三维五向编织复合材料的一种改进细观三单胞建模

基于三维五向编织复合材料的编织工艺,分析纤维束的运动轨迹及空间拓扑关系,建立了一种改进的细观三单胞(三单胞指内胞、面胞、角胞)模型。该模型假设纤维束的横截面形状在编织过程中发生渐进变化,考虑了纤维束间的相互挤压变形及扭转弯曲特征,并确定了材料整体尺寸与各编织工艺参数间的关系,实现了三单胞模型的参数化建立。将模型理论预测值与实测值进行比较验证,结果表明,模型预测值与试样实测值比较吻合,且在织物排列结构的行数m和列数n相等时(编织角22.3°、26.5°时),两者吻合度最高,可见本模型适用性好,且对行列相等的织物排列结构尤为适用。

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.

三维五向编织复合材料弹性性能的数值预报

基于三维五向编织复合材料细观结构模型,通过假设挤压固化后编织纱线和轴纱分别具有六边形和正方形横截面以及分析纱线之间的空间几何关系,建立了该类材料的有限元模型.并且,采用有限元方法计算得到了三维五向编织复合材料的弹性性能,分析了编织角和纤维体积含量对弹性性能的影响规律,并与三维四向编织复合材料的相应结果进行对比,同现有的实验数据进行了比较,验证了数值预测的有效性.结果表明:三维五向编织复合材料具有良好的力学性能,轴纱的加入使得轴向力学性能得以增强.

三维五向编织复合材料飞轮预制件的工艺设计

将三维编织工艺应用到复合材料飞轮转子的设计制造中可以显著提高飞轮储能密度。由此提出一种三维五向编织工艺的飞轮设计制造方法,给出使用该工艺编织飞轮的详细过程,分析飞轮预成形件的细观模型以及相关尺寸关系,并讨论编织工艺参数与结构参数之间的关系,从而为实际工艺结构参数的设计提供理论依据。

三维五向编织复合材料单耳接头强度分析

基于三维五向编织复合材料编织参数与结构几何参数之间的关系,采用复合材料细观力学的方法计算了三维五向编织复合材料的工程弹性常数,并且利用ANSYS商用软件编写数值分析程序,计算了轴向拉伸下两种几何尺寸的三维五向编织复合材料单耳接头在Yamada-Sun强度准则下的破坏载荷,计算结果与实验数据得到很好的吻合,可以认为该模型和失效准则能够较好地预测三维五向编织复合材料单耳接头轴向拉伸下的承载能力。

开孔与螺栓加载的三维五向编织复合材料剪切破坏模式

本文研究了开孔和螺栓加载对三维五向编织复合材料剪切性能的影响。制备了4种样品:无孔编织件、机械开孔无螺栓加载的编织件、机械开孔且分别螺栓加载5次和10次的试件。结果表明:机械开孔只是造成孔边纤维的切断,没有发现其它明显的损伤;螺栓加载不会明显影响材料的剪切性能。材料的破坏模式为:在试样纵向截面内,裂纹的扩展区域成扇形,在纵向截面中裂纹区域长度沿着厚度方向从表面到中部逐渐缩短。三点弯剪切测试后,没有产生明显的分层破坏。在试样表面裂纹主要沿着纤维束编织角方向,而在试样内部裂纹主要沿着厚度方向和纤维束取向方向。

三维五向编织复合材料飞轮的极限转速分析

飞轮储能系统(FESS)储能能力的关键因素之一是飞轮的储能密度。采用三维五向编织工艺能够有效提高复合材料飞轮的综合力学性能,从而提高飞轮储能密度。笔者运用ANSYS对三维五向编织复合材料飞轮进行应力有限元分析,并证明该工艺可以明显提高飞轮储能密度;同时优化设计了基于强度准则的飞轮极限转速计算模型,给出了计算算例,计算结果比采用三维四向编织的极限转速提高了40%。最后进一步分析了影响极限转速的因素。

三维五向编织复合材料T型梁弯曲疲劳应力分布

通过四步法三维编织和真空辅助树脂模塑成型工艺(VARTM)制备三维五向编织复合材料T型梁试件,并在MTS 810.23型测试系统上测试其80%应力水平下的弯曲疲劳性能。根据三维五向编织复合材料T型梁的真实细观结构,建立大型精细实体模型,用有限元法研究三维五向编织复合材料T型梁在低周循环载荷下的弯曲疲劳性质。结果表明:疲劳加载过程中,轴纱为主要的承力部件;厚度方向上,材料从面板至加强筋处应力先减小后增大;长度方向上,应力从试样中间位置向两侧扩展;加强筋处纤维的拉伸断裂为材料在80%应力水平下失效的主要模式。此研究方法可进一步扩展至其他复杂横截面复合材料结构件的抗疲劳设计。

