二维二轴编织铺层复合材料压缩性能的研究

利用二维编织机,设计编织用芯模尺寸,编织成不同层数的编织铺层复合材料。讨论多层碳纤维/环氧树脂编织铺层复合材料的压缩性能,并分析不同层数、不同编织角的编织铺层复合材料的平均压缩模量的变化规律及压缩破坏模式。结果表明,随着层数的增加,编织铺层复合材料的平均压缩模量呈下降趋势;在同一块编织铺层复合材料板内,编织角影响编织铺层复合材料的平均压缩模量,其随编织角增大而减小;编织铺层复合材料的压缩破坏模式主要是分层现象较明显,其次是树脂剥离、碳纤维脆断。

二维单轴与二轴编织铺层复合材料压缩性能

研究了编织角和纤维体积分数的变化对二维单轴和二轴编织铺层复合材料压缩性能的影响,分析了两种复合材料试样的压缩破坏模式。结果表明:当两种结构的编织角和纤维体积分数相同时,二维单轴编织铺层复合材料的压缩强度和压缩模量均高于二维二轴编织铺层复合材料;当承受沿试样长度方向压缩载荷时,两种复合材料试样中编织角较小的区域破坏较为严重,且层内裂纹沿试样厚度方向延伸,但其在层间的延伸并不连续。研究表明二维单轴编织铺层复合材料中纤维屈曲的减少对提高复合材料的压缩性能有明显效果。

二维三轴编织铺层复合材料开孔前后弯曲性能

采用普通机械方式对不同层数二维三轴编织铺层复合材料进行开孔,并对开孔前后材料的弯曲性能进行研究.结果表明：当孔直径与试样的宽度比为1∶3.88时,铺层数为一、二、三的编织复合材料开孔后最大弯曲载荷和弯曲强度较开孔前分别下降了1/3左右;弯曲弹性模量分别下降了1/2左右.开孔前后试样的最大弯曲载荷和弯曲弹性模量都随着铺层数的增加而增加,但当铺层数达到一定层数后,对弯曲性能的改变量减小.材料弯曲破坏试验中表现的主要破坏模式为压缩破坏.开孔对周围的影响主要为距孔边缘1-2mm范围.

二维三轴编织复合材料的开孔静力学性能及失效行为

为考察典型二维三轴编织复合材料(2DTBC)在开孔条件下的静力学性能及失效机理,采用机器人辅助二维三轴编织及真空树脂灌注工艺成型制备了2DTBC试样,并分别考察了其在开孔拉伸(OHT)、开孔压缩(OHC)、单钉单剪(SBS)及单钉双剪(SBD)四种典型开孔静力测试下的力学响应及失效行为。结果表明:较传统层合板而言,2DTBC的开孔性能保持率显著提高,轴向及横向开孔拉伸强度保持率分别达到94.77%和96.88%,轴向及横向开孔压缩强度保持率分别达到93.25%和82.74%。OHT试样的失效模式表现为纤维束断裂、纤维束拉拔损伤、基体破坏和界面分层损伤。OHC试样的失效模式表现为纤维束屈曲失效、分层损伤和基体破坏。SBS及SBD试样的失效模式主要表现为螺钉连接处的分层、纤维束开裂及基体破坏,且试样在达到载荷峰值后没有立即失效,表现出了较好的能量吸收能力。

二维三轴向编织混杂层合复合材料的冲击性能

为探讨混杂结构与破坏机制关系,本文研究了在铺层数目相同时,4组二维三轴向编织碳纤维/玻璃纤维混杂层合复合材料受到低速冲击后的冲击性能。实验结果表明:编织混杂层合复合材料受冲击后表面产生的裂纹均比纯碳纤维或纯玻璃纤维编织层合复合材料多,且正面裂纹纵向扩展范围较大,背面裂纹横向扩展范围较大;碳纤维+玻璃纤维+碳纤维编织层合复合材料单位厚度吸收的能量比纯碳纤维编织层合复合材料提高7.61%;玻璃纤维+碳纤维+玻璃纤维编织层合复合材料单位厚度吸收的能量比纯玻璃纤维编织片层合复合材料提高2.21%;混杂层合复合材料受冲击后在厚度方向产生的损伤扩展较少;层合复合材料在低速冲击作用下不易分层,通过合适的铺层方式及纤维组合能够实现正的混杂效应,并能有效改善材料的抗冲击性能。

