平纹编织复合材料异形结构的多尺度分析研究

针对平纹编织复合材料的异形结构,研究了在铺层方向拉伸位移加载以及力加载两种工况下,采用刚度体积平均、一致应变边界条件两种计算均匀化方法所得多尺度计算结果的差异性,并将多尺度结果与精细化结果进行了对比。此外,还研究了异形区域划分数量对多尺度计算结果的影响。结果表明,在同一多尺度模型下,两种均匀化方法的σ_(y)应力分布趋势是一致的,并且均与精细化模型结果相吻合。其中位移加载下的多尺度结果与参考结果的mises及σ_(y)应力误差最大只有9.5%和3.3%,并且随着异形结构分区数量的增加,其误差值逐渐减小。而力加载下的结果误差值偏大,随分区数量的增加没有减小的趋势,并且一致应变边界条件的结果整体上大于刚度体积平均的结果。并且,多尺度模型的划分方式会破坏部分结构特征,并在一定程度上影响多尺度结果。

芳纶平纹编织复合材料平板弹道冲击特性及损伤分析

为了研究1000D629T/EPMOLD110芳纶平纹编织复合材料平板抗冲击行为及损伤特性,采用真空辅助树脂灌注成型技术(VARI)和树脂传递模塑成型技术(RTM)加工不同厚度的平板试验件,通过空气炮装置进行弹道冲击试验。同时,基于芳纶平纹编织复合材料基础力学性能试验数据,建立经验证的细观代表体积单元(RVE)模型,通过拟合确定宏观模型的材料本构参数;建立芳纶平纹编织复合材料平板弹道冲击宏观有限元模型,结合CT扫描结果进一步分析其弹道极限特性及损伤形貌等。结果表明:芳纶平纹编织复合材料平板在圆柱弹体冲击试验下的失效模式主要为纤维拉伸断裂、纤维脱出、面外剪切与层间分离等;随着平板厚度增加,其弹道极限相应增加,且与VARI工艺相比,采用RTM工艺可将芳纶平纹编织复合材料平板的抗冲击性能提升5%;芳纶平纹编织复合材料平板宏观模型的弹道冲击仿真结果与试验结果吻合较好,弹道极限误差在1%以内。

含缺陷C/C-SiC缎纹编织复合材料的压缩损伤及失效机制

为了研究含孔隙缺陷缎纹编织复合材料的压缩力学性能和失效机制,开展了含孔隙C/C-SiC缎纹编织复合材料的经向压缩实验;通过基于离散单元法的爆炸碎片算法来引入随机孔隙,建立了含孔隙缺陷缎纹编织复合材料的细观强度预测模型。基于该模型模拟了经向压缩载荷下细观模型的渐进失效过程,揭示了孔隙对损伤过程的影响规律,结合实验数据对渐进损伤过程和失效机制预测模型进行了验证。结果表明,在经向压缩载荷下材料主要破坏模式为剪切破坏和分层破坏,具体表现为三种形式:层间局部基体开裂、基体与经纱脱粘后分层,经纱整束断裂、部分断裂,以及纬纱脱粘与基体分离、纬纱开裂。同时数值模拟结果与实验值基本相同,验证了该含孔隙缺陷C/C-SiC缎纹编织复合材料模型的有效性,为二维编织复合材料的力学性能研究提供了一种有效方法。

