复合材料损伤机理整理_final
一、立项依据与研究内容：
1.立项依据：
1.1 研究意义与目的
近几十年以来，随着科学技术的迅速发展，对材料的性能提出了更高的要求。当前高技术材料一般分为:高技术陶瓷、高技术聚合物和复合材料三种类型。由于复合材料可以根据工程结构对性能的要求来进行设计，其发展速度和规模在近几年尤为迅猛。一些先进的复合材料己经在航空、航天、机电、化工、能源、交通运输以及生物、医疗器械等领域中得到了广泛的应用。可以说复合材料已经深入到了我们生活的方方面面。
在航空领域，由于飞机结构设计和材料性能要求的不断提高，复合材料在飞机上的比例不断增加。目前，波音B 787代表了当前飞机技术发展的最高水平，其基本特点之一为采用复合材料主结构，其中复合材料的用量为50%（如图1所示）。[陈绍杰, 复合材料技术与大型飞机. 航空学报, 2008. 29(3): p. 605-610]先进战斗机上复合材料用量基本上在飞机机体结构重量的30%左右，图2为国外新一代军用飞机上复合材料的用量。在航天方面，复合材料也被广泛用于火箭发动机壳体、航天飞机的构件、卫星构件等。固体火箭发动机喷管的工作温度高达3000~3500℃，为了提高效率还要在推进剂中掺入固体粒子，发动机喷管的工作环境是高温、复合材料能承受这种工作环境:化学腐蚀、固体粒子高速冲刷，因此固体火箭目前只要碳/碳人造卫星每减轻Ikg，运载火箭可以减轻1000kg，因此用复合材料制造的卫星有很大的优势。此外，复合材料还被广泛用于化学工业、电气工业、建筑工业、机械工业、体育用品等多个方面。我国从上世纪七十年代就开始了先进复合材料方面的研究工作，到八十年代时，我国已将复合材料应用技术列入重点发展领域，通过三十多年的发展，我国航空复合材料技术应用水平己有了大幅度的提高。目前我国军用飞机上复合材料用量已达到6%以上，已基本实现从次承力构件(如垂直安定面、水平尾翼、方向舵、前机身等)到主承力构件(如机翼、直升机旋翼等)的转变[王慧杰等.我国航空复合材料技术发展展望.第九界全国复合材料学术会议论文集，1996:l-6]。
但是，复合材料也存在其本身的不足，一方面，复合材料的损伤机理与一般的金属材料相差甚远，另一方面，复合材料结构在制造和装配过程中不可避免的产生内部缺陷和损伤。虽然这些局部损伤一般不会立即导致整个结构的破坏，但是它往往对结构的安全构成很大的潜在威胁,若不能即时发现，将导致结构的迅速破坏，从而降低使用寿命甚至结构失效，严重的还会导致突发性的灾难事故。
2001年11月12日，一家美国航空公司的587号航班起飞几分钟后坠毁，机上全部乘客及机组人员全部遇难。由于这架300-600型空中客车的碳复合材料尾翼和方向舵老化从机身上脱落。2005年3月6日，961号班机飞行后开始剧烈的晃动，后来迅速下坠。后查明是由于碳复合材料制成方向舵突然断裂。
由于复合材料具有显著的各向异性的特性，在损伤、失效等方面表现为机理复杂、现象多样、判别困难，特别是低速冲击下，复合材料的损伤微小，潜在危险很大。复合材料的损伤监测和识别方法是复合材料结构安全运行的基础和前提，也是其性能评估的依据。目前用于复合材料的传统无损检测方法非常耗时，同时还不具备实时在线大面积监测的功能，且大多数设备复杂，成本高，监测类型单一，对微小损伤还不能很好地检测到。总体来说，依靠单一的检测手段难以对大型的复合材料结构全面分析以及缺陷的准确定位，这些都迫切需要发展一种精确损伤识别方法和在线整体监测手段，结合工程实践、生产需要、光纤传感、可变形嵌入式电子器件等现有先进的监测方法以及复合材料特性、结构与载荷特性，开展新型复合材料损伤监测和识别方法的研究，这对改进对大型复合材料结构生产的质量控制与管理，提高生产效率和保障人身安全具有重要的理论价值和现实意义。
1.2 国内外研究现状
复合材料的损伤机理、疲劳破坏特征更加复杂，近年来针对复合材料层间剥离、裂纹和纤维断裂等问题，许多学者都进行了研究，包括对损伤的动力学建模、以及对复合材料的静、动力学特性分析
损伤机理及物理模型的研究现状
研究损伤的方法可以分为细观方法和宏观方法（即唯象学方法）。细观方法是根据材料的微细观成分(如基体、颗粒、空洞等)单独的力学行为以及它们的相互作用来建立宏观的考虑损伤的本构关系，进而给出完整的损伤力学问题提法。细观模型为损伤变量和损伤演化赋予了真实的几何形象和物理过程，深化了对损伤过程本质的认识。但这种通常称为“自适应”方法的主要困难是需要经过许多简化假设才能从非均质的微细观材料过渡到宏观的均质材料。由于损伤机制非常复杂(例如多重尺度，多种机制并存及交互作用等)，人们对于微细观组成成分及其作用的了解还不够充分，细观方法的完备性和实用性还有待于进一步的研究和发展。宏观的即唯象的方法是以连续介质损伤力学的观点来研究材料的损伤破坏。它通过引入表征材料内部微细缺陷的损伤内变量，建立合适的损伤模型，在不可逆热力学相连续介质力学的均衡定律基础上导出损伤本构关系，用损伤广义力表征微细观缺陷损伤的作用和影
响，建立唯象的损伤演变方程，对材料的损伤进行描述和分析。这一方法虽然需要细观模型的启发，但并不需要直接从微细观机制导出宏观量之间的理论关系式，而只要求所建守的模型以及由模型导出的推论与实际相符。由于这种方法是以材料的宏观力学性能测试为基础的，因此更便于工程实际的应用。[杨光松. 损伤力学与复合材料损伤[M]. 国防工业出版社，北京，1995]
复合材料由于材料结构的非均匀性和各向异性以及几何非连续性，它的损伤一破坏机制非常复杂，一般不存在象单一均匀材料那样的单条裂纹的自相似扩展。复合材料的破坏是损伤的产生、发展过程与结果。而且，损伤的产生与发展具有局部性、各向异性，并随时间与空间变化。损伤区包含大量基体微裂纹和宏观裂纹，纤维的弯折和断裂，纤维一基体界面脱胶以及层一层之间的分离等，很难用一种简单的破坏模式表征。A.S.D、Wang和G.K.Haritor 在《复合材料的损伤力学》(美国ASME1987年专题讨论会)文集序言中指出：“近年来，复合材料损伤用两种力学方法进行研究。一是连续损伤力学概念，把损伤处理为材料本构关系中的内变量。……在描述多相材料和一些纤维复合材料的分布微观损伤方面得到应用，另一是应用断裂力学于复合材料损伤，试图模拟真实断裂机制和微裂纹扩展”。
产生复合材料损伤一破坏的因素很多，最重要的至少有三方面：
I. 存在于纤维、基体和界面上的微缺陷，通常可分为层内缺陷、层间缺陷和纤维中的缺陷。
II. 复合材料层合板的各单层要根据承载需要设计为不同取向和次序，会直接影响到层间刚度匹配和应力分布，导致不同损伤破坏机制。
III. 载荷状况与分布有很大影响。即使在简单载荷下，层合板的各单层都在复杂应力作用下，其中面内应力分量可能引发基体裂纹和纤维断裂；面外应力分量可能引发分层断裂。然而，这两组应力分量并非独立的应力群，它们在损伤发展过程中互相祸合。不同机制损伤的同时或先后发生以及相互作用，使复合材料层合板损伤一破坏过程显现出非常复杂的现象。然而，在宏观上，这些损伤可分为三种断裂模式，即层内断裂、层间断裂和横层断裂。层内断裂与层间断裂，从微观上看，都属于基体破坏或纤维一基体界面分离，是沿纤维方向的断裂。然而，从宏观上看，前者是单层内的横向裂纹，而后者是层一层界面分层‘横层断裂主要是纤维断裂，它往往控制复合材料层合板的最终破坏[沈为. 复合材料损伤—破坏机制与模型[J].. 力学与实践, 1991,(03)]。
Talreja R.提出了复合材料张量内变量损伤模型[]，该模型建立用于表示损伤的单一实体（单一裂纹）力学影响矢量，该矢量由裂纹面积和特征尺寸决定，并定义损伤变量为损伤实体力学影响矢量与裂纹面上单元外法线的并积在微元体内的平均值。Helmholtz自由能表示为弹性应变和损伤变量的不变量函数。
Shen W应用连续损伤力学方法[]，针对分布的微观损伤，提出了广义弹脆性损伤模型.模型把复合材料作为各向异性固体弹性材料，取包含各向异性损伤的微小体元.此体元在宏观上是物质点，比宏观结构要小得多，但并非单个微结构.由于应力、应变、温度以及损伤(微
缺陷)等，从本质上说，都是非均匀的，因而所取体元要包含足够多的微结构，以考察体元里上述参量的平均行为和响应. 这个模型目前已用于以下方面：1.确定材料损伤与损伤累积;通过受损材料的应变测量确定损伤，而不计及微缺陷的具体几何；2.确定受损材料的弹性与弹性变化；3. 确定材料受损后的真实应力；4. 确损伤能量耗散；5. 确定材料损伤性能；6.模拟计算损伤破坏过程；7. 损伤场及其变化的实验测量。
杨光松[]