真空吸渗挤压二维正交铺层C_f/Al复合材料压缩失效机制

采用真空吸渗挤压技术制备了二维正交铺层碳纤维增强铝基(2D-C_f/Al)复合材料,研究了室温下2D-C_f/Al复合材料沿不同方向的压缩性能及其失效行为.研究结果表明:利用真空吸渗挤压技术制备的复合材料的浸渗质量良好,微观组织致密,基体铝合金和纤维分布均匀,无明显缺陷存在;沿垂直于纤维铺层方向的压缩屈服强度约为平行方向的2.5倍,比基体铝合金的压缩强度提高了57%.复合材料的压缩破坏机制与纤维铺层方向密切相关:当压缩载荷垂直于纤维铺层方向时,主要以剪切失效为主;当压缩载荷平行于纤维铺层方向时,主要以界面脱粘和纤维弯折失效为主.

二维三轴编织复合材料强度及渐进损伤数值预测

针对二维三轴编织复合材料纤维束路径周期波动问题,给出空间周期三次样条的求解方法,基于周期三次样条曲线段,求解任意一点处单元材料主方向。建立非对称的透镜形纤维束横截面,并考虑纤维束横截面随纤维路径产生的扭曲。基于区域叠合思想,利用直接网格建模而后切割的参数化单胞网格建立方案生成二维三轴编织复合材料更为精细的参数化单胞模型。基于Murakami损伤理论建立正交各向异性损伤本构模型,利用等价位移控制实体单元相应模式下损伤的演变发展,在单胞模型中引入界面单元,考虑界面相损伤对材料损伤演变过程的影响,预测45°编织角二维三轴编织复合材料在轴向和横向拉伸载荷作用下的强度以及细观损伤起始、扩展和最终失效过程。数值预测结果与试验结果吻合较好。

二维三轴编织复合材料预压单胞模型建立及其弹性规律数值预测

针对二维三轴编织复合材料预压参数化单胞模型建立困难的问题,结合变形后的预制件模型单元离散数据,采用体素法生成了参数化的单胞模型,同时利用周期三次样条曲线构造了纤维束路径,建立了纤维束任意一点处的材料方向计算方法,以及可以描述非对称透镜形平面曲线的参数方程,然后通过单元切割程序,获得了挤压变形的编织预制件网格模型。结合变形后的预制件单元离散数据,利用体素法生成了在界面上和单胞边界面上均位移连续的参数化单胞模型,分析了不同网格尺寸下有限元模型的收敛性,并验证了模型的计算精度。实验结果表明可利用该模型对实际预压条件下二维三轴编织复合材料的弹性规律进行预测。

基于二维抽样优化的复合材料超椭圆板与穿孔板振动优化设计

复合材料超椭圆板与穿孔板被广泛应用于工程结构中,控制其固有振动频率可有效避免共振。本文基于二维抽样优化算法(2DSO)优化了复合材料超椭圆板和穿孔矩形板的铺层序,以使其振动基频最大。2DSO由抽样优化和分层优化算法(LOA)组成,充分利用了层合板层压参数降维技术、弯曲刚度敏度及其线性叠加特性。在抽样优化阶段,先基于动态距离约束获得一个抽样优化解,然后基于该解通过LOA进行了铺层序优化直至获得最终优化铺层序。之后采用基于经典层合板理论的里兹法求解了复合材料层合板的振动基频,并利用2DSO优化了不同边界条件和长宽比的复合材料超椭圆板和穿孔板铺层序,优化结果表明二维抽样优化算法高效、稳定且具有良好的鲁棒性。

