三维正交机织复合材料在重复低速冲击下的有限元仿真

为了建立碳纤维三维正交机织复合材料(3DOWCs)在重复低速冲击下的有限元仿真,本工作将仿真与实验进行比较,以验证仿真的有效性。通过在自制的3D机织机上制造了3DOWCs板件,并对其进行50 J重复低速冲击试验,获得断裂形貌与力学曲线。使用多步骤方法模拟重复冲击的试验,冲击过程中引入重启动技术与人工阻尼。建立了多尺度的有限元模型,并将增强丝束材料属性与损伤模式集成至ABAQUS/Explicit用户定义材料子程序(VUMAT)中,3DOWCs损伤模型包含基于位移的失效模型与三维Hashin失效准则,以模拟3DOWCs在重复低速冲击载荷的损伤演化。使用对称边界条件,建立了1/4有限元模型,以减少计算成本。与实验结果相比,首次冲击的力学曲线、三次冲击的峰值力、损伤分布的连续性验证了该模型的有效性。

三维正交机织复合材料力学性能研究进展

总结三维正交机织复合材料力学性能的研究现状与发展趋势。介绍了纱线截面对三维正交机织复合材料弹性模量的影响;阐述了三维正交机织复合材料几何结构的数值表征特点;总结了国内外三维正交机织复合材料的准静态力学性能和动态力学性能研究成果。认为:三维正交机织复合材料细观结构的分析已较为成熟,但应在所建模型中考虑实际的纱线状态;研究纱线与基体的界面性能也很重要,尚待加强相关研究。

三维正交机织复合材料的力学性能研究

利用材料试验机装置开展了三维正交机织Kevlar/乙烯基树脂复合材料力学实验,实验表明面内经向拉伸和厚度z方向压缩时,材料具有一定的应变率效应,厚度z方向压缩强度远大于面内压缩强度,而面内经向和纬向的拉伸强度则相当。结合纤维的编织方式,对这些现象做了必要的定性分析。最后,本文基于三维正交机织复合材料的结构特点,推导了一组可用于估算三维正交机织复合材料弹性模量的公式,估算结果和实验值接近。

三维正交机织复合材料单胞特征单元及其应用

基于三维正交机织复合材料,提出了一种特征单元均匀化分析方法。用“特征单元”来表示能够反映单胞的几何构造细节和材料构造细节的单元。首先用一般有限元方法对三维正交机织复合材料单胞进行分析得到总体刚度矩阵,利用该矩阵的特征向量建立了单胞的特征单元。通过比较特征单元的刚度矩阵元素和利用传统均匀化方法得到的刚度矩阵元素,说明了特征单元能够反应单胞的几何构造和材料构造细节。为了验证特征单元的有效性,分别用特征单元、传统均匀化方法和一般有限元方法计算了三维正交机织复合材料梁的固有频率,结果表明特征单元精度比传统均匀化方法高,而计算量比一般有限元方法大幅度降低。

三维正交机织复合材料厚向压缩性能试验研究

采用方柱形试样对UHMWPE/乙烯基酯三维正交机织复合材料进行了压缩试验。研究了该类材料的厚向压缩强度和压缩模量与z向增强纤维细度的关系,并讨论了材料的压缩破坏失效模式。结果表明:z向增强纤维细度的增加导致材料厚向压缩性能的下降。降低z向增强纤维束的细度,有利于提高材料厚向抗压性能。三维正交机织复合材料的压缩破坏具有塑性特征。三维正交机织复合材料主要的破坏模式是z向纤维在试样表面的应力集中、纤维束的剥离和剪切破坏。

三维正交机织复合材料的弹道性能和破坏模式

利用球形弹和柱形弹对Kevlar/乙烯基树脂和E-玻璃纤维/乙烯基树脂三维正交机织复合材料进行弹道实验。结果表明,材料对球形弹的抗侵彻能力比对柱形弹的强;Kevlar/乙烯基树脂比E-玻璃纤维/乙烯基树脂具有更好的抗弹侵彻性能;迎弹面以压缩剪切破坏为主,而背面则以纤维拉伸破坏模式为主;z向纤维的存在,提高了三维正交机织复合材料的面内强度,使之不易发生分层、鼓包等破坏现象,其结果使得面内吸能为其主要吸能机制。