平纹编织复合材料加筋壁板低速冲击及冲击后压缩性能多尺度分析

该文通过构建平纹编织复合材料(plain woven composites,PWC)的微/细/宏观多尺度模型,对复合材料T型和工型加筋壁板的低速冲击(low-velocity impact,LVI)和冲击后压缩(compression after impact,CAI)性能进行分析。根据PWC内部结构特征,构建微观和细观代表性体积单元(representative volume element,RVE)模型,通过施加不同的载荷条件,预测其等效力学参数。同时,基于局部均匀化方法,将细观RVE模型转化为包含0°和90°子胞的等效交叉层合板(equivalent cross-ply laminate,ECPL)胞元。通过ECPL胞元建立PWC加筋壁板的宏观分析模型,并进行LVI和CAI性能分析。首先进行了能量为8 J、10 J和12 J的LVI试验和多尺度模拟,研究了PWC加筋壁板在LVI载荷下的力学行为。随后,对不同能量冲击后的加筋壁板进行CAI试验和数值模拟,研究其冲击后压缩剩余力学性能和损伤行为。最后,通过对比分析不同能量冲击下的LVI和CAI试验和预测结果,发现多尺度模型对加筋壁板力学性能的预测误差均小于6%,验证了该多尺度模型的有效性。试验和预测结果表明,在CAI载荷作用下,PWC加筋壁板的蒙皮部分沿着冲击损伤的位置发生完全断裂,其中,纤维断裂和层间分层成为PWC加筋壁板的主要损伤形式。此外,工型加筋壁板表现出更好的抵抗压缩强度衰减能力。

三维编织复合材料细观结构建模关键问题研究

基于细观力学的数值分析方法是研究三维编织复合材料力学性能的有效方法,其中细观模型的建立是力学分析的基础。纤维束的空间走向和细观结构几何参数表征是细观结构建模中的两个关键问题。围绕这两个关键问题,针对三维四向编织复合材料的三单胞模型开展研究,全面分析了单胞45°划分方式和水平划分方式中纤维束的各种空间走向,获得了详细的三单胞的纤维束方向余弦;针对三种形状的纤维束横截面,分析推导了编织工艺参数与单胞几何参数的复杂关系,利用编织工艺参数作为初始参数对单胞结构进行定量化表征,并获得了纤维束体积分数和纱线填充系数的计算方法。研究工作为三维多向编织复合材料的细观结构建模提供理论参考,具有一定的工程实用价值。

碳纤维/芳纶纤维混杂三维编织复合材料制备与冲击性能的研究

混杂是提高复合材料力学性能的一种有效途径。本文通过对三维编织预制件纱线运动路径进行研究,提出了层内混杂和层间混杂三维编织复合材料的设计与制备方法。根据上述研究,制备了层内混杂三维编织复合材料,采用树脂共固化法制备了两层和四层层间混杂三维编织复合材料,并对三种混杂三维编织复合材料进行了低速冲击性能测试。结果表明,混杂方式是影响三维编织复合材料冲击性能的重要因素,在面内冲击和轴向冲击下,冲击性能由强至弱排序为层间混杂(4层)三维编织复合材料>层间混杂(2层)三维编织复合材料>层内混杂三维编织复合材料。本文的研究结果可为三维编织复合材料的性能优化提供一种有效可行的方式。

基于多尺度有限元法的2D编织复合材料力学性能分析

文中以多尺度有限元法为基础,建立了2D编织纤维纱线和编织结构的RVE(representative element volume)模型.通过施加周期性边界条件、6个方向拉伸剪切荷载计算编织复合材料和单向纤维复合材料的刚度矩阵.校核评估NASA经验公式与修正混合法则均匀化理论公式这两种单向纤维复合材料工程常数计算公式的准确度.通过对单向纤维复合材料和编织复合材料的工程常数计算结果的对比,总结同体积分数下两种类型复合材料弹性模量与剪切模量之间的等效关系,并依据均匀化理论、双层板假设,推导编织复合材料泊松比计算公式.以单向纤维复合材料工程常数计算公式预测2D编织复合材料工程常数的计算方法.