国产T300级碳纤维二维纺织结构复合材料的力学性能研究

为研究国产碳纤维二维编织复合材料的力学性能,本文分别对国产碳纤维二维编织物、经编织物、机织物增强复合材料进行分析,在表征国产碳纤维二维编织结构复合材料力学性能的同时,比较二维编织结构复合材料与经编织物、机织物结构复合材料的力学性能优劣。结果表明,对二维编织织物的定型处理能减少纤维间的滑动,保证织物结构;四种织物增强复合材料结构均较为均匀,成型质量良好;经编织物增强环氧树脂基复合材料的拉伸强度最大,12K机织物、二维编织物和3K机织物增强环氧树脂基复合材料的拉伸强度相近,比经编织物增强复合材料强度低约15%;经编织物、3K机织物增强复合材料的压缩强度相近且较高,12K机织物、二维编织增强复合材料的压缩强度低约30%;经编织物增强复合材料的弯曲强度最高,3K机织物次之,二维编织物和12K机织物相对较差。四种复合材料的弯曲模量相接近,最大相差约10%;3K机织物的剪切强度约为其他织物的2倍。

混杂编织层合复合材料低速冲击性能研究

主要研究三组二维三轴混杂编织层合复合材料在铺层数目相同时,不同混杂编织方式对低速冲击性能的影响,为其在航空航天等领域的应用研究提供一定的设计依据和理论基础。由低速冲击以及三点弯曲实验的对比和分析研究表明,编织纱是玻纤、轴纱是碳纤的二维三轴编织片层合制得的复合材料,冲击后其表面产生裂纹较少、单位厚度吸收能量较低、在厚度方向产生损伤范围较小,冲击后弯曲损伤较小,抗冲击性能较好;通过合适的碳纤/玻纤混杂编织方式可实现正的混杂效应,进而增强其层合复合材料的抗冲击性能。

编织复合材料弹性性能的细观分析及试验研究

基于细观分析与体积平均法建立了二维编织/RTM复合材料刚度的理论分析方法,该分析方法针对工程应用,具有计算量较小、计算精度高等优点,完成了相应的软件分析工具,并在此基础上对编织复合材料的弹性性能进行分析研究,得到了结构参数对编织复合材料整体力学性能的影响。通过与实验数据的对比表明,分析结果精度高,能够满足工程结构设计和理论分析的需要,为二维编织复合材料的设计、分析和减少试验件提供了理论分析方法。

编织结构复合材料的编织原理

编织结构复合材料是近年来迅速发展的理想结构复合材料,其最突出的特点是整体性好,力学结构合理。目前,这种材料广泛使用于航空航天、交通运输、石油化工、武器装备、体育用品等诸多领域,本文主要论述编织结构复合材料的二维、三维编织原理。

编织复合材料弹体和靶板偏航撞击响应分析

为研究复合材料机匣在复合材料弹体撞击过程中弹体的破坏模式与机匣吸能特性,在ANSYS/LS-DYNA软件中基于连续损伤力学模型开展了一系列的复合材料弹体偏航撞击仿真。仿真结果表明:对于偏航撞击,随着偏航角度的增加,弹体剩余动能逐渐减小,靶板吸收的能量逐渐增大,主要是因为偏航角度越大,弹体与靶板接触面积逐渐增大。同时通过仿真得到钛合金弹体冲击复合材料靶板的计算结果,发现钛合金弹体临界穿透速度比复合材料弹体小,更易击穿靶板,因此复合材料叶片的使用不仅可以减轻叶片的质量,也有助于改善机匣包容性。

二维编织碳纤维增强树脂复合材料一步法铺层展开

二维编织碳纤维增强树脂复合材料的铺层展开质量对铺覆过程和产品质量有直接且显著的影响。本文针对二维编织碳纤维增强树脂复合材料铺层展开问题进行了研究,建立复合材料材料、随体和全局坐标系,并基于连续介质理论根据坐标系间的转换关系构建了非正交各向异性本构模型;完成了二维编织碳纤维增强树脂复合材料力学性能试验,包括测量复合材料拉伸性能的单向拉伸试验和测量剪切性能的镜框剪切试验;开发了二维编织碳纤维增强树脂复合材料一步法铺层展开算法并基于FORTRAN语言编写了自主可控的一步法铺层展开求解器。计算了口盖零件展开构型,展开构型轮廓线与实验结果分布趋势相同且最大误差仅为5.0 mm,相对误差仅为1.9%;剪切角计算结果与实验分布趋势一致且最大误差仅为4°,验证了一步法铺层展开算法和求解器的有效性。