Wnuk M P提出复合材料裂纹扩展损伤模型，该模型认为对于存在宏观裂纹的复合材料层合板，由于裂纹前沿的应力集中影响，导致该区域内基体开裂、界面脱粘、甚至纤维断裂，如果这些缺陷损伤的累积过程发生在裂纹前沿区，即裂纹前沿存在一损伤区，则当损伤达到其临界值时裂纹扩展。
Curtis P T认为循环载荷将寻致复合材料损伤，如基体开裂、分层、甚至纤维断裂等，而且这些损伤随时间积裂。因此，可以假设疲劳损伤积累达到某一临界值时复合材科发生破坏[Stinchcomb W W, Bakis C E. Fatigue Behaviour of Composite Laminates. Fatigue of Composite Materials. 1991, Ed. By Reifsnider K L: 105~178]，即复合材料疲劳损伤模型[Curtis P T. The Fatigue Behaviour of Fibrous Composite Materials. J. of Strain Analysis for Engineering Design, 1989, Vol. 21, No.24: 235~244]。Wnuk M P提出复合材料裂纹扩展损伤模型，该模型认为对于存在宏观裂纹的复合材料层合板，由于
复合材料的冲击损伤包括在高速冲击条件下，冲击物嵌入或穿透复合材料导致纤维断裂为主要的损伤形式；在低冲速冲击条件下，，复合材料的表面几乎看不出损伤缺陷，但在材料内部已产生有分层开裂损伤，所产生的主要损伤形式为基体开裂和分层[Abrate S. Impact of Laminated Composites. AMR, 1990,V ol. 44, No. 4: 155~190.]。
复合材料统计损伤模型：杨光松[杨光松. 玻璃纤维束拉伸的声发射特征及统计损伤分析. 强度与环境，1989(2): 45~49.]根据纤维束断裂规律建立统计损伤模型，导出的纤维束外载与位移的本构关系计算值与实验值相当吻合。表明统计损伤模型描述纤维束断裂损伤是合理的，声发射技术是一种监测材杆内部损伤及其演变规的有效手段。
基于小波有限元损伤动力学建模
现有基于模型的损伤诊断方法中，均采用传统有限元模型建立与实际结构系统动力学特性相符的正问题模型，通过计算获得结构损伤定量诊断模型数据库。因此，进行结构损伤定量诊断的关键之一在于必须针对不同的结构系统建立高精度的有限元模型。由于损伤奇异性的存在，使得采用传统有限元模型求解结构损伤问题精度不高，无法获得准确可靠的损伤定量诊断模型数据库，为解决这一问题，在基于结构固有频率变化的损伤诊断方法中，采用小波有限元[Ma JX, A study of the construction and application of a Daubechies wavelet-based beam element. Finite Elem. Anal. Des. 2003, 39(10):965-975]模型替代传统有限模型，可以获得较高的损伤识别精度。
由于小波基具有紧支撑、正交性、正则性、多分辨等特性，因此小波有限元方法可根
据实际需要任意改变分析尺度或提高逼近阶，具有数值稳定性好、求解精度较高等优点。
小波有限元方法在处理损伤奇异性方面也具有独特的优势，因为传统有限元在损伤区域必
须采用十分精细的网格或高阶单元，而小波有限元较好地解决了这个问题，求解效率和精
度大大提高。
1995年，J.Ko[Ko J, Kurdila A J, Pilant M S. A class of finite element methods based on orthonormal, compactly supported wavelets. Computational Mechanics, 1995,16:235-244]采用正交的Daubechies小波，从变分原理出发，构造了V0逼近空间的
规则区域小波单元，并对一维和二维Neumann问题进行了分析，这是关于小波有限元正式
提出的第一篇文献。美国MIT学者K.Amaratunga等[William J R, Amaratunga K. Introduction of a wavelet in engineering. International Journal for Numerical Methods in Engineering,1994,37:2365-2388；Amaratunga K, Williams J R. Wavelet-Galerkin solution of boundary value problem. Archives of Computational Methods in Engineering,1997,(3):243-285； Sudarshan R, Heedene S, Amaratunga K.
A multiresolution finite element method using second generation Hermite multiwavelets. Second MIT Conference on Computational Fluid and Solid Mechanics, 2003:1-6]多年来一直致力于小波有限元的研究，其研究内容从最早介绍小波求解工程问
题的优越性及其对小波函数求导计算的推导，随后利用区间小波伽辽金法求解两点边值问题，以及第二代小波求解偏微分方程的方法。
从小波有限元算法的提出至今， 10余年间取得了巨大的发展，在利用小波有限元进行数值求解和建模中，其求解精度和效率不断提升。在数值求解方面，文献[Babolian E, Fattahzadeh F. Numerical computation method in solving integral equations by using Chebyshev wavelet operational matrix of integration, 2007, 188(1): 1016-1022)]
将切比雪夫小波基运用到小波-伽辽金方法中求解积分方程的方法；文献[Maleknejad K, Lotfi T. Expansion method for linear integral equations by cardinal B-spline wavelet and Shannon wavelet as bases for obtain Galerkin system, 2006,175(1): 347-355]
利用B样条小波和Shannon小波作为基函数逼近求解了二类线性积分方程；文献[He YM, Chen XF, Xiang JW, He ZJ. Adaptive multiresolution finite element method based on second generation wavelets, 2007, 43: 566-579]构造了二代小波有限元的自适应多分辨分析方法。并实现了对刚度矩阵的解耦，使其在各自空间中进行求解。在建模及工程应用中，文献[Zhou YH, Zhou J. A modified wavelet approximation of deflections for solving PDEs of beams and square thin plates, 2008, 44: 773-783]提出了一种改进的小波逼近法用
于计算梁和方形薄板的挠度，在这种算法中，边界的转动自由度以小波系数来表示，从而对
于不同的边界条件，不管是齐次还是非齐次的，都可以按照传统有限元的方法来处理；文献[Han JG, Ren WX, Huang Y. A wavelet-based stochastic finite element method of thin