三维四向编织复合材料弹性模量数值预报

对三维四向编织复合材料的参数化建模技术进行了研究 ,提出了一种“米”字型枝状体胞的计算模型 ,较为真实地模拟了该材料的细观结构 ;在此基础上讨论了相应的边界条件和约束条件并应用有限元方法计算了该材料的纵向、横向弹性模量 .通过与实验结果的对比可见 。

三维编织复合材料力学行为研究进展

对三维编织复合材料的细观结构几何模型和力学性能的研究进展进行了综述。重点介绍近几年该领域的研究成果和作者的一些研究工作,其中包括三维编织复合材料力学性能的实验研究和理论研究。在理论研究方面,介绍了弹性应变能法、纤维倾斜模型、三细胞模型和有限元模型等工作。最后,对未来的研究趋势进行了展望。

三维五向编织复合材料导热性能的有限元分析

根据三维五向编织复合材料的细观结构模型,分别假设编织纱线和轴纱具有六边形和正方形横截面,建立了计算三维五向编织复合材料导热性能的有限元模型.采用有限元方法,设定合理的边界条件,计算了三维五向编织复合材料的横向和纵向热传导系数,并与三维四向编织复合材料的热传导系数进行了比较,分析了编织角和纤维体积含量对热传导系数的影响规律.此外,还确定了材料内部的温度、热梯度及热流量的分布,为材料热力耦合问题的分析奠定了基础.

2.5D编织复合材料细观结构及弹性性能

基于对2.5D编织复合材料细观结构的观察,提出了结构上更稳定的三维力学模型,反映了2.5D编织复合材料的结构。针对该模型,推导了纤维体积分数与几何参数之间的关系,并采用刚度平均法和有限元法预测了2.5D编织复合材料的等效力学性能,分析了弹性常数随纤维体积分数以及经密、纬密的变化规律。两种方法的预测结果均表明,倾斜角对弹性性能影响并不显著,但对材料内部的细观应力场有较大影响。理论预测与有限元结果吻合较好,从而验证了模型的有效性。

缝合连接三维编织复合材料拉伸性能试验研究

研究了多种缝合方向、搭接长度和缝合密度对缝合连接三维编织复合材料拉伸性能的影响，并与三维整体编织复合材料的拉伸性能进行对比。结果表明：缝合连接三维编织复合材料与三维整体编织复合材料相比，拉伸强度下降了25％～50％，初始模量下降了35％～55％；搭接长度对拉伸强度和模量的影响较大，拉伸性能随搭接长度的增加呈现先增大后减小的特征，当搭接长度与试件宽度的比值在2．5左右时，试件的拉伸性能较好，与未缝合的三维整体编织试件相比，仅下降了25％；相对而言，中密度缝合试件的拉伸性能最优；缝合方向对试件拉伸性能的影响不明显。

平面编织复合材料层合板低速冲击后的拉伸性能

对两种不同铺层形式的平面编织复合材料层合板低速冲击后拉伸性能进行了实验研究,在此基础上建立了有限元损伤扩展仿真模拟。在所建立的有限元模型中,将低速冲击损伤等效为形状规则的软化夹杂,并针对两种铺层形式采用不同的损伤判据和模量衰减准则。研究结果表明:该有限元模拟结果与实验结果符合,说明该模型能够准确地预测低速冲击后平面编织复合材料层合板的损伤扩展规律和剩余拉伸强度;不同铺层形式的平面编织复合材料层合板在低速冲击后拉伸的损伤扩展规律不同;它们的冲击后拉伸强度降均>50%,在复合材料结构设计中应该受到重视。

三维四向编织复合材料剪切性能的数值预报

应用三维四向编织复合材料的参数化建模技术 ,在“米”字型枝状体胞计算模型基础上 ,讨论了该材料在剪切变形中体胞的边界条件 ,较为真实地模拟了该材料的细观结构 ,进一步对该材料的剪切模量进行了数值预报 ;最后通过结果的分析 ,总结了剪切模量随不同编织角及纤维体积含量的变化关系。

