复合材料损伤阻抗和损伤容限的性能表征

复合材料结构的设计要求和使用经验提出了复合材料体系损伤阻抗和损伤容限性能表征的需求。在试验研究的基础上 ,本文作者指出长期以来一直使用的CAI (冲击后压缩强度 )的物理意义比较含混 ,有时可能误导材料研究和设计选材 ,同时提出应分别用典型层压板静压痕力 凹坑深度曲线的最大压痕力Fmax来表征损伤阻抗性能 ,用凹坑深度 压缩破坏应变曲线门槛值CAIT (CompressionfailurestrainAfterImpactThreshold)来表征损伤容限性能 。

复合材料飞机结构强度新规范要点评述

基于过去20多年参与复合材料结构设计的经验教训和美国最新的军用飞机设计规范,阐述了中国复合材料结构强度设计和验证要点及与金属结构的差别。其要点为:以承认性能表征多样性和材料与结构同时形成为基础的材料和工艺要求;以承认初始缺陷/损伤对结构静强度有影响为基础的设计许用值确定方法;以需要特别考虑湿热环境影响为特点的静强度设计和验证;以承认静力覆盖疲劳和考虑冲击损伤阻抗为特点的耐久性设计和验证;以冲击损伤及损伤无扩展为基础的损伤容限设计和验证;以全尺寸部件和由试样、元件(包括典型结构件)、组合件组成的多层次积木式设计验证方法相结合为基础的结构验证试验。

复合材料抗冲击性能和结构压缩设计许用值

从复合材料结构压缩设计许用值的概念和复合材料的冲击后压缩强度性能出发,讨论按NASA标准得到的CAI值与它们的关系,指出传统的CAI值不能充分反映复合材料体系的抗冲击性能,且与结构压缩设计许用值无任何联系。在对复合材料结构完整性要求和作者的试验研究,和对国外文献总结的基础上,提出复合材料抗冲击性能应包括损伤阻抗和损伤容限两方面。大量的试验数据证实复合材料层压板抗冲击性能存在拐点现象,在对拐点附近复合材料层压板的破坏机理研究基础上,建议用拐点附近的性能建立复合材料层压板抗冲击性能的评定体系,即可以用表面层在冲击下保持其完整性的最大能力(最大接触力)来表征复合材料体系的损伤阻抗(韧性);用出现拐点后基本不变的压缩强度(破坏应变)门槛值来表征复合材料体系的损伤容限。

复合材料层压板抗冲击行为及表征方法的实验研究

对14种复合材料体系约800个试样进行了冲击阻抗和含损伤层压板压缩强度试验研究,研究发现对于同一种复合材料层压板的冲击能量-凹坑深度曲线和凹坑深度-压缩破坏应变曲线均存在拐点,在出现拐点后内部的分层损伤叠加面积基本不再增加,压缩剩余强度基本不再降低,表面冲击部位开始出现纤维断裂。研究表明,采用传统CAI来表征损伤容限性能的方法可能得到与实际结构损伤容限特性相反的结论。因此,提出了利用拐点附近特性来表征复合材料层压板的抗冲击行为(包括损伤阻抗和损伤容限)的建议,即分别采用QSI方法得到的准各向同性层压板的最大接触力Fmax和压缩破坏强度(应变)的门槛值CAIT来表征复合材料层压板的损伤阻抗和损伤容限行为。

飞机结构用复合材料的力学性能要求

本文从飞机结构完整性要求出发提出了对聚合物基复合材料性能的具体要求,特别是在湿热和抗冲击性能方面的要求。为了降低全尺寸结构静强度验证中对湿热环境影响考虑的技术难度,建议提高对湿态玻璃化转变温度的要求;为了满足含冲击损伤(通常用一定深度的凹坑来描述)结构的剩余强度要求,适用于飞机主结构的复合材料体系应当是用静压痕试验得到易于产生表面凹坑同时损伤面积较小的材料体系。