plate bending, 2007, 31(2): 181-193]利用随机小波有限元法求解了薄板的弯曲问题，随机小波有限元就是将小波有限元方法与蒙特卡罗方法相结合而形成的；文献[Xiang JW, Zhong YT, Chen XF, He ZJ. Crack detection in a shaft by combination of wavelet-based elements and genetic algorithm, 2008, 45(17): 4782-4795]将区间B样条小波有限元法与遗传算法相结合，实现转轴裂纹的定量诊断；文献[Han JG, Ren WX, Huang Y. A multivariu-ble wavelet-based finite element method and its application to thick plates]利用多变量小波有限元法来解决厚板的弯曲问题。用插值小波函数来构造厚板的场函数，而多变量小波有限元是基于二类变量Hellinger-Reissner广义变分原理来构造的；文献[Navarro HA, Kaibara MK, Rubert JB, Montagnoli AN, Cabezas-Gomez L, da Silva RC. Wavelet-Galerkin method for one-dimentional elastoplasticity and damage problems: Constitutive modeling and computational aspects, 2008, 198(2): 904-915]将小波-伽辽金法用于弹塑性损伤问题的处理，在非线性动力学的处理中应用时步法，在构造模型的数值处理中应用返回映射算法；文献[Xiang JW, Chen XF, Li B, HeYM, He ZJ. Identification of a crack in a beam based on the finite element method of a B-spline wavelet on the interval, 2006, 296: 1046-1052]利用区间B样条的小波有限元法实现了梁裂纹的定量诊断。首先，对有裂纹何无裂纹单元碱性有限元建模形成正问题，并测裂纹梁的前三阶固有频率，然后将前三阶固有频率作为输入给反问题，利用三线相交法实现裂纹的定量诊断；文献[Chen XF, He ZJ, Li B, Xiang JW. An efficient wavelet finite element method in fault prognosis of incipient crack, 2006, 49(1): 89-101]利用小波有限元法来实现初始裂纹的故障预报，阐述了任意尺度下基于一维和二维Daubechies小波尺度函数的小波有限元的构造方法，以及其自适应提升算法，可实现对裂纹奇异性区域的自适应剖分，因此比传统有限元具有更高的逼近精度。
此外，自适应求解也是当前小波有限元损伤建模的难点之一。基于提升框架的第二代
小波基[Sweldens W, The lifting scheme: a custom-design construction of biorthogonal wavelets, Appl. Comput. Harmonic. Anal. 1996, 3 (2): 186–200；Sweldens W, The lifting scheme: a construction of second generation wavelets, SIAM J. Math. Anal. 1997,29 (2): 511–546]的提出很好地解决了传统小波基的诸多缺陷和弱点，第二代小波基是一种广义的
双正交小波基，它不再需要传统的傅里叶变换为基础，可以在不规则网格上构造，能根据
问题的需要提升小波的特性，而且构造方便，计算效率高，易于实现自适应的多尺度计算。自第二代小波基提出时，就有许多学者和研究人员将它应用于工程数值计算。2008年，Mehra和Kevlahan[Vasilyev OV, Solving multi-dimensional evolution problems with localized structure using second generation wavelets, Int. J. Comp.Fluid Dyn. 2003, 17 (2): 151–168；Mehra M, Kevlahan NK-R, An adaptive wavelet collocation method for the solution of partial differential equations on the sphere, J. Comput. Phys. doi:10.1016/ j.jcp.2008.02.004]将第二代
小波配点法推广到高维和球面域的椭圆方程的求解；葡萄牙的Averio大学的Pinho、Ferreira
和Pereira[Pinho P, Ferreira PJSG, Pereira JR, Multiresolution analysis using biorthogonal and interpolating wavelets, IEEE Antennas and Propagation Society Symposium, 2004, 2: 1483-1486]应用第二代小波基求解Maxwell方程；清华大学的Wang和Yang[Wang YB, Yang HZ, Second generation wavelet based on adaptive solution of wave equation, Int. J. Nonlinear Sci. Numer. Simul. 2006,7(4): 435-438]利用第二代小波构造动态自适应计算网格求解波动方程，计算表明，第二代小波基非常适合于网格自适应问题的求解；美国麻省理工学院的Castrillón-Candás和Amaratunga[Castrillón-Candàs J, Amaratunga K, Spatially adapted multiwavelets and sparse representation of integral equations on general geometries, SIAM J. Sci. Comput. 2003, 24 (5): 1530–1566；Amaratunga K, Castrillón-Candàs J, Surface wavelets: a multiresolution signal processing tool for 3D computational modeling, Int. J. Numer. Methods Eng.?2000, 52: 239-271]利用空间自适应提升多小波表示定义在三维几何体上的积分算子，由此推导的刚度矩阵稀疏度高，条件数少，求解方程时的收敛速度快，计算量小。基于这种思想，该校的D’Heedene和Amaratunga[D’Heedene S, Amaratunga K, Castrillón-Candás J, Generalized hierarchical bases: a Wavelet–Ritz–Galerkin framework for Lagrangian FEM, Eng. Comput. 2005, 22 (1): 15–37]针对非结构化网格上任意阶次的Lagrange有限元基函数，利用稳定完备法建立了提升小波框架，即算子自定义小波。算子自定义小波有限元的突出优点是根据不同问题的算子灵活构造最优、最小支撑的小波基插值，由此推导的刚度矩阵在多分辨空间中是尺度解耦矩阵，极大地提高了小波算法效率。2008年，本课题组的何育民和陈雪峰[He YM, Chen XF, Xiang JW, He ZJ, Adaptive multiresolution finite element method based on second generationwavelets, Finite Elem. Anal. Des. 2007,43: 566 –579]提出根据问题的需要设计合适的预测算子和更新算子，从而构造满足问题的提升小波基，应用于结构分析中，此方法灵活有效，为解决各种工程问题提供了新的解决方案。
充分利用算子自定义小波有限元适宜损伤奇异性自适应求解的优点，建立损伤的算子自定义小波有限元模型，通过构造包含微观和宏观等不同量级的跨层次多尺度模型，将每一递推尺度上的解耦合或信息传递于粗粒化尺度上，实现损伤的多尺度高效计算，分析损伤结构的动态响应及模态参数，利用结构模态参数的改变精确辨识结构损及扩展趋势是工程中具有广泛的应用前景的新方法和新技术。目前算子自定义小波基的研究尚处于起步阶段，怎样在不同的求解空间、边界条件中构造各种满足问题需要的优良小波基是一个有待深入研究的问题。
2 项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题
2.1 研究内容
（1）基于小波有限元理论的复合材料损伤建模
研究多变量小波有限元、随机小波有限元等高精度小波有限元的构造方法以及应用基
础，研究基于提升框架的算子自定义小波的高效优化构造方法，提出算子自定义小波有限元的自适应算法。建立损伤多尺度模型，结合先进的动态损伤信号特征提取技术，实现基于小波有限元理论的高精度损伤在线定量诊断与预示。