三维五向碳/酚醛编织复合材料的拉伸性能及破坏机理

对不同编织角、不同体积含量的三维五向碳/酚醛编织复合材料进行了纵向(编织方向)拉伸实验和横向拉伸的对比实验,获得了这些编织复合材料的主要拉伸力学性能。实验后对拉伸试件的断口进行了照相和扫描电镜观察,分析了材料的变形及其破坏机理。实验结果表明:编织角仍是影响三维五向编织复合材料拉伸力学性能的主要因素,并且复合工艺的质量对复合材料的力学性能有重要影响。此外,发现三维五向碳/酚醛编织复合材料的横向拉伸与纵向拉伸具有完全不同的破坏机制。

三维编织复合材料的疲劳性能

研究了三维编织复合材料的疲劳性能和编织结构对疲劳性能的影响.进行了应力比为0.1、实验频率为10 Hz的拉-拉疲劳性能测试.结果表明,三维编织复合材料的疲劳强度约为其抗拉强度的60%～80%,比金属材料的疲劳强度的相对值高.编织角是影响三维编织结构复合材料疲劳性能的一个主要因素.随着编织角的增大,疲劳过程中易出现各种损伤,而且伴随明显的升温现象.编织角大的试件在疲劳实验过程中模量变化明显,并且呈现逐渐升高的趋势,这与金属材料的双模量变化规律不同.在疲劳次数为100万次后,试件的剩余强度高于静载拉伸强度,这主要是由于在疲劳测试过程中,试件内编织纱线的取向更接近受力方向所致.

三维四向编织复合材料有效性能的预报

根据三维四向编织复合材料中纤维束的空间几何结构特征,建立了比较合理的三胞模型。模型中考虑了3种单胞各自纤维束的空间结构和弯曲,同时引入纤维束填充因子来描述各类单胞中纤维束的不同截面形状对材料弹性常数的影响。基于刚度体平均方法,建立了相应的刚度预报模型,得到了三维四向编织复合材料的工程弹性常数。用细观力学方法分析了工艺参数和尺寸效应对材料有效性能的影响规律。不同尺寸试件的数值预报结果和实验结果吻合较好。

聚四氟乙烯自润滑编织复合材料关节轴承的摆动摩擦磨损性能研究

介绍了所研制的重载摩擦磨损试验机的工作原理及其性能特点 ,在摆动频率 5 .3min- 1 和摆角± 30°条件下测试了聚四氟乙烯 (PTFE)编织复合材料关节轴承承载力及摩擦的时间效应 ,在 135 MPa承载力下测试了轴承的磨损和温升以及摩擦系数随连续摆动时间变化的关系 ,并通过扫描电子显微镜观察分析了轴承失效机理 .结果表明 :该关节轴承承载力可达到 135 MPa,摩擦系数小且稳定 ;在摆动过程中 PTFE不断被挤出 ,使轴承自润滑功能下降 ,从而导致编织基体材料发生磨损 .

基于声发射技术的三维编织复合材料低速冲击损伤分析

实验研究了不同编织工艺参数的三维六向碳/环氧编织复合材料在不同冲击能量作用下的低速冲击过程。测试过程中用声发射技术进行实时监测,分析了声发射能量,幅值和波形经过快速傅里叶变换后的峰值频率,并对典型信号的波形进行了频谱分析。结果表明AE参数能很好地描述三维编织复合材料的低速冲击损伤过程。

三维多向编织复合材料压缩性能的试验研究

采用短标距薄板试件法对三维五向和六向编织复合材料试件进行了压缩试验。该方法可以避免试件产生整体屈曲和端部纤维束开裂破坏,适用于三维编织复合材料的压缩试验。同时,在试验的基础上,分析了该类材料的纵向压缩刚度、压缩强度和泊松比随编织工艺参数的变化规律以及材料的失效形式。三维五向和六向编织复合材料在破坏前基本保持线弹性,纵向压缩破坏具有脆性特征。编织角的增大导致了材料纵向压缩性能下降。减小四向编织纱线的细度,有利于提高材料的纵向压缩性能。此外,三维六向编织复合材料的纵向压缩性能低于三维五向编织复合材料。