基于多尺度分析的平纹机织复合材料贴补结构抗冲击性能研究

由于平纹机织复合材料修补结构对冲击荷载下产生的响应具有多尺度的影响,采用多尺度方法建立数值分析模型,对平纹机织和单向铺层复合材料修补结构冲击响应间的差异进行研究;同时,对不同冲击能量下平纹机织复合材料修补结构的损伤演化和补片形状对结构抗冲击性能的影响也开展了研究。通过建立纤维束微观和代表性单元(representative volume element,RVE)细观模型,预测细观材料性能,进一步采用局部均匀化方法得到平纹机织复材的宏观交叉层合板等效模型(Equivalent cross-ply laminate,ECPL),完成修补结构多尺度抗冲击损伤性能分析模型构建;利用连续损伤力学模型和三维Hashin准则对冲击过程中修补结构损伤演化进行分析,并通过落锤冲击试验力和能量曲线验证了数值模型的准确性。数值和试验结果表明:平纹机织修补结构较单向层合板修补结构具有更好的抗冲击性能;其冲击损伤主要沿着0/90方向分布,随着冲击能量的提高,主要承力部位由补片转移到母板;当冲击能量达到12 J时,胶层开始出现失效脱落现象;圆形补片修补的平纹机织结构具有更好的抗冲击性能。

EMAA含量对平纹编织碳纤维复合材料层间断裂自修复性能的影响研究

基于试验和数值方法研究了聚乙烯-甲基丙烯酸(EMAA)的含量对平纹编织碳纤维复合材料层间断裂性能和修复效果的影响。采用三维缝合增韧和分阶段固化工艺制备EMAA自修复单向层合碳纤维复合材料,基于Ⅰ型层间断裂韧性试验,研究了复合材料在加载和修复状态下的裂纹扩展行为和断裂韧性性能。使用非线性弹簧模型进行离散桥联机理的研究,同时,通过双分区黏聚区模型以及修正弹簧参数,实现修复前后数值建模和仿真计算。试验和仿真研究结果表明:所建立的数值模型能够较准确地预测原始和修复后具有三维自修复网络的复合材料的Ⅰ型裂纹扩展阻力曲线和断裂韧性。EMAA的掺入提高了层间裂缝的实际韧性,层间韧性和修复效率都与EMAA的含量呈正相关关系。