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建立了含界面脱粘的三维五向编织复合材料单向拉伸损伤分析有限元模型.将Tsai-Wu强度准则用于纤维束损伤判断并确定材料失效模式,结合Murakami损伤张量表征材料各向异性损伤,根据失效模式进行材料性能退化；界面相和基体分别采用Quads准则和Mises准则作为失效判据,引入刚度折减；建立了五向编织复合材料的损伤预测模型.模拟了典型编织角材料的细观损伤起始、扩展和最终失效过程,分析了材料的细观损伤失效机理,并基于所得应力应变曲线预测了材料的拉伸强度.数值结果与试验结果基本吻合,说明了损伤预测模型的合理有效性.

关键词: 三维五向 , 编织复合材料 , 界面脱粘 , 失效机理 , 强度预测

含分层损伤缝合复合材料层板的剩余压缩强度

孙浩 , 许希武 , 郭树祥

材料科学与工程学报

基于渐进损伤方法,研究了含单脱层缝合复合材料层板在压缩载荷下的剩余强度。通过商用软件ABAQUS建立了含单脱层缝合复合材料层板剩余压缩强度计算模型,考虑了子层屈曲和分层扩展对剩余强度的影响。通过UMAT子程序实现了层板失效、层间失效和缝线失效的模拟。通过嵌入式杆单元结构模拟了缝线桥联作用及失效。采用Hashin准则及刚度折减法对纤维拉压、基体拉压失效进行了模拟。通过渐进损伤分析,揭示了缝合情况下含单脱层复合材料层板的失效机理,讨论了缝合参数对剩余压缩强度的影响。所预测的破坏模式和剩余强度结果与实验能较好地吻合。分析表明缝合可以明显提高含分层损伤复合材料层板的子层屈曲载荷,抑制分层扩展,并提高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

压缩载荷下复合材料整体加筋板渐进损伤非线性数值分析

常园园 , 许希武 , 郭树祥

复合材料学报

建立了考虑脱粘的复合材料整体加筋板渐进损伤有限元分析模型。该模型采用界面单元模拟筋条与壁板之间的连接界面,连接界面和复合材料层板分别采用Quads准则和Hashin准则作为失效判据,基于ABAQUS软件,建立了含连续损伤状态变量的材料刚度退化方案。基于该模型,采用非线性有限元方法研究了压缩载荷下复合材料整体加筋壁板在考虑初始几何缺陷时的破坏过程,分析了结构相应失效模式的细观损伤机制;详细讨论了轴向刚度比对结构承载能力及破坏模式的影响。结果表明：考虑脱粘损伤的有限元模型能有效模拟加筋板的破坏过程;在加筋板铺层设计合理的情况下,增加筋条与壁板刚度比能有效提高加筋板截面单位面积的承载能力。

关键词: 复合材料 , 整体加筋板 , 脱粘 , 渐进损伤 , 压缩强度 , 刚度比

二维二轴1×1编织复合材料细观结构模型及力学性能有限元分析

张超 , 许希武 , 郭树祥

复合材料学报

考虑纤维束相互挤压及横截面形状变化，采用纤维束截面六边形假设，建立了二维二轴1×1编织复合材料的参数化单胞结构模型。通过引入周期性位移边界条件，基于细观有限元方法，对编织材料的弹性性能进行预测，讨论了编织角及纤维体积含量对面内弹性常数的影响，并分析了典型载荷下单胞细观应力场分布。研究表明：单胞结构模型有效反映了纤维束的空间构型和交织特征，实现了不同编织工艺参数下模型的快速建立；基于单胞有限元模型的弹性性能预测结果与试验结果较为吻合；模型给出了单胞合理的应力场分布，为二维编织复合材料的结构优化和损伤预测奠定基础。

关键词: 二维二轴编织 , 复合材料 , 细观结构 , 力学性能 , 有限元分析

梯度复合材料应力强度因子计算的梯度扩展单元法

陈康 , 许希武 , 郭树祥

复合材料学报

推导了一种适用于梯度复合材料断裂特性分析的梯度扩展单元,采用细观力学方法描述材料变化的物理属性,通过线性插值位移场给出了4节点梯度扩展元随空间位置变化的刚度矩阵,并建立了结构的连续梯度有限元模型.通过将梯度单元的计算结果与均匀单元以及已有文献结果进行对比,证明了梯度扩展有限元(XFEM)的优越性,并进一步讨论了材料参数对裂纹尖端应力强度因子(SIF)的影响规律.研究结果表明:随着网格密度的增加,梯度单元的计算结果能够迅速收敛于准确解,均匀单元的计算误差不会随着网格细化而消失,且随着裂纹长度和属性梯度的增大而增大；属性梯度和涂层基体厚度比的增大导致涂覆型梯度材料的SIF增大；裂纹长度的增加和连接层基体厚度比的减小均导致连接型梯度材料的SIF增大.

关键词: 梯度复合材料 , 有限单元法 , 应力强度因子 , 梯度扩展单元 , 交互能量积分

梯度复合材料裂纹扩展路径和起裂载荷的有限元分析

吕毅 , 许希武 , 郭树祥

复合材料学报 doi:10.13801/j.cnki.fhclxb.20141022.001

为了模拟功能梯度材料(FGM)在工程应用中可能会出现的断裂问题并计算相应的开裂载荷,通过编写用户自定义UEL子程序将梯度扩展单元嵌入到ABAQUS软件中模拟功能梯度材料的物理场,并编写交互能量积分后处理子程序计算裂纹尖端的混合模式应力强度因子(SIF),采用最大周向应力准则编写子程序计算裂纹的偏转角,并模拟了裂纹扩展路径,计算了裂纹的起裂载荷.讨论了材料梯度参数对裂纹扩展路径以及起裂载荷的影响规律.通过与均匀材料的对比,验证了功能梯度材料断裂性能的优越性.研究表明:外载平行于梯度方向时,垂直梯度方向的初始裂纹朝着等效弹性模量小的方向扩展,且偏转角在梯度指数线性时出现峰值,并随着组分弹性模量比的增加而变大;当外载和初始裂纹均平行于梯度方向时,材料等效弹性模量和断裂韧性的增加或者梯度指数的减小都导致起裂载荷变大.

关键词: 梯度复合材料 , 最大周向应力准则 , 交互能量积分 , 裂纹扩展路径 , 起裂载荷

梯度钛合金裂纹扩展速率测试及梯度对扩展寿命影响

赵震波 , 许希武 , 郭树祥

复合材料学报 doi:10.13801/j.cnki.fhclxb.20160331.001

为明确梯度材料中裂纹扩展速率分布情况，对含裂纹TC11-TC4以及 TA15-TA2两种组合梯度钛合金进行标准三点弯疲劳试验。试验结果表明：梯度结构中不同部位的相同组分扩展性能相同，给出了4种3D 打印组分钛合金的Paris公式；梯度材料组分弹性模量的变化会改变裂纹尖端应力强度因子，对位于模量较低一侧的裂纹扩展有抑制作用；过渡层影响厚度范围内裂纹扩展速率介于两种组分之间且连续过渡，表明梯度材料可以消除异种材料连接的界面效应，提出基于组分材料体积分量的混合率描述梯度层中扩展性能的分布规律；恒定载荷试验中仅扩展方向不同情况下寿命有显著差别，验证了合理安排梯度参数可提高结构出现裂纹后的生存能力，其中扩展性能以及模量的变化分布对扩展寿命均有影响。

关键词: 梯度材料 , 疲劳扩展 , Paris公式 , 扩展寿命 , 试验研究