三维五向编织玻纤/碳纤环氧树脂混杂复合材料冲击性能和冲击后弯曲性能研究

该文研究了三维五向玻纤/碳纤编织混杂复合材料的冲击性能和冲击后弯曲性能,对试样分别进行了落锤冲击试验和三点弯曲试验。研究表明,通过落锤冲击试样发现,冲击后冲击面的损伤比背面的损伤低,冲击背面裂纹主要沿纵向扩展;通过弯曲性能测试得出碳纤维的加入使玻璃纤维复合材料的弯曲模量提高;当轴纱排布为CF∶GF∶CF时,混杂复合材料的抗冲击性能最好,材料的抗冲击性能与混杂方式有关。

非周期性三维五向编织复合材料拉伸失效机理

以三维五向结构为研究对象,设计减纱工艺形成非周期性特征,进而制备碳纤维/环氧树脂三维五向编织非周期性结构复合材料。采用万能试验机与高速摄像机相结合的测试方式,获取非周期性结构拉伸力学行为及试验过程;在此基础上,通过高分辨率Micro-CT及SEM对非周期性结构试样破坏形貌进行观测,研究渐进损伤演化及最终失效机理,并与周期性结构的结果进行对比。研究表明:非周期性三维编织复合材料拉伸强度比相同结构参数周期性材料的测试值低16.84%,损伤源于减纱处,形成了应力集中,最终破坏模式以纤维束抽拔断裂为主。该研究结果可为异型编织复合材料结构设计及强度分析提供依据。

三维五向编织复合材料工字梁弯曲性能研究

对四步法三维五向编织工字梁结构的弯曲性能进行了数值分析和实验研究。首先根据三维五向编织复合材料细观结构模型对材料进行刚度预测,讨论编织参数对材料性能的影响;在此基础上,将预测得到的单胞力学性能应用到宏观结构上,建立三维五向工字梁有限元模型,对其弯曲性能进行数值分析;最后采用RTM工艺制作工字梁试件进行四点弯曲试验,将结果与有限元计算结果进行对比。结果显示,编织参数的变化对三维五向编织复合材料的性能有着较大影响,有限元分析结果与试验结果基本一致。

基于三胞模型的三维五向编织复合材料刚度性能预测

三维五向编织复合材料空间拓扑结构复杂,为了对其刚度性能进行准确预测,本文首先研究了三维编织工艺中纱线的运动规律,根据空间纱线轨迹在角部、表面和内部的分布情况确定了角胞、面胞和内胞组成的三胞实体模型。然后对三胞模型划分对称网格并施加合理的周期性边界条件,通过有限元分析分别计算单胞的刚度性能后,采用体积平均法获得宏观材料的整体刚度,并与试验结果进行比对。研究结果表明,本文构建的三胞结构模型可以准确反映三维五向编织复合材料的细观结构,刚度性能预测结果较好,为组分材料的选择及编织工艺的改进提供了理论依据。

三维五向编织物细观结构分析及数值计算

以三维五向织物细观结构为研究对象,通过建立单元体几何模型,推导出了编织工艺参数和织物结构参数之间的数学计算关系,并用板块编织试验对计算结果进行了验证,所得结果与理论分析结果吻合较好。证实了所建模型的正确性,为三维五向织物结构的设计、计算和应用提供了理论基础。

三维五向编织复合材料纤维束真实形态观测

为了对三维五向编织复合材料细观纤维束的真实形态进行描述,采用显微计算机断层扫描技术(Micro-CT)获得三维五向编织复合材料的内部结构切片图像。通过调节灰度差值保留复合材料中纤维束的真实挤压形态,进而利用多层截面堆积的方式提取纤维束的真实形态。在此基础上,利用图像处理技术成功提取纤维束的横截面形状,建立坐标系,计算每一个截面的面积、截面中心点位置、截面偏转角度等纤维束参数,并对其进行分析。结果表明:纤维束在空间中表面存在螺旋状纹路,不同位置的截面变形情况也会不同;编织纱截面形状为凸透镜形,在编织过程中截面形状基本不变;轴纱截面形状呈三角形和扇形过渡变化,在2h/8和6h/8处截面面积最大,4h/8处面积最小;编织纱截面积大小随着花节高度增加呈近正弦式变化,在4h/8处截面积最小,截面偏转角度也最小。研究结果可为后期建立精细化三维五向编织复合材料模型奠定基础。