三维正交机织圆管织物的试织及其单胞模型

探讨三维正交机织圆管织物单胞模型的建立方法。通过分析三维正交机织圆管织物经向、纬向和法向断面显微照片,建立了织物细观单胞模型,利用几何模型公式推导建立了织造工艺参数与几何结构特征参数之间的理论关系;计算了每层经纱的厚度、织物层数、织物厚度以及纤维体积含量,并与织物参数实际值进行了对比。结果表明:计算结果与实际值间有良好的一致性。认为:所建三维正交机织圆管织物单胞模型较为合理、有效。

三维正交机织复合材料弹道侵彻数值模拟

利用LS-Dyna有限元软件开展球形弹弹道侵彻Kevlar/乙烯基树脂三维正交机织复合材料的模拟研究,靶板采用含损伤的正交各向异性本构模型和Hashin失效准则,子弹剩余速度的计算值和实验值符合较好,破坏形貌和实验基本一致,并给出侵彻速度时程曲线;结合x方向纤维和面内基体的损伤演化图,分析弹道侵彻过程和材料的破坏模式.

三维正交机织复合材料弹道侵彻有限元模拟

测试复合材料弹道侵彻性质,得到复合材料弹道侵彻过程中子弹的入射速度和剩余速度及冲击破坏形态。基于复合材料的真实细观结构,建立细观结构模型,运用商用有限元软件ABAQUS/Explicit计算复合材料弹道侵彻破坏过程。研究发现三维正交复合材料不同破坏机制:三维正交机织复合材料不产生冲击分层,纤维断裂和基体开裂是主要吸能模式,复合材料冲击破坏是最主要的破坏模式。

三维正交机织复合材料弹道冲击实验及破坏模式

本文用钢芯弹对三维机织复合材料作弹道冲击测试。得到了弹体的入射速度和剩余速度,比较了常见几种材料的弹道性能评价参数的差异,并考察侵彻破坏模式和靶体最后的损伤破坏形态。在300-800m/s冲击速度范围下观测了材料的冲击破坏形态,发现机织复合材料受弹面和子弹出射面破坏形态不一样,受弹面主要是以纤维的压缩、剪切破坏以及基体开裂为主,出射面以纤维的拉伸、厚度方向的纱线断裂为主要破坏模式。通过对破坏模式和形态的分析,可以帮助建立更加准确的破坏准则,从而在设计抗弹材料时起到一定的作用。

三维正交机织铜丝/玻璃纤维层间混杂复合材料的拉伸和弯曲性能研究

本文设计和制作了两种层间混杂结构的三维正交机织铜丝/玻璃纤维复合材料,分别为铜丝单面混杂和双面混杂复合材料。两种复合材料的拉伸性能和弯曲性能测试结果表明,单面铜丝/玻璃纤维混杂复合材料的归一化拉伸强度和模量分别为1 214 MPa和83 GPa;高于双面铜丝/玻纤混杂复合材料44%和51%。单面铜丝/玻璃纤维混杂复合材料的归一化弯曲强度为964 MPa,高于双面铜丝/玻纤复合材料27%。两者的弯曲模量比较接近,均为60 GPa左右。由于铜丝的混杂效应,三维正交机织铜丝/玻璃纤维层间混杂复合材料的拉伸和弯曲性能与相同结构的玻璃纤维复合材料相比有一定的下降。

三维正交机织复合材料力学模型研究进展

文章针对细观结构和理论模型进行了综述和回顾,重点介绍了三维正交机织复合材料的分析模型,以期待为今后的研究工作提供借鉴。

三维正交机织复合材料翼子板多尺度可靠性优化设计

三维正交机织复合材料具有优异的力学性能和抗分层能力,在汽车轻量化应用方面前景广阔.以三维正交机织复合材料汽车翼子板为研究对象,基于多尺度仿真预测方法,建立复合材料弹性性能解析预测模型和翼子板宏观有限元模型.同时针对材料和结构设计变量的不确定性,结合蒙特卡洛可靠性分析方法、Kriging代理模型和粒子群优化算法,实现复合材料翼子板多尺度可靠性优化设计.结果表明:优化后的翼子板在满足结构刚度和可靠性要求的同时,达到了21.93%的轻量化效果.