机翼结构用复合材料的力学性能要求

本文试图从机翼结构的结构完整性要求和复合材料抗冲击性能与压缩设计许用值的关系出发,探讨适用于机翼结构的复合材料力学性能要求,以及对碳纤维和树脂性能的相应要求。

碳纤维复合材料在飞机结构中的应用

回顾了40年来碳纤维复合材料在飞机结构中的应用发展过程,从成本角度分析了影响其在飞机结构中扩大应用的障碍和现状,指出以碳纤维复合材料在空客A380、A350和波音787飞机中的大范围应用为代表,碳纤维复合材料技术已克服了成本障碍,为今后在更多领域高性能结构的大范围应用提供了可能,进入了大规模工业应用的新纪元。根据飞机结构使用碳纤维复合材料的经验教训,针对国内碳纤维发展现状,指出为扩大国产碳纤维在飞机及其他高性能结构中的应用,碳纤维生产企业应努力的方向:首先是保证产品质量的稳定性和可靠性,制订符合国际规范的材料标准和验收方法;其二应注重对碳纤维下游产品,即复合材料及其结构研制与评定,碳纤维是否能用于飞机结构,其主要依据是碳纤维对复合材料结构制造的适用性和相应的性能指标;同时应注意对复合材料结构设计技术的普及和人才培养。最后根据飞机结构完整性的要求,提出了对第二代碳纤维力学性能指标的某些建议。

复合材料层合板准静态压痕实验研究

采用准静态压痕(QSI)实验方法针对多种材料对集中准静态压痕力的损伤阻抗进行了测试。选取2个特征载荷下的试样进行了超声C扫描探伤和扫描电镜(SEM)显微观察,分析了QSI实验中层合板的损伤过程,针对初始分层接触力f1和最大接触力f2对材料的损伤阻抗特性进行了分析。测试了2种材料体系层压板的最大接触力,发现该值具有较好的可重复性。研究了测试条件(试样尺寸和支持条件)和材料特性(不同纤维、基体种类和铺层方式)对最大接触力的影响。实验结果表明,试样尺寸和支持条件对最大接触力的影响较小,在必要时可以采用非标试样测试最大接触力,而最大接触力与树脂基体、纤维特性及铺层方式都有关,最大接触力对应的凹坑深度d2主要由纤维强度和延伸率决定,树脂特性对d2有影响但影响程度较小。

炭纤维增强树脂基复合材料层合板低速冲击性能实验研究

对3种炭纤维增强树脂基复合材料(T300/NY9200Z、T300/QY8911和T700S/5228)层合板进行了落锤冲击实验,并对冲击后试样进行了冲击后压缩性能测试。通过对凹坑深度-单位厚度冲击能量(d-e)曲线,损伤面积-凹坑深度(S-d)曲线和冲击后压缩破坏应变-凹坑深度(-εd)曲线的对比分析,讨论了这3种复合材料层合板的低速冲击性能(即损伤阻抗和损伤容限)。利用热揭层技术对拐点前后的复合材料损伤状态进行了观察,对损伤机制进行了讨论。实验结果表明,在3种材料的d-e曲线,S-d曲线和-εd曲线上均存在对应的拐点,该拐点同时也是不同损伤形式的转变点。凹坑深度在小于拐点时,损伤形式以基体裂纹和分层损伤为主,凹坑深度大于拐点时,分层损伤基本不再扩展,损伤的发展主要以纤维断裂的扩展为主。

复合材料层压板冲击后压缩剩余强度的统计分析与可靠性评估

通过对T300/5405复合材料层压板的冲击后压缩强度试验数据的统计分析,指出冲击后压缩剩余强度符合Weibull分布。在此基础上,通过引入冲击威胁的概念,对T300/5405复合材料层压板进行了冲击损伤容限可靠性分析。研究表明,通过在可靠性分析中引入了冲击威胁的概念,可以较充分地发挥复合材料层压板的损伤容限性能。

