,并对其损伤机理进行了研究,以探求接头的技术改进路径。研究结果表明:L型接头具有良好的吸能效果,在结构发生大变形破坏时,仍具有较高的弯曲承载能力;L型接头的破坏主要发生在垂横加强筋的相交处,初始损伤是相交处侧面的玻璃钢和芯材发生界面分离;工程上应将改进L型接头垂横加强筋相交处的蒙皮和芯材之间的连接工艺作为提高接头承载能力的技术路径。     

FRC/钢嵌入式T型接头疲劳试验及可靠性分析

为了研究FRC/钢嵌入式T型连接接头疲劳特性,采用真空成型工艺(VARTM)及缝合技术制作T型连接接头,利用Letry疲劳试验机对接头开展拉-拉疲劳试验。根据疲劳试验结果,研究了T型接头在拉-拉疲劳载荷作用下初始损伤特性及损伤演变规律;基于两参数Weibull分布模型,开展T型连接接头疲劳可靠性分析,拟合得到接头在不同应力水平下的疲劳寿命分布规律,给出接头在不同应力水平下疲劳可靠度函数,以及接头在指定可靠度下应力/寿命双对数曲线关系式(R-lnS-lnN曲线)。结果表明,ln ln[1/R(N)]与lnN呈现良好的线性关系,T型接头疲劳寿命服从Weibull分布;疲劳寿命可靠度双对数方程建立了可靠度、疲劳寿命以及疲劳应力的关系,可指导接头疲劳可靠性设计和工程应用。     

2A12铝合金焊接接头超声冲击处理前后拉伸性能分析

为克服铝合金薄板焊接接头强度偏低、韧性不足的缺点,用ER5356焊丝对不同厚度的2A12铝合金板材进行了手工氩弧焊接,并采用超声冲击处理对焊接接头进行全覆盖强化处理。采用金相显微镜观察了处理和未处理焊接接头的显微组织结构,对接头的力学性能进行了测试分析,分析了超声冲击处理改善2A12铝合金焊接接头力学性能的机理。结果表明：铝合金焊接接头经超声冲击强化处理后,6 mm和4 mm厚板材对接接头的抗拉强度分别提高了17.4%和23.7%,延伸率分别提高了28%和44%,焊缝表层组织得到明显细化。分析认为：晶粒大幅细化、组织致密化和缺陷减少,是超声冲击处理改善铝合金焊接接头抗拉伸性能的主要原因。     

基于失效树的某型无坐力炮弹储存可靠性分析

通过对某型无坐力炮弹战斗部的结构分析和功能分析,以弹着目标不爆炸为顶事件建立了失效树,并根据该型弹药的功能构件在储存期间的特点选择了失效树的简化原则,建立了系统可靠度模型。确定了由储存因素导致弹着目标不爆炸这一事件的4种主要失效模式。并通过分析其不同的储存期失效机理和影响因素,提出该型炮弹的储存策略。     

力学性能不均匀性焊接接头应力分布研究

应用有限元分析方法,针对平板对接接头横向拉伸试验和实际工作状态下打底焊道为等强匹配、填充焊道为超强匹配时焊接接头在外载荷作用下的应力分布进行计算分析。分析结果表明:焊接接头内部强度的不均匀性引起材料变形能力的差异是接头应力分布不均匀性的主要原因,打底焊道应力低于其屈服强度,填充焊道是焊缝金属的主要承载部分;焊接热影响区对降低打底焊道和填充焊道强度不同引起的应力集中起重要作用;实际工况下的接头应力分布较试验接头应力分布更加均匀,承载能力高于试验状态的承载能力,在试验状态和实际工况下,接头的抗拉强度分别是母材抗拉强度的97.4%和99.4%。     

含分层缺陷复合材料夹芯梁力学特性及失效模式的试验研究

为研究分层缺陷对复合材料夹层结构承载特性的影响,对含面芯分层缺陷的复合材料夹芯梁开展了系列轴向压缩试验,采用高速摄影仪记录结构的变形形态及破坏过程,对结构出现的欧拉屈曲、剪切屈曲、局部面板褶皱、纤维压缩破坏等失效模式进行分析,并探讨了梁长度、表层厚度、芯层厚度、缺陷尺寸等参数对结构承载特性的影响。试验结果表明:表层厚度对结构的失效模式及承载能力有着直接影响;对于贯穿型矩形缺陷,当缺陷因子μ≥0.05时,结构发生局部屈曲失效;局部屈曲为非稳态失效,当面板出现局部褶皱后,面芯分层缺陷迅速沿轴向向两端扩展,扩展路径可由面芯界面层进入芯层,造成芯层的剪切破坏。     

