嵌入式共固化穿孔纤维增强阻尼复合材料面内力学性能

本文提出一种嵌入式共固化穿孔纤维增强阻尼复合材料板(Embedded Co-curing Perforated Fiber-reinforced Damping Composite Panel, ECPFDCP)结构。该结构在减小刚度损失、提高承载能力的同时,还提高了阻尼性能。建立了有限元模型和穿孔纤维增强阻尼薄膜的面内等效参数的理论模型,运用数值模拟分析方法验证了文中理论模型和方法的有效性。用验证的理论模型和方法分别研究了设计参数对ECPFDCP穿孔纤维增强阻尼薄膜面内力学性能的影响。结果表明:增大穿孔阻尼层厚度和阻尼层穿孔孔径,减小阻尼层穿孔孔距,均有利于增大剪切模量。文中的模型和方法对嵌入式共固化非连续阻尼复合材料结构的动力学性能理论研究具有重要的指导意义,为结构的设计与制造提供了参考。

嵌入式共固化缝合阻尼复合材料梁的自由振动分析

嵌入式共固化缝合阻尼复合材料(embedded co-cured stitched damping composite, ECSDC)相对于传统的复合材料具有高比刚度、高比强度,高层间结合性能及三向力学可设计性等优点。运用Hamilton原理、结合能量法和复刚度法,推导出ECSDC梁结构的动力学微分方程表达式,通过将该偏微分方程转化为线性齐次方程组的方式,代入对边简支的边界条件,进而得到该模型的理论解。作为算例,通过进行模态试验、运用ANSYS有限元模拟和MATLAB数值计算研究了ECSDC梁的典型结构,三者所得的结果吻合较好,验证了该理论模型和方法的准确性。在此基础上,用验证的理论模型研究了设计参数对ECSDC梁结构固有振动特性的影响。结果表征了嵌入式共固化缝合阻尼复合材料梁结构比连续阻尼夹嵌复合材料梁结构具有更高的抗弯刚度,为缝合阻尼复合材料动态特性研究提供了理论层面的新思路。

嵌入式共固化缝合阻尼复合材料面内弹性参数

嵌入式共固化缝合阻尼复合材料(embedded co-cured stitched damping composite, ECSDC)相对于传统的复合材料具有高比刚度、高比强度,高层间结合性能及三向力学可设计性等优点。ECSDC在共固化时蒙皮中的树脂处于熔融态后沿缝线贯通整个层合结构形成“复合钉”,复合钉的引入会导致纤维增强阻尼薄膜的面内力学性能分布不均,对ECSDC结构的理论分析造成困难。针对该问题,应用复合钉贯通的面内纤维折线变形模型,将变形区域进行划定,分别建立经、纬纱变形区,富树脂区,缝线等各区域的面内等效弹性参数理论模型,由此过渡到ECSDC结构。采用一个算例,运用ANSYS有限元模拟和Matlab数值计算研究了ECSDC典型结构,并与文献值进行对比,三者所得的结果吻合较好,验证了该理论模型和方法的准确性。在此基础上,用验证的理论模型研究了设计参数对ECSDC面内等效弹性参数的影响。该解析模型建模方法为研究胞元结构复合材料的力学性能提供了参考,为ECSDC结构的动力学与几何非线性研究提供基础。

共固化穿孔纤维增强阻尼薄膜结构面内力学性能研究

共固化穿孔纤维增强阻尼薄膜结构(CCPFRDFE)是一种大阻尼、高层间结合性能的新型阻尼处理模式,在空天技术、尖端武器、快速交通等领域具有广阔的应用前景。但复杂的结构为其力学性能的研究增加了难度,未知的力学性能限制了该新结构的开发与应用。介绍了CCPFRDFE的制作工艺,建立了CCPFRDFE有限元模型,并搭建实验平台对有限元模型进行了验证。利用有限元模型,分别研究了纤维增强阻尼层穿孔孔径、孔距和阻尼材料厚度对CCPFRDFE面内等效弹性参数的影响规律。结果表明,增加穿孔孔径、减小孔距、增加阻尼层厚度有利于提高CCPFRDFE面内等效剪切模量,但不利于提高面内等效弹性模量。所得结果将为非连续阻尼薄复合材料的振动特性研究与大挠度设计奠定基础。

嵌入式光纤阵列复合材料裂纹损伤在线识别研究

为探索复合材料内部的微裂纹损伤,将水平和垂直方向的光纤等距排布,制备复合材料光纤阵列预浸料,并嵌入复合材料结构中,制成碳纤维-光纤复合材料板。搭建了实时在线识别裂纹损伤的光纤阵列复合材料板测损系统,基于复合材料损伤位置和光纤损伤位置的一致性,利用内光电效应,通过采集光电传感器的感光电压判断碳纤维-光纤复合材料板的光纤受损情况,水平和垂直的双向光纤阵列会给出具体损伤位置坐标,进而判断出相应位置复合材料受损情况。预先在复合材料内部制造损伤,通过实验数据与实际损伤进行对比,数据表明:实时在线识别裂纹损伤的光纤阵列复合材料板测损系统可以准确高效地识别出复合材料内部裂纹损伤位置及大小。

穿孔纤维增强阻尼复合材料梁的振动分析

为了研究嵌入式共固化穿孔纤维增强阻尼复合材料梁在简支边界条件下的动力学性能,依据1阶剪切变形理论、Hamilton原理和Navier解形式,建立并求解了共固化穿孔阻尼复合材料梁的自由振动理论模型。制作穿孔阻尼复合材料梁试件并搭建试验平台,运用软件ANSYS数值模拟和软件MATLAB理论仿真分析方法验证了该理论模型和方法的有效性,并用验证的理论模型和方法分别研究了设计参数对嵌入式共固化穿孔纤维增强阻尼复合材料梁动力学性能的影响规律。该模型和方法对嵌入式共固化非连续阻尼复合材料结构的研究提供理论依据,为结构的设计与制造提供了参考。

嵌入式共固化阻尼复合材料非线性静力学性能

为研究嵌入式共固化阻尼复合材料(ECDCM)的非线性静力学性能,对铺层角度为0°和45°的ECDCM试件进行拉伸实验和三点弯曲实验,基于复合材料连续损伤理论,在LS-DYNA中建立了ECDCM非线性有限元分析模型,将仿真结果与实验结果进行比较,验证了有限元模型的适用性;通过实验和仿真结果简单分析了ECDCM非线性静力学性能产生机制;使用有限元方法分别研究了不同铺层角度对ECDCM拉伸性能和弯曲性能的影响,并研究了阻尼层厚度对ECDCM弯曲弹性模量的影响。结果表明,ECDCM的材料非线性力学特性主要来源于拉伸时切应力分量导致基体不断产生剪切损伤,导致材料宏观力学性能发生变化;在0°至45°范围内随着铺层角度的增大,ECDCM材料非线性特征愈发显著,在0°~45°范围内,拉伸弹性模量和弯曲弹性模量随着铺层角度增大呈下降趋势,拉伸强度与弯曲强度随铺层角度增大也呈下降趋势;阻尼层的加入使得复合材料被隔断分为上下两部分,使得复合材料的弯曲弹性模量下降,并且在0~0.3 mm范围内阻尼层厚度增大会导致弯曲弹性模量进一步减小。