准静态压痕力作用下复合材料层压板的损伤阻抗分析

建立了一种复合材料层压板在准静态压痕力作用下的损伤阻抗的预测方法。首先分别针对基体破坏、分层、纤维断裂等失效模式引入相应的失效变量,并建立不同失效模式下的刚度折减方法,然后采用基于应变描述的Hashin和Yeh失效准则并结合有限元方法,对复合材料层压板在准静态压痕力作用下的破坏过程进行渐进损伤分析,在此基础上进一步预测了层压板的损伤阻抗。采用商用有限元软件ABAQUS/Standard的UMAT用户子程序实现数值模拟。计算结果表明,分层起始与扩展是导致载荷-位移曲线发生第1次卸载的主要原因,当接触力达到其最大值时出现较明显的纤维断裂。分层起始载荷和最大接触力的预测结果与实验数据吻合良好。

在役航空复合材料结构的无损检测技术

复合材料结构在飞机结构中的应用比例越来越高,应用量的增加带来了应用中损伤的增加。既要保证飞机的出勤率,又要保证飞机的飞行安全。这意味着外场的无损检测时间不能太长,最好是在原位进行、不拆卸,检测速度还要快;检测的可靠性要有保证,超标缺陷不能漏检。

跨声速风扇叶片反扭影响因素研究

基于结构几何非线性大变形的静态分析和流场分析,使用叶片反扭设计的流固双向耦合的数值模拟方法,得到NASA Rotor67跨声速风扇叶片的冷态加工叶型。研究了材料、气动工况、转速对叶片静态变形和反扭设计参数的影响。结果表明:转速对叶片反扭的影响最显著,气动工况次之,材料的影响最弱;另外,这三种因素和叶片反扭的关系,与其和叶片静变形量的关系有较大相关性。

国产复合材料冲击损伤容限可靠性分析

论述了基于冲击威胁概念的复合材料结构冲击损伤容限可靠性分析方法。采用该方法对国产T300/5405和T300/QY8911复合材料层压板、加筋板以及国产T300S/9511、T800/9511和T300/9512层压板的冲击损伤容限可靠性进行了分析和评估。实例分析表明,由于所采用的方法考虑了冲击威胁分布,可以更好地发挥复合材料结构的冲击损伤容限性能。

以结构完整性为目标的安全性指标体系

在理解现行国军标和适航条例的基础上 ,给出保证结构完整性的安全性指标体系 。

复合材料力学性能表征标准化研究新进展

概述了聚合物基复合材料性能表征的特点,比较了国内外复合材料性能标准,分析了我国在这方面与国外的差距,并从引进国外最新技术、表达准则的编制与推广应用、力学性能测试和数据库等几方面分别简述了复合材料性能表征标准化研究的新进展。

复合材料冲击损伤阻抗性能的试验研究

通过对多种复合材料体系试样的冲击阻抗试验研究,发现对同一种复合材料层压板的冲击能量-凹坑深度曲线均存在拐点。其物理本质是在出现拐点后内部的分层损伤叠加面积基本上不再增加,其力学性能表现为压缩剩余强度基本上不再降低,其表观现象是表面冲击部位开始出现纤维断裂。

基于腔QED系统的量子相位门设计

提出一个基于腔QED系统实现量子相位门的设计方案.结果表明:在两个全同的二能级原子与光场相互作用过程中,借助经典场对原子实施Rabi翻转,控制原子射入腔场的速度v,选择原子与场相互作用参数l0,n和κ,可实现量子相位门.

原子的初态和耦合强度对量子系统纠缠度的影响

在两耦合二能级原子与单模光场相互作用系统中,利用部分转置矩阵负本征值方法,研究了原子初态及耦合强度对原子间纠缠度的影响.结果表明:两原子间纠缠呈现周期性振荡,随着原子初态θ增大,原子间纠缠时间变长,纠缠振幅也变大;随着两原子间的耦合强度增大,原子间纠缠的周期变大,次波变少.