三维正交机织复合材料准静态侵彻实验和有限元模拟

用钢制侵彻体对三维正交机织复合材料在MTS材料试验机上作准静态侵彻测试,得到的准静态侵彻位移-载荷曲线用来研究材料的能量吸收和破坏模式。根据三维机织复合材料的细观结构建立单胞模型,结合应力更新原理编写用户子程序(VUMAT)。利用ABAQUS有限元软件及用户子程序模拟实验过程,得到的位移-载荷曲线与实验对比,可以看出有限元计算得到的结果与真实实验比较吻合,表明单胞的建立和用户子程序的编写是正确的。

三维正交机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料动态力学性能的实验和理论研究

通过实验系统研究了三维正交机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料厚度方向和面内方向的动、静态压缩力学性能。结果表明,动、静态压缩载荷作用下该材料响应表现出明显的各向异性、非线性和应变率敏感性。针对三维正交机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料高速变形过程中不同形式的内部缺陷和微损伤的演化,提出了一个依赖应变、应变率的宏观损伤量,建立了一种含损伤的非线性黏弹性本构模型。采用数据处理方法拟合了其本构方程材料参数,在加载过程中,模型计算值与实验结果吻合较好。

三维正交机织复合材料的动态压缩性能

本文作者利用分离式Hopkinson压杆装置对玻璃纤维三维正交机织复合材料进行了高应变率下面外、面内方向的压缩试验,并在万能试验机下进行了相应的准静态压缩。获得3个高应变率及准静态下的应力-应变曲线,观察了试样的破坏形貌。结果表明:玻纤三维正交机织复合材料是应变率敏感材料,最大应力、压缩模量随着应变率的增大而增大。三维正交结构使复合材料体现出各向异性:面外的最大应力、失效应变比面内大;面内的压缩模量大于面外,且压缩模量对于应变率的变化比面外方向敏感;经纬向相比,纬向的最大应力大于经向。

三维正交机织复合材料的单胞模型及应用

根据三维正交机织复合材料的结构特点,在假设纤维束横截面为矩形的基础上建立一种单胞模型,该模型由3组互相正交的纤维与基体组成。首先利用这一模型,推导出纤维体积分数与纤维粗度、机织密度等织物参数的关系式,通过测量单胞单元的单层厚度得到纤维体积分数,计算值和实验值较为吻合。然后在假定纤维和基体均为线弹性材料的基础上,利用材料力学方法推导出了3个正交方向的杨氏模量表达式,该表达式简单明了,给出了三维正交机织复合材料杨氏模量与纤维和基体的杨氏模量以及纤维体积分数间的关系,算例的计算结果与实验值有良好的一致性,这说明所建立的单胞模型具有合理性。

三维正交机织复合材料低周弯曲疲劳力学性能有限元模拟

为了深入理解三维正交机织复合材料(3DOWC)疲劳性能,改进材料抗疲劳设计,结合三维正交机织复合材料试样经纱方向准静态三点弯曲及60%应力水平下的三点弯曲疲劳实验与ABAQUS有限元软件,构建了全尺寸三维实体模型,研究了三维正交机织复合材料在低周循环载荷下的弯曲疲劳性能,经分析得到循环加载下模型应力分布情况和疲劳损伤形态。结果表明:经纱为材料最重要的承载部件,中间加载区域为材料应力集中区,损伤主要位于应力集中区的Z纱通道处的经纱上,随着循环增加,逐渐在中心加载区域的上部和下部形成三角形损伤区域,该研究在复合材料设计与优化中具有指导意义。

三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料高温老化后低速冲击性质

研究了三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料在180℃高温环境下老化不同时间后的低速冲击力学性能,测试得到了不同老化时间的试样在低速冲击过程中的载荷-位移曲线。研究发现:随着老化时间增加,三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料能承受的最大载荷下降,位移逐渐增加,载荷-位移曲线斜率逐渐下降;随着冲击能量增加,老化条件相同的三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料试样最大承受载荷增大,位移和曲线斜率增加。对高温老化后三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料试样进行SEM观察,发现纤维与树脂基体脱粘有裂纹产生,且裂纹数目和面积随着老化时间延长而增加。

二维与三维机织复合材料的力学性能实验研究

通过对超厚三维正交机织复合材料及二维机织层合板分别进行拉伸和压缩实验,研究比较两复合材料刚度和强度特性的差异;研究发现无论是三维机织材料的拉、压,还是二维层合板的拉、压的应力—应变曲线都可近似为直线关系,而且具有脆性破坏的特点;三维复合材料的拉、压强度要高于二维层合板,是由于不同的增强相结构及纤维含量造成;不同的破坏模式对材料强度影响很大。