二维二轴1×1编织复合材料细观结构模型及力学性能有限元分析

考虑纤维束相互挤压及横截面形状变化,采用纤维束截面六边形假设,建立了二维二轴1×1编织复合材料的参数化单胞结构模型。通过引入周期性位移边界条件,基于细观有限元方法,对编织材料的弹性性能进行预测,讨论了编织角及纤维体积含量对面内弹性常数的影响,并分析了典型载荷下单胞细观应力场分布。研究表明:单胞结构模型有效反映了纤维束的空间构型和交织特征,实现了不同编织工艺参数下模型的快速建立;基于单胞有限元模型的弹性性能预测结果与试验结果较为吻合;模型给出了单胞合理的应力场分布,为二维编织复合材料的结构优化和损伤预测奠定基础。

二维三轴编织复合材料的弹性性能分析

提出了二维三轴编织复合材料的几何模型,模型考虑了纤维束的弯曲扭转状态及空间交错特性等几何元素.基于体积平均法,建立了预测二维三轴编织复合材料弹性性能的理论分析模型;通过引入更普遍适用的周期性位移边界条件,结合二维三轴编织复合材料的细观实体结构,建立了分析其力学性能的有限元模型.两种模型预测结果均与试验结果吻合,证明了方法的合理有效性.分析了材料受载下的细观应力分布,并讨论了编织参数对材料性能的影响.研究表明,二维三轴编织复合材料轴向性能得到了增强,应力分布更均匀,编织角以及纤维体积含量对材料弹性性能影响较大.

二维二轴编织复合材料几何模型及弹性性能预测

提出了二维二轴1×1和2×2编织复合材料的几何模型,模型考虑了纤维束的相互挤压及横截面的变化。基于细观分析和体积平均法,建立了预测二维二轴编织复合材料弹性性能的理论分析方法。数值结果与试验结果吻合,表明该方法行之有效,且具有运算快、精度高、适合工程分析等优点。分析了编织角、纤维体积含量和纤维束横截面形状对材料弹性常数的影响。研究表明,编织角对弹性常数的影响具有互补性,材料弹性模量与纤维体积含量成正比,纤维束截面形状变化对材料弹性常数影响不大。

二维三轴编织复合材料压缩失效行为的细观有限元模拟

为研究典型二维三轴编织复合材料(2DTBC)的压缩破坏机理,建立了细观有限元模拟方法体系。提出了反映编织复合材料真实几何特性的单胞模型建模策略,根据Murakami-Ohno损伤理论建立了各向异性损伤模型来模拟纤维束中的损伤起始和扩展行为,通过引入波动系数描述了纤维束的起伏状态,并采用内聚力单元来模拟界面分层。在此基础上,分析得到了二维三轴编织复合材料在压缩载荷下的破坏过程,研究了压缩载荷下纤维束和界面层的损伤演化,探讨了纤维束波动对压缩性能的影响规律。通过与相关试验结果对比,该模型能够准确预测二维三轴编织复合材料在面内压缩载荷下的力学响应和主要失效行为,以及自由边效应。细观失效过程分析结果表明,二维三轴编织复合材料轴向压缩的破坏是由轴向纤维束的纤维压缩失效主导的;横向压缩破坏则是由偏轴纤维束的纤维压缩失效引起的。

不同铺层角度编织复合材料力学性能的试验研究

为了探究铺层角度对二维编织复合材料力学性能的影响规律,针对不同铺层角度纤维方向的试样进行了拉伸、弯曲和简支梁冲击性能试验来对比其力学性能。实验结果表明,铺层角度明显地影响其力学性能,其中二维编织复合材料沿[(0,90)]铺层试样相较于[(±45)]试样,拉伸强度提升了3.72倍,能够承受的最大弯曲载荷提升了2倍,而耐冲击性提高1.67倍,为编织复合材料车身覆盖件的设计提供了试验基础。