基于声发射的三维编织T型梁复合材料损伤研究

采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺制备了三维编织T型梁复合材料,在万能试验机上进行弯曲试验,用声发射仪器监测损伤演化。T型梁在三点弯曲载荷作用下,加载初期对应基体裂纹出现,此时并没有严重损伤;随着加载过程进行,裂纹逐渐扩展到纤维基体界面使得纤维基体脱粘,腹板处纤维开始断裂;在加载后期,腹板纤维完全断裂,材料失效。用主成分分析(PCA)和kmeans++算法对声发射信号进行聚类分析,可以成功识别出三种声发射信号,并表征破坏情况。

三维编织C_(f)/Al复合材料T型件振动疲劳性能

采用真空压力浸渗法制备的三维编织C_(f)/Al复合材料具有良好的力学性能,在航空航天等领域的应用上具有较大潜力。本工作以三维编织C_(f)/Al复合材料为研究对象,对其在不同加载应力下进行振动疲劳实验,并观察疲劳实验后其断口处的微观结构。结果表明:加载应力越大,达到疲劳稳定阶段时T型件的固有频率降幅百分比也越大,即对T型件内部结构的破坏也越显著;对不同加载应力下的疲劳数据进行拟合,绘制S-N曲线,得到T型件振动疲劳损伤演变规律的数学模型,可用于预测三维编织C_(f)/Al复合材料的疲劳寿命;对实验后T型件进行断口处的宏观和微观分析,发现实验后的T型件呈现典型的脆性断裂特征。

三维多向编织复合材料T型梁抗弯应力分析

针对三维多向编织复合材料结构件承载细观结构优化设计的问题,以三维编织复合材料T型梁为对象,对其抗弯性能进行模拟分析。基于细观结构单胞模型,采用刚度体积平均法计算具有不同编织角的三维四向、五向和六向编织复合材料的弹性常数;利用有限元软件Patran/Nastran计算T型梁承受弯曲载荷的应力应变,分析纤维束交织结构和细观结构参数对T型梁抗弯性能的影响。结果表明,纤维体积含量一定时,三维六向较三维四向、五向编织复合材料的弹性性能更接近各向同性,同时选择比较大的编织角,可提高T型梁抗弯的承载能力。此方法可为异型三维编织复合材料构件细观结构的选型与参数设计提供参考。

纤维体积分数对三维编织复合材料T型梁模态性能的影响

采用悬臂梁自由衰减振动的实验方法研究了碳纤维三维四向编织复合材料T型梁的模态性能,分析了纤维体积分数对其固有频率和阻尼的影响。将实验得到的固有频率结果与有限元得到的固有频率结果作了对比。结果表明:三维四向编织复合材料T型梁的模态性能与激振点位置无关。且其固有频率随纤维体积分数的增大而提高,阻尼性能随纤维体积分数的增大而降低。通过阵型可以准确判断T型梁固有频率的阶数。实验结果与计算结果相一致。

不同长度的三维四向编织复合材料T型梁模态性能研究

文章分别用实验和有限元模拟方法研究了碳纤维三维四向编织复合材料T型梁的模态性能,分析了悬臂梁自由端长度的变化对其固有频率的影响以及固有频率与阻尼性能的关系,并对比了实验和有限元模拟固有频率。结果表明:三维四向编织复合材料T型梁的固有频率随着其自由端长度的增加而降低;其固有频率和其阻尼性能没有明显的相关关系;模拟结果与实验结果相一致。

三维编织复合材料T型梁的低温场弯曲性能

为研究三维编织复合材料T型梁低温环境下的弯曲力学性能,以指导耐低温抗弯曲三维编织复合材料结构设计,采用真空辅助树脂传递模塑成型工艺制备不同筋高高度三维编织复合材料T型梁,自制低温环境箱,与MTS 810. 23型材料测试系统相结合测试三维编织复合材料T型梁在不同低温下的弯曲力学性能。结果表明:随测试温度的降低,三维编织复合材料T型梁载荷增加,位移增大,能量吸收增加;随筋高高度的增加,三维编织复合材料T型梁载荷增加,位移减小,能量吸收增加,抗弯刚度增强;三维编织复合材料T型梁由较高温度下不同程度的屈服断裂转变为低温下的脆性断裂,随着筋高高度增加,失效模式由弯曲失效转变为剪切失效。