2.2 研究目标
2.3 拟解决关键问题
3本项目的特色与创新之处
附录：
损伤力学的发展
损伤力学或连续介质损伤力学(Continuum Damage Mechanic——CDM)主要研究材料内部微观缺陷的产生和发展所引起的宏观力学效应及最终导致材料破坏的过程和规律。它通过引入一种所谓“损伤变量”的内部状态变量来描述含微细观缺陷材料的力学效应——受损材料的力学行为，以便更好地预测工程材料的变形、破坏和使用寿命等。Kachanov在1958年研究金属蠕变过程断裂时，首次引入“连续性因子”和“有效应力”的概念来描述低应力脆性蠕变损伤。Rabotnov在1963年进一步引入了“损伤因子”的概念。在这些概念的基础上，他们采用连续介质力学的唯象方法来研究材料蠕变损伤破坏过程。尽管从金属物理学的角度来看，这些研究没有严格地分析蠕变破坏的机制，但用宏观唯象学方法导出的蠕变寿命公式仍能有效地应用于工程实际。此后一二十年间，这些概念和方法主要局限于分析蜕变断裂。直到70年代后期，出于核电站、能源工业、航天航空技术等领域遇到了一些新问题，才使得材料损伤的研究受到更多方面的重视。除Kachanov、Rabotnov外，法国的Lemaitre、Chaboche、美国的Krempl、Krajcinovic、日本的Murakami、瑞典的Hult、英国的Hayhurst 和Leckie—等人采用连续介质力学的方法，把损伤因子进一步推广为一种场变量，逐渐形成了“连续介质损伤力学”这一门新的学科。1980年5月，国际理论与应用力学联合会(IUTAM)在美国Cincinnati举办“有关损伤与寿命预测的连续介质方法”讨论班以来，已召开多次有关损伤力学的重要国际会议和讨论班”。损伤力学已在工程实际个成功地得到应用，解决了诸如核电站管接头的低周疲劳，飞机涡轮发动机叶片和涡轮盘的蠕变疲劳，混凝土梁的断裂，金属塑性成形及复合材料压力容器损伤监测等一系列工程问题。
复合材料结构分析总结
复合材料结构分析总结 说明：整理自Simwe论坛，复合材料版块，原创fea_stud，大家要感谢他呀 目录 1# 复合材料结构分析总结（一）——概述篇 5# 复合材料结构分析总结（二）——建模篇 10# 复合材料结构分析总结（三）——分析篇 13# 复合材料结构分析总结（四）——优化篇 做了一年多的复合材料压力容器的分析工作，也积累了一些分析经验，到了总结的时候了，回想起来，总最初采用I-deas，到MSC.Patran、Nastran，到最后选定Ansys为自己的分析工具，确实有一些东西值得和大家分享，与从事复合材料结构分析的朋友门共同探讨。 （一）概述篇 复合材料是由一种以上具有不同性质的材料构成，其主要优点是具有优异的材料性能，在工程应用中典型的一种复合材料为纤维增强复合材料，这种材料的特性表现为正交各向异性，对于这种材料的模拟，很多的程序都提供了一些处理方法，在I-Deas、Nastran、Ansys中都有相应的处理方法。笔者最初是用I-Deas下建立各项异性材料结合三维实体结构单元来模拟（由于研究对象是厚壁容器，不宜采用壳单元），分析结果还是非常好的，而且I-Deas强大的建模功能，但由于课题要求要进行压力容器的优化分析，而且必须要自己写优化程序，I-Deas的二次开发功能开放性不是很强，所以改为MSC.Patran，Patran 提供了一种非常好的二次开发编程语言PCL（以后在MSC的版中专门给大家贴出这部分内容），采用Patran结合Nastran的分析环境，建立了基于正交各项异性和各项异性两种分析模型，但最终发现，在得到的最后结果中，复合材料层之间的应力结果始终不合理，而模型是没有问题的（因为在I-Deas中，相同的模型结果是合理的），于是最后转向Ansys，刚开始接触Ansys，真有相见恨晚的感觉，丰富的单元库，开放的二次开发环境（APDL 语言），下面就重点写Ansys的内容。 在ANSYS程序中，可以通过各项异性单元（Solid 64）来模拟，另外还专门提供了一类层合单元（Layer Elements）来模拟层合结构（Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191）的复合材料。 采用ANSYS程序对复合材料结构进行处理的主要问题如下： （1）选择单元类型 针对不同的结构和输出结果的要求，选用不同的单元类型。 Shell 99 ——线性结构壳单元，用于较小或中等厚度复合材料板或壳结构，一般长度方向和厚度方向的比值大于10； Shell 91 ——非线性结构壳单元，这种单元支持材料的塑性和大应变行为； Shell 181——有限应变壳单元，这种单元支持几乎所有的包括大应变在内的材料 的非线性行为； Solid 46 ——三维实体结构单元，用于厚度较大的复合材料层合壳或实体结构；
Abaqus中复合材料地累积损伤与失效
纤维增强材料的累积损伤与失效：Abaqus拥有纤维增强材料的各向异性损伤的建模功能（纤维增强材料的损伤与失效概论，19.3.1节）。假设未损伤材料为线弹性材料。因为该材料在损伤的初始阶段没有大量的塑性变形，所以用来预测纤维增强材料的损伤行为。Hashin标准最开始用来预测损伤的产生，而损伤演化规律基于损伤过程和线性材料软化过程中的能量耗散理论。 另外，Abaqus也提供混凝土损伤模型，动态失效模型和在粘着单元以及连接单元中进行损伤与失效建模的专业功能。 本章节给出了累积损伤与失效的概论和损伤产生与演变规律的概念简介，并且仅限于塑性金属材料和纤维增强材料的损伤模型。 损伤与失效模型的通用框架 Abaqus提供材料失效模型的通用建模框架，其中允许同一种的材料应用多种失效机制。材料失效就是由材料刚度的逐渐减弱而引起的材料承担载荷的能力完全丧失。刚度逐渐减弱的过程采用损伤力学建模。 为了更好的了解Abaqus中失效建模的功能，考虑简单拉伸测试中的典型金属样品的变形。如图19.1.1-1中所示，应力应变图显示出明确的划分阶段。材料变形的初始阶段是线弹性变形（a-b段），之后随着应变的加强，材料进入塑性屈服阶段（b-c段）。超过c点后，材料的承载能力显著下降直到断裂（c-d段）。最后阶段的变形仅发生在样品变窄的区域。C点表明材料损伤的开始，也被称为损伤开始的标准。超过这一点之后，应力-应变曲线（c-d）由局部变形区域刚度减弱进展决定。根据损伤力学可知，曲线c-d可以看成曲线c-d‘的衰减，曲线c-d‘是在没有损伤的情况下，材料应该遵循的应力-应变规律曲线。
图19.1.1-1 金属样品典型的轴向应力-应变曲线 因此，在Abaqus中失效机制的详细说明里包括四个明显的部分： ●材料无损伤阶段的定义（如图19.1.1-1中曲线a-b-c-d‘） ●损伤开始的标准（如图19.1.1-1中c点） ●损伤发展演变的规律（如图19.1.1-1中曲线c-d） ●单元的选择性删除，因为一旦材料的刚度完全减退就会有单元从计算中移除（如图19.1.1-1 中的d点）。 关于这几部分的内容，我们会对金属塑性材料（金属塑性材料的损伤与失效概论，19.2.1节）和纤维增强材料（纤维增强符合材料的损伤与失效概论，19.3.1节）进行分开讨论。 网格依赖性 在连续介质力学中，通常是根据应力-应变关系建立材料本构模型。当材料表现出导致应变局部化的应变软化行为时，有限元分析的结果带有强烈的网格依赖性，能量的耗散程度取决于网格的精简程度。在Abaqus中所有可使用损伤演化模型都使用减轻网格依赖性的公式。这是通过在公式中引入特征长度来实现的，特征长度作为一个应力-位移关系可以表达本构关系中软化部分，它与单元尺寸有关系。在此情况下，损伤过程中耗散的能量不是由每个单位体积衡量，而是由每个单位面积衡量。这个能量值作为另外一个材料参数，用来计算材料发生完全损伤时的位移。这是与材料断裂力学中临界能量释放率的概念一致的。此公式确保了合适能量的耗散以及最大程度减轻网格的依赖。
碳纤维增强复合材料分层缺陷的检测研究