22SiMn2TiB装甲钢异种焊接接头超声波探伤探头设计

用常规探头对22SiMn2TiB装甲钢与TWE312异种钢焊接接头进行缺陷检测,杂波和伪缺陷波导致灵敏度、信噪比不高。用扫描电镜观察到这种异种钢焊接接头主要为奥氏体+铁素体组织,其中奥氏体是主体组织。根据焊缝的组织特点,设计出了2.5P13×13K1.5型专用探头。在预制缺陷的焊接接头上进行了验证试验,结果表明2.5P13×13K1.5探头对接头内部的缺陷具有较高的检出率。     

相控阵雷达天线阵面T/R单元失效演示模型

针对相控阵雷达天线阵面T/R单元数量庞大,故障时有发生,且失效数量和位置有随机性等特点,首先对平面相控阵雷达的天线性能参数进行了计算;然后,对不同失效T/R单元位置和数量下的天线性能参数进行了仿真分析,仿真结果表明:不同失效数量和位置对天线性能参数影响效果不同;最后,为了更加直观演示T/R单元失效对天线性能的影响,利用MatlabGUI界面设计了平面相控阵天线阵面T/R单元失效演示模型,为T/R单元的维修决策提供理论依据。     

整体缝合夹芯结构复合材料力学性能

所设计的新型整体缝合泡沫夹芯复合材料结构,能够避免一般斜缝方式引起纤维交叉损坏的弊端。采用真空导入模塑工艺制备整体缝合泡沫夹芯结构复合材料,研究缝合结构、缝合方式以及缝合纱线用量对整体缝合泡沫夹芯复合材料平压力学性能和弯曲性能的影响。结果表明,新型缝合结构在保证平压力学性能的同时,相比于垂直缝合结构弯曲破坏载荷提高了94.4%;穿透缝合方式能够显著提高试样的平压强度和弯曲破坏载荷;随着缝合纱线用量的增加,整体缝合泡沫夹芯复合材料的压缩和弯曲性能显著提高。     

金属泡沫复合材料夹芯结构的压痕响应实验

金属泡沫夹芯结构是近年来新出现的一种明显具有结构和功能一体化特点的新型轻质材料,它在临近空间飞行器、航海及汽车等领域有着广阔的应用前景。以以纤维增强复合材料面板、闭孔泡沫铝芯子为特征的复合材料夹芯结构为研究对象,对其在球形压头作用下的压痕响应、损伤模式、变形机制和失效机理进行理论分析和实验研究。研究发现,泡沫铝复合材料夹芯结构的压痕响应是夹芯结构的各个组成部分的响应、相互作用以及压头属性的综合作用结果。泡沫铝复合材料夹芯结构在球压头作用下的损伤模式为基体开裂、纤维断裂、层间分层、泡沫铝的屈服及剪切断裂五种失效模式。     

软硬交替多层膜法向压入过程的有限元分析

采用大变形弹塑性有限单元法,对高速钢基体上的软硬交替多层膜在法向压痕作用下的力学行为,进行了模拟和分析.为了研究膜层数和膜厚的影响,对从单层到16层的不同膜层体系进行了计算.通过对诸如膜层的变形、最大应力随膜层数的变化、界面剪应力分布、表面张应力分布等的分析,得出了这些参数的分布及其对膜层体系的摩擦学性能的影响.这些结果可为多层膜的结构优化设计提供定量的依据.     

T300和JC2#纤维增强C/SiC复合材料力学性能对比

以聚碳硅烷(PCS)为先驱体,采用聚合物浸渍裂解法(PIP)分别制备得到T300碳纤维和JC2#碳纤维增强C/SiC复合材料。JC2#C/SiC复合材料具有优异的力学性能,抗弯强度和断裂韧性分别达到662MPa和19.5MPa.m1/2;T300 C/SiC复合材料表现出低强度、高脆性,其抗弯强度和断裂韧性不足前者的四分之一。T300 C/SiC复合材料低性能的根本原因在于T300纤维在PCS裂解过程中性能严重下降,复合材料中纤维与基体间存在强界面结合是另一个影响因素。     

Effect of nano powder (Al2O3-CaO) addition on the mechanical properties of the polymer blend matrix composite

