考虑曲线铺丝工艺因素的变刚度层合板的失效机理与优化模型研究
项目介绍
AI项目解读
基本信息
- 批准号:11902124
- 项目类别:青年科学基金项目
- 资助金额:26.0万
- 负责人:
- 依托单位:
- 学科分类:A0807.复合材料与结构力学
- 结题年份:2022
- 批准年份:2019
- 项目状态:已结题
- 起止时间:2020-01-01 至2022-12-31
- 项目参与者:--
- 关键词:
项目摘要
Variable-stiffness laminates with curvilinear tows have a strong advantage in designability. The mechanical properties of variable-stiffness laminates can be improved significantly compared with traditional ones. Nevertheless, if the effects of manufacturing factors are not fully considered, the designed variable-stiffness laminates will be likely to lack manufacturability, or the performance improvement may be less than expected. In particular, the design level of variable-stiffness laminates cannot be further improved since the effects of manufacturing factors on the failure mechanism of variable-stiffness laminates are not fully understood, and there is no accurate and reliable failure prediction method yet. The project intends to first study the failure mechanism of variable-stiffness laminates. A high-precision finite element analysis model and a progressive failure analysis method will be established, considering the manufacturing factors of variable-stiffness laminates. The effects of manufacturing factors on failure will be studied through the parametric analysis. Then a fast and reliable layup optimization model based on genetic algorithm and surrogate model will be proposed, aiming at maximizing the initial failure load of variable-stiffness laminates and taking the manufacturing limits as constraint conditions. Finally, the effectiveness of the failure analysis and optimization design methods will be verified by conducting comparative experiments of variable-stiffness and traditional laminates under static tensile and compressive loading conditions.
曲线铺丝的变刚度层合板具有极强的可设计性,其力学性能较直线铺丝的常规层合板有明显提高。但如果在设计时未充分考虑曲线铺丝的工艺因素,就容易导致变刚度层合板的可制造性不足或性能提升效果不及预期。特别是由于制造工艺因素对变刚度层合板失效机理的影响尚不明确,且缺乏准确可靠的失效预测方法,因此阻碍了变刚度层合板设计水平的进一步提高。本项目拟首先开展变刚度层合板的失效机理研究,建立考虑制造工艺因素的变刚度层合板的高精度有限元模型和渐进失效分析方法,并通过参数化分析研究各制造工艺因素对失效的影响。然后以最大化变刚度层合板的初始失效载荷为设计目标,以制造工艺限制为约束条件,采用遗传算法和代理模型技术建立一种快速可靠的变刚度层合板铺层优化模型。最后进行静力拉伸和压缩载荷下变刚度层合板与常规层合板的对比试验,以验证变刚度层合板失效分析和优化设计方法的有效性。
结项摘要
复合材料的可设计性是其与金属材料最重要的区别之一。传统复合材料层合板的纤维都是直线铺放的,取向一般为0°、90°和±45°,因此不能充分发挥复合材料的方向特性。随着自动铺丝技术的日益成熟和发展,目前已可以实现纤维的曲线铺放。曲线铺丝复合材料层合板的面内刚度可以随着纤维铺放路径的改变而改变,从而优化载荷分布情况,达到减轻结构重量、提高承载效率的目的。本项目开展了变刚度层合板的失效机理与优化模型研究,建立了变刚度层合板的高精度有限元失效预测模型,提出了考虑曲线铺丝工艺因素的变刚度层合板铺层快速优化方法。在此基础上,设计并制造了两种不同铺层的变刚度层合板及基准常规复合材料层合板试验件,通过试验验证了变刚度层合板失效分析和优化设计方法的有效性,结合仿真和试验阐明了变刚度层合板的失效机理。试验结果表明,变刚度层合板的最终失效载荷较常规层合板提高了70%以上,有限元仿真分析结果与试验结果基本一致。
项目成果
期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
A theoretical and experimental assessment of 3D macroscopic failure criteria for predicting pure inter-fiber fracture of transversely isotropic UD composites
用于预测横向各向同性 UD 复合材料纯纤维间断裂的 3D 宏观失效准则的理论和实验评估
- DOI:10.1016/j.compstruct.2020.113466
- 发表时间:2021-03-01
- 期刊:COMPOSITE STRUCTURES
- 影响因子:6.3
- 作者:Gu, Jiefei;Chen, Puhui;Li, Ke
- 通讯作者:Li, Ke
Experimental investigation on the buckling and post-buckling behavior of variable stiffness laminates
变刚度层合板屈曲及屈曲后行为的实验研究
- DOI:10.1016/j.tws.2022.110450
- 发表时间:2023-03
- 期刊:Thin-Walled Structures
- 影响因子:6.4
- 作者:Yahui Zhang;Bin Kong;Jiefei Gu;Puhui Chen;Binwen Wang
- 通讯作者:Binwen Wang
Modified nonlinear Mohr–Coulomb fracture criteria for isotropic materials and transversely isotropic UD composites
各向同性材料和横向各向同性 UD 复合材料的修正非线性莫尔库仑断裂准则
- DOI:10.1016/j.mechmat.2020.103649
- 发表时间:2020-10
- 期刊:Mechanics of Materials
- 影响因子:3.9
- 作者:Jiefei Gu;Ke Li;Lei Su
- 通讯作者:Lei Su
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