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。

三维编织复合材料T型梁弯曲疲劳性能研究

采用四步法三维编织以及VARTM技术制得三维编织复合材料T型梁,利用MTS 810.23仪器对材料进行准静态三点弯曲测试,使用频率为3Hz、应力比R=1的正弦波加载条件对材料进行弯曲疲劳测试。根据测得的数据分析获得S-N曲线、应力位移曲线以及最大最小位移曲线,材料在50%应力水平下其三点弯曲疲劳加载循环次数超过50万次。通过最终破坏形态可知,筋高处纤维的断裂是导致材料最终失效的主要破坏模式。

三维编织含孔复合材料工字梁的弯曲性能分析

制备了含孔三维编织工字梁织物及其复合材料,获得了不同孔洞数的三维编织复合材料工字梁,对其进行了弯曲测试,同时结合3D-DIC图像采集和分析系统研究了三维编织含孔复合材料工字梁的弯曲过程及其损伤机理。结果表明,两孔工字梁在达到其峰值载荷之后,仍然能够保持76%以上的载荷。三维编织含孔工字梁复合材料在弯曲载荷的作用下发生基体开裂、纤维与基体分离、纤维断裂。最大应力点位于腹板空腹区上下方的凹状区域,孔洞周围树脂表面树脂最先发生开裂,裂纹沿着孔洞周边以及编织角方向延展,造成材料失效。

三维六向编织复合材料T型接头拉脱性能试验研究

将复合材料三维编织结构优越特性与T型接头整体化需求相结合,采用树脂传递模塑RTM液体成型工艺,设计制造了三维六向编织复合材料T型接头,针对不同的编织角(20°、30°、40°)及不同的纱线束(6k、9k、12k)下的拉脱性能进行试验研究。试验结果表明,在拉脱载荷作用下,编织角对三维六向编织T型接头的拉脱性能影响很大,编织角从20°变为40°时,拉脱载荷提高了53%;而纱线束对三维六向编织T型接头的拉脱性能基本没有影响。纱线从6k变为12k时,仅增加了约8%;拉脱破坏模式均为T型接头的侧板与底板发生分离。研究成果对整体化复合材料结构设计及研制具有重要的试验指导作用。

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。

三维编织复合材料空心断面梁的刚度分析

基于层合板类推法和一阶剪切变形位移理论,分析了三维编织复合材料空心断面梁的刚度导出了此类构件拉伸、弯曲、扭转、剪切及各种耦合刚度系数的计算公式这些刚度系数被表为纤维与基体的类型、纤维编织角、纤维体积百分比、空心断面的几何尺度等的函数图2,表1。

三维编织复合材料矩形空心断面梁的刚度优化

运用约束变尺度法研究三维编织复合材料空心断面梁的刚度特性 目标函数分别为梁的各项刚度系数或其组合 ,设计变量为该复合材料的编织工艺参数和梁的几何参数 采用优化设计方法得到了较理想的结果 ,对三维编织复合材料空心梁的设计有一定的参考意义 表 1,参

三维编织复合材料工字梁的弯曲性能分析

在三维编织复合材料的实体单胞模型的基础上 ,考虑了编织结构和编织纱线的几何特性 ,采用局部 /整体均匀化的方法 ,计算了三维编织复合材料的宏观性能 .利用 MARC有限元分析软件的用户接口 ,分析了三维编织复合材料工字梁的弯曲性能 .计算结果与实验结果吻合较好 .