This work describes the preparation and study of the properties of composite nanoparticles prepared by the sol-gel method which consists of two materials (Al₂O₃-CaO), and study the effect of these nanoparticles on the mechanical behavior of a polymer blend (EP 4% + 96% UPE). The powder was evaluated by X-ray diffraction analysis, scanning electron microscopy analysis (SEM), particle size analysis, and energy dispersive X-ray analysis (EDX). The mechanical behavior of the composite material was assessed by tensile test, bending test and hardness test. The evaluation results of the composite nanoparticles showed good distribution of the chemical composition between aluminum oxide and calcium oxide, smoothness in particles' size at calcination in high and low temperatures, formation of different shapes of nanoparticles and different (kappa and gamma) phases of the Al₂O₃ particles. The results of mechanical behavior tests showed marked improvement in the mechanical properties of the resulted composite material, especially at 1.5%, compared with polymer blend material without nano powder addition. The tensile properties improved about (24 and 14.9) % and bending resistance about (23.5 and 16.8) % and hardness by (25 and 22) % when adding particles of size (63.8 and 68.6) respectively. Therefore, this reflects the efficiency of the proposed method to manufacture the nanocomposite powder and the possibility of using this powder as a strengthening material for the composite materials and using these composite materials in bio applications, especially in the fabrication of artificial limbs.     

An efficient SPH methodology for modelling mechanical characteristics of particulate composites

Particulate composites are one of the widely used materials in producing numerous state-of-the-art components in biomedical, automobile, aerospace including defence technology. Variety of modelling techniques have been adopted in the past to model mechanical behaviour of particulate composites. Due to their favourable properties, particle-based methods provide a convenient platform to model failure or fracture of these composites. Smooth particle hydrodynamics (SPH) is one of such methods which demonstrate excellent potential for modelling failure or fracture of particulate composites in a Lagrangian setting. One of the major challenges in using SPH method for modelling composite materials depends on accurate and efficient way to treat interface and boundary conditions. In this paper, a master-slave method based multi-freedom constraints is proposed to impose essential boundary conditions and interfacial displacement constraints in modelling mechanical behaviour of composite materials using SPH method. The proposed methodology enforces the above constraints more accurately and requires only smaller condition number for system stiffness matrix than the procedures based on typical penalty function approach. A minimum cut-off value-based error criteria is employed to improve the compu-tational efficiency of the proposed methodology. In addition, the proposed method is further enhanced by adopting a modified numerical interpolation scheme along the boundary to increase the accuracy and computational efficiency. The numerical examples demonstrate that the proposed master-slave approach yields better accuracy in enforcing displacement constraints and requires approximately the same computational time as that of penalty method.     

应用Isight的复合材料桁架结构优化设计

轻质复合材料及其结构以其优异的力学性能在航天航空飞行器上得到了广泛应用。考察玻璃纤维/环氧复合材料方形截面桁架在典型弯曲载荷工况条件下的非线性结构承载性能。采用Isight集成平台对桁架结构进行多参数优化设计,获得满足结构刚度和承载性能要求的最轻质桁架结构的几何参数,并分析最优化结构在载荷作用下的结构非线性响应行为。结果表明采用Isight平台对桁架结构进行多参数优化设计具有较高的效率和可信度。     

Research on the fracture behavior of PBX under static tension

The fracture behavior of polymer-bonded explosive (PBX) seriously affects the safety and reliability of weapon system. The effects of interface debonding and initial meso-damage on the fracture behavior of PBX under quasi-static tension are studied using numerical method. A two-dimensional representative volume element (RVE) is established based on Voronoi model in which the component contents could be regulated and the particles are randomly distributed. A nonlinear damage model of polymer matrix relative to matrix depth between particles is constructed. The results show that the simulated strain-stress relation is coincident with experiment data. It is found that interface debonding leads to the nucleation and propagation of meso-cracks, and a main crack approximately perpendicular to the loading direction is generated finally. The interface debonding tends to occur in the interface perpendicular to the loading direction. There seems to be a phenomenon that strain softening and hardening alternatively appear around peak stress of stress and strain curve. It is shown that the initial damages of intragranular and interfacial cracks both decrease the modulus and failure stress, and the main crack tends to propagate toward the initial meso-cracks.     

固体火箭发动机复合材料壳体裙黏接性能分析

采用数值计算方法研究复合材料壳体裙连接结构的黏接性能。通过建立纤维缠绕壳体的有限元模型,采用内聚力模型定义裙黏接面的接触关系,引入黏接界面的损伤失效准则,模拟黏接界面的脱黏行为,以此预测裙连接结构的极限承载。同时,研究壳体的轴向和环向应变及黏接面上的剪应力分布情况,以及弹性层的弹性模量与黏接长度对黏接性能的影响。数值算例表明,计算结果与实验数据相吻合,验证了该方法的正确性。所提方法可用于裙连接结构的优化设计中。