碳纤维增强型复合材料分层缺陷的检测研究 贾继红【1】，许爱芬【1】，路学成【2】，谢霞【2】 摘要：碳纤维增强型复合材料由于其高温下仍保持高硬度、高强度，质量轻等 性能被广泛应用于军事工业，但复杂的制造过程使得缺陷不可避免并影响使用。本 文采用正交小波对碳纤维复合材料的探伤信号进行多尺度分析，通过对小波基、分 解层数地选取以及对细节信息地处理和分析，总结出判定分层缺陷的损伤程度的方 法，使得材料在失效前被提早发现。实验表明该方法有效。 关键词：碳纤维；复合材料；小波分析；无损检测 Tisting Study On Lamination Of Carbon fibrerein forced composite material Jia Ji Hong[1],Xu Ai Fen[1],Lu Xue Cheng[2],Xie Xia[2] Abstract: Carbon fibrerein Composite materials was widely used in war industry for keeping high-hardness、high-strength,and light weight etc,but the defect could not be helped after complicated manufacturing,and influenced use. Applied the orthogonal wavelet to explore carbon fibre reinforced composite material for the multiple-dimensioned analysis, put forward a method for estimating damaging degree by selecting basic wavelet、decomposing layer-number and detail signal processing. It’s advantage is that prevent the materal from invalidating,，and this method was proved effective. Key words:Carbon fibrerein ；Composite materials；Wavelet analys；nondestructive test 1.引言 近年来，碳纤维增强型复合材料在工业甚至国防建设中有了长足发展，特别是在飞机制造上，机体结构的复合材料化程度是衡量飞机先进性的一个重要指标。然而，碳纤维复合材料是复杂的各项异性多相体系，其质量存在离散性，成型过程与服役条件极其复杂，环境控制、制造工艺、运输以及操作等都可能造成材料缺陷【2】，使得结构失效。因此，结构材料的无损检测（NDT）无论是在制造上还是在实时应用上都显得尤为重要。 分层缺陷是碳纤维复合材料中最常见的缺陷形式，复合材料层合板在压缩载荷作用下将依次发生脱粘分层、分层扩展、再屈曲、最后压缩破坏。含分层损伤的复合材料层合板在面内压缩载荷作用下，其圆形分层缺陷上下端点的局部区域内材料受横向拉应力作用为主；分层缺陷大小对复合材料层合板的抗压强度和屈曲临界载荷影响显著；分层缺陷大小对复合材料层合板的压缩弹性模量影响不显著；对于4.40 mm厚复合材料层合板，当分层缺陷尺寸达到孔隙30 %就要考虑修补【3】。 超声检测是目前无损检测中应用最广泛的一种。在超声缺陷检测中，回波信号通常是一种被探头中心频率调制的宽带信号，该信号是属于时频有限的非平稳信号，因此选用具有时频局部放大能力的小波变换技术对信号进行处理和分析非常适宜。
复合材料力学计算题网上整理
例3?1：己知HT3/5244碳纤维增强复介材料单层的T 程弹性常数为 E )= 140GPa; E 2 =8.6GPa; G }2 =5.0GPa; v 12=0.35 试求单层受到面内应力分量为硏=500MPa , 例3?2：单层板受面内应力rr =15OMPa, q=50MPa, r =75MPa 作用， ^=45° ,试求材料主方向坐标系下的应力分量。 ■ 1 -1 解: 0.5 0.5 -0.5 0.5 0.5 0.5 6 J J 140.9 3.0 ■ 0 e= 3.0 10」 0 GPa 0 ■ 0 5.0 ■ 0.5 0.5 -1 0.5 0.5 1 0.5 -0.5 0.5 0.5 1 0.5 0.5 -1 -0.5 0.5 0 例3?4：已知碳纤维/环氟HT3/5224单层板材料主方向应变 c, =0.005; ? =-0.01; y n =0.02 — 45。，试求(1)材料主方向应力；(2)参考坐标系下的应 _ 0.5 0.5 1 _0.5 0.5 -1' T = 0.5 0.5 -1 r1 =0.5 0.5 1 -0.5 0.5 0 ■ ■0.5 -0.5 0 ■ ■ ■ ■■■「0.5 0.5 -0.5' "0.005--0.0125 =r T& ：2=0.5 0.5 0.5 -0.01 =0.0075 2V712. 1 ■-1 0 0.02 0.0150 ■B 力和应变。141.9 3.06 ■ 已知：Q =3.06 8.66 0 GPa 0 0 5.0 解：■ ■Qu a o ■ ■ 所 ^2=2|> 02 0 % _ 0 0纸 ■ 712. 141.9 3.06 ■ "0.005" 「678. 9' 3.06 8.66 0 -0.01 xl03 =-71.3 MPa 0 0 50 0.02 100 ■ -1 '67X.< ■204 1 -71.3 二404 0 100 375 MPa 复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究 毕业设计（论文）题目：复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究 学士学位论文原创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名：日期： 导师签名：日期： 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期： ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用 复合材料，是由两种或两种以上性质不同的材料组成。主要组分是增强材料和基体材料。复合材料不仅保持了增强材料和基体材料本身的优点，而且通过各相组分性能的互补和关联，获得优异的性能。复合材料具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、以及材料性能可设计的特点，应用于航空领域中，可以获得显著的减重效益，并改善结构性能。目前，复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一，逐渐应用于飞机等结构的主承力构件中，西方先进战斗机上复合材料使用量已达结构总重量的25%以上。飞机结构中，复合材料最常见的结构形式有板壳、实体、夹层、杆梁等结构。板壳结构如机翼蒙皮，实体结构如结构连接件，夹层结构如某些薄翼型和楔型结构，杆梁结构如梁、肋、壁板。此外，采用缠绕工艺制造的筒身结构也可视为层合结构的一种形式。一.复合材料设计分析与有限元方法复合材料层合结构的设计，就是对铺层层数、铺层厚度及铺层角的设计。采用传统的等代设计（等刚度、等强度）、准网络设计等设计方法，复合材料的优异性能难以充分发挥。在复合材料结构分析中，已经广泛采用有限元数值仿真分析，其基本原理在本质上与各向同性材料相同，只是离散方法和本构矩阵不同。复合材 料有限元法中的离散化是双重的，包括了对结构的离散和每一铺层的离散。这样的离散可以使铺层的力学性能、铺层方向、铺层形式直接体现在刚度矩阵中。有限元分析软件，均把增强材料和基体复合在一起，讨论结构的宏观力学行为，因此可以忽略复合材料的多相性导致的微观力学行为，以每一铺层为分析单元。二.ANSYS复合材料仿真技术及其在航空领域应用复合材料具有各向异性、耦合效应、层间剪切等特殊性质，因此复合材料结构的精确仿真，已成为现代航空结构的迫切需求。许多CAE程序都可以进行复合材料的分析，但是大多程序并没有提供完备的功能，使复合材料的精确仿真难以完成。如有些程序不提供非线性分析能力，有些不提供层间剪切应力的求解能力，有些不提供考虑材料失效破坏继续计算能力等等。ANSYS作为一款著名的商业化大型通用有限元软件，广泛应用于航空航天领域，为飞机结构中的复合材料层合结构分析提供了完整精确的解决方案。1.复合材料的有限元模型建立针对飞机结构中的复合材料层合板、梁、实体以及加筋板等结构类型，ANSYS提供一种特殊的复合材料单元———层单元，以模拟各种复合材料，铺层数可达250层以上，并提供一系列技术模拟各种复杂层合结构。复合材料层单元支持非线性、振动特性、热应力、疲劳断裂等各种结构和热的分析功能和算法。2.复合材料的层合结构定义：■铺层结构：ANSYS对于每一铺层可先定义材料性质、铺层角、铺层厚度，然后通过由下到上的顺序逐层叠加组合为复合材料层合结构；也可以通过直接输入材料本构矩阵来定义复合材料性质。