T型编织复合材料的制备及弯曲性能研究

以玻璃纤维为原料,采用全自动模块组合旋转法三维编织平台制备三维四向T型、三维五向T型、三维全五向T型及相同体积分数的三维全五向方形编织预制件,并将其分别与环氧树脂基体复合,制备三维编织复合材料。借助Instron万能材料试验机测试上述4种材料的弯曲性能,探讨材料发生弯曲破坏的机理。结果表明,三维全五向T型编织复合材料的抗弯性能最好,三维四向T型编织复合材料的抗弯性能最差;三维全五向T型编织复合材料比相同体积分数的三维全五向方形编织预制件抗弯能力强。

新型FRP-金属组合T型梁桥及扭转刚度简化计算方法的研究

基于应急桥梁的轻量化、高强化和模块化的发展需求,提出了一种模块化纤维增强复合材料(FRP)-金属组合T型梁桥。首先,介绍了该T型梁桥的结构尺寸、空间布置、杆件类型、连接方式以及现场快速架设方法。其次,基于开口、闭口薄壁截面杆扭转理论,推导了该T型梁桥结构扭转刚度简化计算公式。最后,基于通用软件ANSYS开展了有限元分析,利用所推导的简化计算公式进行了结构扭转刚度影响因素分析。结果表明:相较于传统单车道钢结构应急桥梁,该组合T型梁桥达到了明显的减重效果;结构扭转刚度理论计算值与有限元值吻合较好,所建立的理论简化计算模型可便于单片T型梁扭转刚度的预测;单片T型梁的外扭矩主要由各纵向构件和斜腹杆共同抵抗。

复合材料帽型加筋层合梁刚度的理论计算研究

根据层合板理论,首先利用三维应力、应变转换关系,推导出复合材料帽型加筋层合梁的总体刚度矩阵公式,建立了复合材料帽型加筋层合梁的拉伸刚度和弯曲刚度理论计算式;然后,计算了轴向或横向荷载作用下,复合材料帽型加筋悬臂层合梁的拉伸和弯曲变形,并和ANSYS有限元计算结果进行了对比;最后,计算分析了腹板倾斜角度对结构刚度的影响。计算结果表明:腹板倾斜角度为60°时,帽型加筋结构的刚度和所需材料的比值达到最优值;拉伸和弯曲刚度的理论解和ANSYS有限元计算结果吻合较好,说明上述方法以及推导的计算公式是准确、可靠的。

复杂载荷作用下的三维编织复合材料力学性能分析

基于螺旋型单胞几何模型和多相有限元理论,建立了三维四向编织复合材料在复杂载荷作用下的力学性能分析模型。通过对代表体积单胞施加不同的复杂载荷比,数值预报了三维四向编织复合材料在双向拉伸和拉剪载荷作用下的破坏点,得到了材料的破坏包络线。结果表明,编织角对三维四向编织复合材料在复杂载荷作用下的破坏影响较大,编织角比较小时,应重视复杂载荷之比对材料破坏的不利影响。此方法为三维编织复合材料在复杂载荷作用下的力学性能分析提供了有效方法。

复合材料梁结构的成型及弯曲特性

三维立体编织是复合材料增强结构成型的一项十分有效的方法。本文介绍了一种新的编织技术,即利用角轮和拨叉装置控制载纱锭,使其在平面内以设定的路径和方式运动,达到立体编织的目的。由该技术编织工字形截面的纺织结构预制件,经树脂的注入和固化,使之成为梁状复合材料试样。弯曲测试结果表明:工字梁的断裂失效部位为压缩面;纤维体积含量和纤维取向角对梁的弯曲强度和弯曲模量有着不同的影响。

两步法编织复合材料空心断面梁的刚度性能

基于层合板类推法和一阶剪切变形位移理论 ,分析了两步法编织复合材料空心断面梁的刚度。导出了此类构件拉伸、弯曲、扭转、剪切及各种耦合刚度系数的计算公式。这些刚度系数被表为纤维与基体的类型、纤维编织角、纤维体积百分比。