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的冲后压缩性能

为揭示纱线张力对三维机织复合材料抗冲击及冲后压缩性能的影响规律,基于多剑杆织造工艺,配置不同接结纱张力(25、50、100 cN)织造三维正交机织物,通过真空辅助树脂传递模塑成型工艺制备复合材料,并在室温下进行低速冲击及冲后压缩性能测试。结果表明:当接结纱张力为100 cN时,试样在冲击载荷下发生表层树脂大面积破裂和剥离并使纬纱失去支撑,同时,试样表层纬纱发生较大卷曲,促使压缩载荷发生屈曲失效;接结纱张力为100 cN试样的压缩性能相比接结纱张力为25 cN试样下降约50%;接结纱张力较高时易导致纬纱卷曲增大和树脂富集,并由此降低试样的弯曲刚度和冲后压缩性能。

三维正交机织物参数对纤维体积含量的影响

三维机织物设计的一个目标是满足要求的纤维体积含量。通过分析三维正交机织物单元体的结构,可以计算经纱、纬纱和捆绑纱的截面尺寸,建立纤维体积含量与织物参数间的关系。实际制织了一块6层经纱、5层纬纱的玻璃纤维三维正交机织布,测试了经纱、纬纱、捆绑纱以及织物的纤维体积含量,并与理论计算值进行了对比,分析了产生误差的原因。最后,分析了织物参数对纤维体积含量的影响,发现经纬纱粗度比的增大或间距比的减小,将使经纱和织物的纤维体积含量增大,纬纱的纤维体积含量减小;捆绑纱的引入,降低了经纱、纬纱和织物的纤维体积含量。

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。

三维正交纤维增强复合材料箱梁结构机织法与成型工艺研究

本文主要介绍三维正交纤维增强复合材料箱梁结构机织物的织造方法,阐述了纤维增强复合材料在织造过程中形成一向平纹(1/1)一向(1/2)斜纹三维正交织物的织造方法,并在Pro/E软件里建立箱梁结构机织物预制件的几何模型,详细介绍了箱梁结构机织物预制件的成型工艺。为研究箱梁结构复合材料机织物预制件的织造方法、成型工艺和力学特性设计计算打下了良好基础;为开发纤维增强复合材料箱梁结构新产品提供了一个有效途径。

三维正交整体夹芯机织物的结构设计及织造

以正交结构为基本的三维结构单元,通过改变空心各边的长度和厚度,设计了多种经向截面为六边形的三维整体夹芯机织物结构,并在改造的普通织机上织造成功。在此基础上对试样的结构特点进行对比分析,同时探讨了三维正交夹芯机织物孔形尺寸的影响因素,比较了各种三维整体夹芯机织物试样的结构特点及织造方法。该研究为三维整体夹芯机织物的结构设计提供了参考,设计的多种三维夹芯机织物为蜂窝结构复合材料提供了性能良好的增强体。

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。

三维正交机织物结构的几何模型

以经、纬纱为直线,捆绑纱为正弦和直线组合的曲线,建立了三维正交机织物的几何结构模型。根据捆绑纱所限定纱线的截面积,建立了以织物结构参数为未知量的非线性方程组,使用数值计算方法求出了非线性方程组的近似解,确定了捆绑纱曲线模型中的待定量。制织了纬纱捆绑和经纱捆绑两种玻璃纤维三维正交机织布,并与不饱和聚酯树脂复合,然后观察复合材料中捆绑纱的形态,发现捆绑纱的测试曲线与模型曲线具有很好的一致性。进一步比较捆绑纱织缩率的测试值与计算值、纤维体积含量的测试值与计算值,表明建立的织物结构几何模型,能够较为真实地反映三维正交机织物的实际结构。

接结经纱对三维正交机织物结构的影响

以经纱接结的三维正交机织物为研究对象 ,在 3种接结纱张力下制织了 2种接结纱浮长的 6种正交机织物。通过比较织物的接结纱织缩率、纬纱密度和织物厚度 ,发现适当的接结纱张力既有利于形成较为理想结构的正交织物 ,又有利于织造的顺利进行 ;较小的接结纱浮长 ,有利于织物结构的均匀。

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。

三维正交机织玄武岩/芳纶混编复合材料的拉伸和剪切性能研究

本文设计和制作了两种混杂模式的三维正交机织玄武岩/芳纶混编复合材料,分别是层间混杂和层内混杂模式。对其拉伸性能和剪切性能进行了测试和分析,结果表明,层内混杂复合材料的拉伸性能和剪切性能比层间混杂复合材料的好,层内混杂复合材料的归一化强度和归一化模量分别比层间混杂复合材料的高22.12%和16.9%,层内混杂复合材料的剪切强度和剪切模量分别比层间混杂复合材料的高19.61%和26.03%;对于层间混杂复合材料,纬向的归一化强度比经向的高4.06%,但厚度方向上纱线的存在和织造工艺中经纱预加张力的影响,使纬向的归一化模量比经向的降低11.44%。

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。

三维正交机织复合材料的力学性能

测试了5种不同规格型号的三维正交机织复合材料以及同种型号增强体与两种不同树脂基体得到的复合材料的抗拉伸、抗弯曲力学性能,并分析了其破坏模式。结果表明:三维机织复合材料能有效阻止分层破坏,且纬向的力学性能明显好于径向,其力学性能也会随树脂基体力学性能的提高而有所提高,模量的变化尤其明显。