■板壳和梁单元截面形状：ANSYS利用截面形状工具可定义矩形、I型、槽型等各种形式；还可以定义各种函数曲线以模拟变厚度截面。3.特殊层合结构的模拟：?变厚度板壳铺层切断：将切断的某铺层厚度定义为零，即可模拟铺层切断前后的板壳实际形状。（图1上）?不同铺层板壳的节点协调：ANSYS板壳层单元的节点均可偏置到任意位置，使不同铺层数板壳的节点在中面或顶面、底面对齐。（图1下）?蜂窝/泡沫夹层结构：ANSYS通过板壳层单元来模拟夹层结构的特性，夹层面板和芯子可以是不同材料。（图2）?板－梁－实体组合结构：ANSYS将实体、板壳与梁等不同类型单元通过MPC技术相联系，各类单元的节点不需要重合并协调，便于飞机等复杂结构模型的处理。4.复合材料有限元模型的检查：复合材料结构模型建立后，可以将板壳和梁单元显示为实际形状，还可以通过图形显示和列表直观地观察铺层厚度、铺层角度和铺层组合形式，方便模型的检查及校对。（图3）5.复合材料层合结构分析ANSYS层单元支持各种静强度刚度、非线性、稳定性、疲劳断裂和振动特性等结构分析。完成分析后，可以图形显示或输出每个铺层及层间的应力和应变等结果（虽然一个单元包含许多铺层），根据这些结果可以判断结构是否失效破坏和满足设计要求。6.复合材料失效准则ANSYS已经预定义了三种复合材料破坏准则来评价复合材料结构安全性，包括最大应变/应力失效准则，蔡－吴（Tsai-Wu）准则。每种强度准则均可定义与温度相关，考虑不同温度下的材料性能。另外，用户也可自定义最多达六种的 复合材料损伤研究现状 复合材料是一种新型材料，由于其具有比强度、比模量高等优点，使其在众多领域都具有潜在的应用可能性。然而复合材料是由纤维、基体、界面等组成，其细观构造是一个复杂的多相体系，而且是不均匀和多向异性的，这使其结构内部的损伤与普通材料结构不同，在结构表面可能完全看不出损伤迹象，甚至用X 光和超声分层扫描也探测不到。现有的各种无损检测方法很难对复合材料结构损伤进行准确的探测与损伤程度评估，更无法对使用中的复合材料结构实现在线实时监测。将智能传感器敏感网络埋入复合材料内部，并配合适当的现代信号处理技术，构成智能复合材料结构系统，从而实现对复合材料内部状态的在线实时监测，及时发现并确定材料结构内部损伤的位置和程度,监视损伤区域的扩展，从而为材料结构的损伤检测、维修及自我修复提供准确信息，避免因复合材料结构损伤而带来巨大的损失。由于智能复合材料内部传感网络信号具有高度非线形、大数量、并行等特点，故使用传统的分析方法进行处理往往十分耗时、困难，甚至完全不可能。而现代模式识别方法(包括人工神经网络)、小波分析技术、时间有限元模型理论以及光时域反射计检测技术等就成为实现实时、在线、智能化处理分布式信号的理想工具。 结构损伤诊断，即对结构进行检测与评估，确定结构是否有损伤存在，进而判别结构损伤的程度和方位，一级结构目前的状况、使用功能和结构损伤的变化趋势等。 结构损伤诊断是近40年来发展起来的一门新学科，是一门适应工程实际需要而形成的交叉学科。结构损伤诊断概念的提出和发展，机械故障诊断问题开始引起各国政府的重视。美国国家宇航局（NASA）成立了机械故障预防小组（MFPG），英国成立了机器保健中心（MHMC），这些机构专门从事故障机理、检测、诊断和预报的技术研究，以及可靠性分析及耐久性评价，至此大型旋转机械的状态监测与故障诊断技术开始进入实用化阶段。20世纪80年代，以微型计算机为核心的现代故障诊断技术得到了迅速发展，涌现出许多商业化得计算机辅助监测和故障诊断系统，如美国SCIENTIFIC公司的PM系统、我国研制的大型旋转机械计算机状态检测与故障诊断系统等。在这一阶段，由于传感技术的飞速发展，使得诊断可以利用振动、噪声、温度、力、电、磁、光、射线等多种信号作为信息源，从而发展了振动诊断技术、声发射诊断技术、光谱诊断技术和热成像监测诊断技术等。与此同时，信号处理技术和模式识别、模糊数学、灰色系统理论等新的信息处理方法迅速发展，并在故障诊断技术中得到应用。 结构损伤诊断技术方面的工作在国外大体分为三个发展阶段： （1）20世纪40年代到50年代为探索阶段，注重对建筑结构缺陷原因的分析和补修方法的研究，检测工作大多数以目测方法为主。 ?湿热条件下，水分子在树脂基体中的扩散，并沿纤维-基体界面通过毛细作用以及在孔隙、 微裂纹和界面脱粘等缺陷中聚集。 ?吸湿的水分使基体大分子结构间距增大，刚性基团的活性增加，基体发生溶胀，进而产 生增塑。 ?水进一步向基体扩散，由此产生渗透压使基体内部产生裂纹、微小裂缝或其他类型的形 态变化，使吸湿量增加。 ?水助长裂纹的扩展，使基体破裂，基体水解导致断链和解交联，造成材料的永久性破坏。 ?碳纤维的抗湿热性好，玻璃纤维次之，芳纶较差。 ?湿热老化对复合材料存在两方面影响：1）水分对基体化学键有一定的作用；2）热的作 用包括加速水分子扩散和提高基体的固化度。 ?湿、热两种作用对复合材料结构有促进和抵消两种效果，使复合材料性能变化较单纯热 或湿作用更为复杂。 ?湿热环境不仅会降低纤维的抗腐蚀阻力，在比较高的环境温度下还会使基体的玻璃化转 变温度降低，并降低其强度和刚度。 ?常温下复合材料的吸湿较慢，因此需要采用一定的手段加速吸湿过程。升温加速老化是 湿热老化中常用的一种方法。 ?湿热环境对复合材料的影响是湿度和温度协同作用的结果。升高温度可以加快水的吸收， 增加材料的平衡吸湿量并缩短平衡时间。 ?同时，高温下水对基体、界面等的影响也更为显著。因此，升高温度是加速老化的途径 之一。 腐蚀性介质 ?在腐蚀环境作用下，可能会引起下列影响：树脂基体的腐蚀；增强材料的腐蚀、界面的 腐蚀和应力腐蚀及腐蚀疲劳。 对力学性能的影响 ?1）复合材料对腐蚀性流体（燃油、液压油、防冻液等）不敏感，可以不考虑。 ?2）紫外线辐射引起损伤是一个非常缓慢的过程，只要结构表面的防护涂层完好，可以不 计此类损伤。 ?3）风化、砂蚀和雨蚀引起损伤是一个很缓慢的过程，只要在结构表面喷涂防雨防护漆， 就可克服它们的影响。 控制环境介质对复合材料的腐蚀，主要有两条原则： ?一是要提高材料自身的耐蚀性。如提高结晶度、取向度、交联密度等措施，提高基体的 紧密性，使介质的扩散系数、渗透系数下降；或使用表面处理剂，增强树脂与纤维的粘接强度，减少界面间隙，提高抗渗透能力。 ?二是要使用防护层。在复合材料表面进行防护整饰，避免受到环境的直接作用以达到提 高抗蚀性能的目的。 玻璃纤维材料的修复 -----------------------------------------------------------------------------------------其他行业的玻璃纤维修复 1.汽车保险杠是玻璃钢的，损坏了只能用玻璃纤维和树脂来修补，首先你需要买树脂和玻璃纤维毡，这些卖玻璃钢产品的门市都有的，树脂论公斤卖的，叫他们给你配好了，因为其实它有三种材料：树脂、催干剂和固化剂，问清楚怎么用？因为都是化学材料，三者放在一起会起化学反应，放热的，量大的话还会爆炸的，所以要注意安全，不要被烫到了，不要被溅到眼睛里；玻璃纤维布注意最好买毡，因为毡是丝状的，可以一根根抽出来，便于修复修平汽车保险杠表面。两者都买好了，开始修理了：拿个容器另外装树脂，少装些，别一次倒完了，然后再放几滴固化剂，注意搅拌均匀，固化剂可以少放，因为他起固化作用，少放固化慢一些就是了，放多了几分钟就完全固化了，你还没来的及修补呢！用个毛刷刷到到损坏的地方，然后贴些玻璃纤维毡，再刷些树脂上去，刷一次贴一次就可以了！干了以后打磨表面，最后喷漆就可以了！做玻璃这行看起来简单，其实也是技术活，要熟练才刷的平，没有空隙才行！液体是不饱和聚酯树脂【型号一般时191和196】但是要加固化剂和促进剂【俗称红水和白水】比例根据温度而不同，调和后要在规定时间内糊完，否则就会固化 2.买玻璃丝布，环氧树脂，固化剂和柔软剂，先把破口处理一下，再刷环氧树脂混合液，后铺玻璃丝布，这样做三脂两布，固化后，打磨平整。 玻璃钢（FRP）亦称作GFRP，即纤维强化塑料，一般指用玻璃纤维增强不饱和聚酯、环氧树脂与酚醛树脂基体。以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料，称谓为玻璃纤维增强塑料，或称谓玻璃钢，注意与钢化玻璃区别开来。由于所使用的树脂品种不同，因此有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢之称。质轻而硬，不导电，性能稳定.机械强度高，回收利用少，耐腐蚀。可以代替钢材制造机器零件和汽车、船舶外壳等。 3.