基于桥联模型预报三维五向编织复合材料的刚度和强度

基于三维五向编织复合材料细观单胞模型,将材料内部、表面、棱角区域内具有相同走向的纤维束简化为单向复合材料,利用桥联模型,确定了单向复合材料的柔度矩阵,将具有不同材料主向的单向复合材料的刚度通过体积进行平均,得到了三维五向编织复合材料的总体刚度矩阵,进一步计算得到材料的工程弹性常数;以单向复合材料为基础,宏观上基于等应变假设,结合桥联模型,确定出材料内各组分(纤维束和基体)的细观应力分布,对纤维束采用Hoffman失效准则,基体采用Mises失效准则,预报了三维五向编织复合材料的拉伸强度。结果表明,三维五向编织复合材料的刚度和强度的预测值与实验值吻合较好,验证了本文分析模型的有效性。

基于细观结构的径向轴纱三维五向圆形编织复合材料的刚度预测

在细观尺度下,根据1种径向轴纱的三维五向圆形编织纱线的空间结构,考虑纱线相互挤压后的截面形状,通过引入圆形单胞的周期性边界条件,建立了包含上、下表面子单胞以及内部单胞的三维五向圆形编织复合材料单胞模型。基于该单胞模型,采用刚度体积平均法,建立了三维五向圆形编织复合材料的刚度预测模型,对花节长度分别为0.6、0.7、0.8 mm的三维五向圆形编织复合材料进行刚度预测,并与复合材料力学刚度理论计算方法所得结果进行了对比。结果表明:3种花节的纤维体积分数分别为24.94%、23.33%、22.04%,纤维体积分数、编织角与花节长度呈负相关;单胞模型的弹性模量预测结果分别为16.42、15.63、14.83 GPa,理论计算结果分别为16.96、16.25、15.34 GPa,纵向刚度与花节长度负相关;单胞几何模型考虑了复合材料成型后纱线的相互挤压,使得单胞模型中的纤维体积含量略小于理论计算方法,造成理论计算结果略大于单胞预测结果。研究结果能够有效提高三维五向圆形编织复合材料刚度预测精度,扩展了细观单胞法的应用领域,为今后三维五向圆形编织复合材料的应用提供必要的理论依据。

三维五向炭纤维／酚醛编织复合材料的压缩性能及破坏机制

针对不同编织角、不同纤维体积分数的三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料在不同温度下进行了纵向(编织方向)压缩和横向压缩试验,获得了其主要压缩力学性能,分析了编织参数、温度对材料压缩力学性能的影响。对试件断口进行了宏观及扫描电镜观察,从宏、细观角度研究了材料的变形及其破坏机制。结果表明,三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料的压缩应力-应变曲线呈现明显的非线性特征,且温度效应明显;编织角和纤维体积分数是影响材料压缩性能的主要参数。三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料的纵向压缩与横向压缩具有完全不同的破坏机制。

三维五向圆型编织复合材料细观分析及弹性性能预测

基于三维圆型编织的主要工艺,系统研究了三维五向圆型编织的纱线交织结构,建立了内部单胞和表面单胞模型。推导了单胞的几何特性、编织工艺参数之间的数学关系。基于此模型,采用改进的刚度平均化方法,计算了三维圆型编织复合材料的弹性性能参数,并与实验的结果进行了对比,吻合较好。分析了编织角和纤维体积含量对弹性性能的影响,结果表明,五向圆型编织复合材料保持了四向圆型编织复合材料良好的力学性能,同时由于轴纱的加入,使得轴向的力学性能得以提高。

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。

温度对三维五向编织/环氧树脂复合材料拉伸性能的影响

研究了三维五向编织/环氧树脂复合材料和树脂基层合复合材料在室温、80℃、150℃和180℃的拉伸性能,讨论了不同温度对三维五向编织复合材料和层合复合材料拉伸的影响规律。研究结果表明,三维五向编织复合材料在80℃、150℃时的拉伸强度与室温相近,而在180℃时,比室温时的拉伸强度下降了15.37%;层合复合材料在80℃、150℃和180℃时的拉伸强度则比室温分别下降了3.45%、13.3%和34.42%。造成层合复合材料高温拉伸强度下降较大的原因是:在高温时,由于树脂被破坏,使层合复合材料发生了分层。说明相同树脂基体的复合材料,增强体结构对复合材料在高温时的拉伸性能有着重要的影响。