树脂和纤维都是玻璃钢的原材料，在混合固化剂和促进剂、在一定温度作用下，粘有树脂的玻璃纤维，因树脂的固化而被粘合在一起，就形成了玻璃钢材质。玻璃钢具有高强、轻质、耐腐蚀的特点，属于复合材料，也就是集合了多种材料的优点而制作出的一种材料。玻璃钢有狭义范畴和广义范畴的说法，狭义就是指玻璃纤维和树脂制作而成的，而广义的玻璃钢，还包括树脂和其它纤维制作成的复合材料，比如碳纤维玻璃钢（比如多数钓鱼竿）、涤纶纤维玻璃钢等等。 4.玻璃钢开裂怎么办 沿着裂缝周围用粗砂纸磨成粗糙，后用树脂和玻璃钢纤维补上 那如果非要修的话，也不是没有办法。树脂选用好点的，一般的也行，还有促进剂、固化剂、优质玻璃纤维布。粉子就不要放了。现在是秋季，温度低，所以固化剂要比夏天时多放，至于精确的比例，我随便估摸一下应该是：固化剂、促进剂、树脂；1：1.5：8 配合玻璃纤维缠在管道上，要让配好的玻璃钢迅速的涂在玻璃纤维布上，要让玻璃钢把玻璃纤维布充分浸透，等待玻璃钢充分固化后，再反复做上几层。就会结实了 航空复合材料结构修理方法 --------------------------------------------------------------------------------------适用于整流罩和玻璃纤维蒙皮1. 1复合材料的缺陷/ 损伤与修理容限 第二章压电复合材料有限元分析方法 2.1 1—3型压电复合材料常用的研究方法 第一、理论研究，包括利用细观力学和仿真软件进行数值分析的方法。人们对1-3型压电复合材料宏观等效特征参数进行研究时，从不同角度出发采用了形式多样的模型和理论，其中夹杂理论和均匀场理论具有代表性。夹杂理论的思想是，从细观力学出发，将1-3形压电复合材料的代表性体积单元（胞体）作为夹杂处理。求解过程中，使用的最著名的两个模型为：Dilute模型和Mori-Tanaka模型。夹杂理论的优点是其解析解能较好地反映材料的真实状况，解精度较高；缺点是其解题和计算过程烦琐，有时方程只能用数值方法求解。均匀场理论的思想是基于均匀场理论和混合定律，同时借助1-3型压电复合材料的细观力学模型导出其宏观等效特征参数。其基本的研究思路是：假设组成复合材料的每一相中力场和电场均匀分布，结合材料的本构方程得到1-3型压电复合材料的等效特征参数。Smith，Auld采用此理论研究了1-3型压电柱复合材料的弹性常数、电场、密度等等效特征参数。Gordon，John采用此理论研究了机电耦合系数、耗损因子、电学品质因子等等效特征参数。Bent, Hagood和Yoshikawa等基于此理论对交叉指形电极压电元件等效特征参数进行了研究。均匀场理论优点在于物理模型简单，物理概念清晰，计算也不复杂，并具有相当的精度和可靠性；不足在于其假设妨碍了两相分界面上的协调性。有限元作为一种广泛应用于解决实际问题的数值分析方法，将其引入压电复合材料研究中具有重要的意义。John，Gordon等用有限元方法分析了1-3型压电柱复合材料中压电柱为方形柱、圆形柱、二棱柱时的力电耦合系数及其波速特性，得到了压电柱在几何界面不同的情况下的等效力电耦合系数及等效波速曲线。 第二、实验研究。Helen，Gordon等对1-3型压电复合材料的宏观等效特征参数进行了理论和实验研究，结果表明两者符合良好；LVBT等运用了1-3型压电复合材料进行了声学方面的控制取得了良好的效果；John，Bent等对压电纤维复合材料的性能进行了深入的研究，结果显示压电纤维复合材料在高电场、大外载荷环境下具有优良的传感和作动性能。参数辨识研究是试验研究中重要的一种方法，基本思路是：分析1-3型压电纤维复合材料的响应特性，从中得到其等效宏观的模态和弹性波的传播特性参数。Guraja，Walter等采用的就是这种方法，他们研究了1-3型压电纤维复合材料薄板、厚板、变截面板的响应特性，得到了其相应的声波传播速度c，频率f,机械品质因素Q等参数的表达式，为1-3型压电纤维复合材料在超声波方面的应用提供了依据。 综合对比以上的研究方法，夹杂理论得出的结果比较接近实际结果，但是计算烦琐，而且对于高体积百分比的复合材料其计算结果跟实际相差较大；均匀场理论计算较为简单，但是模糊了两相材料之间的界面作用；实验研究方法是最接近实际的一种方法，但是由于实验条件、测试技术等一系列因素的制约使其不能广泛应用十实际中。由于交叉指形电极压电复合材料的复杂性，利用上面提到的夹杂理论和均匀场理论的方法，很难得到压电元件整体模型的性能状况。而数值研究有限元法，利用先进的分析软件ANSYS进行压电复合材料性能分析，可以超越目前现有的生产工艺和测试技术水平得到比较准确的分析结果，又可以减小压电元件的设计周期，减少实验制作压电元件的材料浪费和设备损耗。 2.2 有限元分析方法概述 有限元法（又称为有限单元法或有限元素法）是利用计算机进行数值模拟分析的方法。诞生于20世纪50年代初，最初只应用于力学领域中，现在广泛应用于结构、热、流体、电磁、声学等学科的设计分析及优化，有限元计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的 一、立项依据与研究内容： 1.立项依据： 1.1 研究意义与目的 近几十年以来，随着科学技术的迅速发展，对材料的性能提出了更高的要求。当前高技术材料一般分为:高技术陶瓷、高技术聚合物和复合材料三种类型。由于复合材料可以根据工程结构对性能的要求来进行设计，其发展速度和规模在近几年尤为迅猛。一些先进的复合材料己经在航空、航天、机电、化工、能源、交通运输以及生物、医疗器械等领域中得到了广泛的应用。可以说复合材料已经深入到了我们生活的方方面面。 在航空领域，由于飞机结构设计和材料性能要求的不断提高，复合材料在飞机上的比例不断增加。目前，波音B 787代表了当前飞机技术发展的最高水平，其基本特点之一为采用复合材料主结构，其中复合材料的用量为50%（如图1所示）。[陈绍杰, 复合材料技术与大型飞机. 航空学报, 2008. 29(3): p. 605-610]先进战斗机上复合材料用量基本上在飞机机体结构重量的30%左右，图2为国外新一代军用飞机上复合材料的用量。在航天方面，复合材料也被广泛用于火箭发动机壳体、航天飞机的构件、卫星构件等。固体火箭发动机喷管的工作温度高达3000~3500℃，为了提高效率还要在推进剂中掺入固体粒子，发动机喷管的工作环境是高温、复合材料能承受这种工作环境:化学腐蚀、固体粒子高速冲刷，因此固体火箭目前只要碳/碳人造卫星每减轻Ikg，运载火箭可以减轻1000kg，因此用复合材料制造的卫星有很大的优势。此外，复合材料还被广泛用于化学工业、电气工业、建筑工业、机械工业、体育用品等多个方面。我国从上世纪七十年代就开始了先进复合材料方面的研究工作，到八十年代时，我国已将复合材料应用技术列入重点发展领域，通过三十多年的发展，我国航空复合材料技术应用水平己有了大幅度的提高。目前我国军用飞机上复合材料用量已达到6%以上，已基本实现从次承力构件(如垂直安定面、水平尾翼、方向舵、前机身等)到主承力构件(如机翼、直升机旋翼等)的转变[王慧杰等.我国航空复合材料技术发展展望.第九界全国复合材料学术会议论文集，1996:l-6]。 复合材料的发展和应用(1) 全球复合材料发展概况 复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。 随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济不景气，发展较为缓慢，但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商PPG公司统计，20XX年欧洲的复 合材料全球占有率约为32%，年产量约200万吨。与此同时，美国复合材料在20世纪90年代年均增长率约为美国GDP增长率的2倍，达到4%~6%。20XX年，美国复合材料的年产量达170万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关，各国的占有率变化很大。总体而言，亚洲的复合材料仍将继续增长，20XX年的总产量约为145万吨，预计20XX年总产量将达180万吨。 从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。20XX年美国汽车零件的复合材料用量达万吨，欧洲汽车复合材料用量到20XX年估计可达万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在20XX年的用量达万吨，汽车等领域的用量仅为万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如， 金属基复合材料界面的研究进展及发展趋 势 周奎 （佳木斯大学材料科学与工程学院佳木斯 154007）摘要本文介绍了目前金属基复合材料界面的研究现状，存在的问题及优化的有效途径。重点阐述了金属基复合材料在各个领域的应用情况。最后在综述金属基复合材料界面的研究进展与应用现状的基础上,对学者未来研究呈现的趋势进行了简述并对其发展趋势进行了展望。 关键词金属基复合材料界面特性应用发展趋势 The research progress of metal matrix composites interface and development trend ZHOU Kui (jiamusi university school of materials science and engineering jiamusi 154007) Abstract：Interface of metal matrix composites are introduced in this paper the current research status, existing problems and the effective ways to optimize. Expounds the metal matrix composites and its application in various fields. Finally in this paper the research progress and application of metal matrix composites interface status quo, on the basis of research for scholars in the future the trend of the present carried on the description and its development trend is prospected. Keywords: metal matrix composites application Interface features the development trend 1前言 金属基复合材料(MMCS)是以金属、合金或金属间化合物为基体,含有增强成分的复合材料。 研究金属基复合新材料是当代新材料技术领域中的重要内容之一。金属基复合材料的品种繁多,有碳(石墨)、硼、碳化硅、氧化铝等高性能连续纤维增强铝基、镁基、钦基等复合材料,碳化硅晶须、碳化硅、氧化铝颗粒、氧化铝短纤维增强铝基、镁基复合材料,以及牡钨丝增强超合金等高温金属基复合材料等.但它们的发展和应用并不迅速。主要原因是存在界面问题,制备方法较复杂,成本高。学者们在金属基复合材料的有效制备方法、金属基体与增强体之间的界面反应规律、控制界面反应的途径、界面结构、性能对材料性能的影响、界面结构与制备工艺过程的关系等进行了大量的研究工作,取得了许多重要成果,推动了金属基复合材料的发展和应用。但随着金属基复合材料要求的使用性能和制备技术的发展,界面问题仍然是金属基复合材料研究发展中的重要研究方向。特别是界面精细结构及性质、界面优化设计、界面反应的控制以及界面对性能的影响规律等。尚需结合材料类型、使用性能要求深入研究。 复合材料断裂分析的特殊方法 复合材料具有热稳定性好、比强度、比刚度高的特点，因此被广泛应用于航空航天、建筑、汽车等领域。由于裂纹和夹杂的存在，复合材料常常会不同程度地断裂破坏，这会极大地影响其服役寿命。研究复合材料断裂失效问题的方法有解析方法、实验方法及数值方法。解析法仅适用于具有特殊几何边界和加载条件的问题，难以解决具有复杂边界和加载条件的问题。实验方法由于代价高也难于被广泛应用。常用的数值方法在模拟裂纹或夹杂等不连续问题时需进行网格重构。因此，发展新的数值方法来研究复合材料的断裂与损伤具有重要的理论与现实意义。 扩展有限元法是一种新兴的分析裂纹等不连续问题的数值方法，该方法继承了传统有限元法的优点，克服了其分析裂纹问题中网格划分繁琐的缺点。相对于各向同性弹性材料断裂，扩展有限元在正交各向异性热弹性材料断裂方面的研究要少得多，因此，研究正交各向异性热弹性断裂扩展有限元分析方法具有非常重要的应用价值，基于此，本文主要应用发展扩展有限元法(extended finite element method，XFEM)研究含裂纹夹杂各向同性、正交各向异性复合材料的断裂失效问题，把正交异性热弹性裂尖加强函数应用于正交异性热弹性断裂问题中，并把热弹性各向同性裂尖加强函数应用于热弹性各向同性裂纹夹杂相互作用问题中，主要内容包括： 1.给出了各向同性及正交异性交互积分的表达式，并在正交异性交互积分的基础上，通过引入热积分项，推导了正交异性热弹性交互积分的表达式，并对交互积分做了两点改进：增加了与温度变化有关的项，把各向同性弹性交互积分推广到正交异性热弹性交互积分。 2.在经典的各向同性扩展有限元的基础上，把各向同性材料弹性问题的扩展有限元法推广到正交异性材料热弹性问题分析，研究了热载荷作用下含单裂纹正交异性复合材料板断裂分析的扩展有限元法，分析了不同材料主轴、网格细度、高斯积分、裂尖加强函数及J积分 复合材料的分层缺陷 引言 目前被广泛用于飞机承力构件的纤维增强树脂基复合材料（CFRP）主要是层合板与层合结构。在层合板的制造过程中，常由于许多不确定的因素，使复合材料结构发生分层、孔隙、气孔等等不同形式的缺陷；同时，复合材料层合板在装配与服役过程中所受到低能冲击很容易引发各种形式的损伤。由于增强纤维铺设方向的不一致常导致铺层间刚度的不匹配，引发较高的层间应力，而层间应力的主要传递介质是较弱的树脂基体，因此对于复合材料层合板，分层是其主要的损伤形式。有报导统计，复合材料层合板在加工、装配和使用过程中产生的分层损伤，占缺陷件的50%以上[1]。 分层常存在于结构内部，无法根据表面状态检测出来，并且分层的存在极大地降低了结构的刚度，特别在压缩载荷作用下，由于发生局部屈曲而导致分层扩展，使结构在低于其压缩强度时发生破坏。在飞机研制与制造过程中，复合材料层合板的分层损伤问题一直是难以解决的结构问题之一，也是影响CFRP 在结构组分中应用的主要限制因素。因此，如何充分地结合试验测试，利用数值模拟的方法评估分层的许和容限，成为决定飞机结构综合性能的亟待解决的关键问题。 1.1分层产生的原因 Pagano 和Schoeppner [2] 根据复合材料构件的形状，将分层产生的原因分为两类。第一类为曲率构件，工程中常见的曲率构件包括扇形体、管状结构、圆柱形结构、球形结构和压力容器等；第二类为变厚度截面，工程中常见于薄层板与补强件连接区域、自由边界处、粘合连接处及螺栓接合处等。在上述结构件中， 临近的两铺层极易在法向和剪切向应力作用下发生脱胶和形成层间裂纹。 以外，温湿效应、层板制备和服役状态等亦是分层产生的原因。由于纤维与树脂的热膨胀系数以及吸湿率均存在差异，因此，不同铺层易在固化过程产生不同程度的收缩并在吸收湿气后产生不同程度的膨胀，不同程度的收缩与膨胀所产生的剩余压力是导致分层的源头之一[3，4] 。在层合板的制备过程中，由于手工铺设质量具有分散性，极易形成富树脂区，进而引发树脂固化时铺层间的收缩程度差异，使层间具有较低的力学特性，极易形成分层[5，6] 。在服役过程中，低速冲击所产生的横向集中力是层合板结构形成分层的重要原因之一。冲击引发的临近铺层间的内部损伤、层合板制造过程中工具的掉落、复合材料部件的组装及维修以及军用飞机及结构的弹道冲击等均会引发层间分层。 1.2 分层的种类 Bolotin [5，6] 将分层分为内部分层（Internal delaminations）和浅表分层（Near-surface delaminations）两类。其中，内部分层源自层合板的内部铺层，由于树脂裂纹和铺层界面间相互作用而形成，它的存在会降低结构件的承载能力。特别是在压缩载荷作用下，层合板的弯曲行为受到严重影响（如图1）。虽然分层将层合板分为两个部分，但是由于两个子层板变形间的相互作用，层合板呈现相似的偏转状态，发生整体屈曲。复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究
ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用
复合材料损伤研究现状
复合材料可靠性
复合材料修复资料
第二章 压电复合材料有限元分析方法 (恢复)
复合材料损伤机理整理_final
复合材料的发展和应用(1)
金属基复合材料的研究进展及发展趋势
复合材料断裂分析的特殊方法
复合材料的分层缺陷