含铁磁微丝的二维机织复合材料电磁屏蔽性能研究

将具有优良电磁性能的铁磁微丝引入石英纤维织制的平纹组织纺织结构中,形成特殊排布的二维机织复合材料。通过调整铁磁微丝在平纹结构中的循环间距和循环长度,对复合材料的电磁屏蔽性能进行探究,分析其电磁屏蔽机制。结果表明,在8.2~12.4 GHz的电磁频率范围内,这种材料的电磁屏蔽以吸波机制为主。3种不同铁磁微丝循环长度复合材料中,当循环长度为0.80 mm,电磁频率为11.7 GHz时,材料的电磁屏蔽性能最好,电磁屏蔽效能达46.2 dB。3种不同铁磁微丝循环间距复合材料中,当循环间距为2.0 mm,电磁频率为12.3 GHz时,材料的电磁屏蔽性能最好,电磁屏蔽效能达33.2 dB。以电磁波吸收机制为主的含铁磁微丝复合材料可以减少因电磁波反射而造成的二次污染,在航空航天、军事和民用等领域具有巨大的应用潜力。

二维机织复合材料力学分析中的周期性边界条件研究

为了精确地进行二维机织复合材料力学性能的数值分析,需建立单胞模型的准确边界条件。基于周期边界条件理论,提出了简便通用的二维机织复合材料周期边界方程,并给出了周期边界条件下各弹性常数在有限元分析中的求解方法;为验证周期边界条件的正确性,建立了9个单胞构成的九宫格结构,取中央单胞作为参考单胞,对不同边界条件下独立单胞的变形和应力分布与参考单胞进行对比。研究结果表明:即使在单向拉伸载荷下,单胞各个边界面也不保持平面状态,而是出现凹凸翘曲变形,即存在边界周期性;通过边界周期性条件,可正确地获得二维机织织物的工程弹性常数。

二维机织树脂基复合材料湿热性能研究

实验研究了不同铺层厚度的二维机织玻璃纤维织物/环氧胶膜基体复合材料层压板室温和湿热环境下的开孔拉伸和弯曲性能。结果表明,材料弯曲强度具有尺寸效应,弯曲强度随试样铺层厚度增加基本上线性下降,下降率为5.2%/mm;材料平衡吸湿量平均为2.2%,吸湿后基体性能发生退化,退化程度与试样厚度有关。材料达到平衡吸湿后70℃,相对湿度85%的湿热环境下,弯曲强度下降严重,其强度保有率平均为31.7%;开孔拉伸强度保有率随试样厚度线性增加,增加率为4.2%/mm,强度保有率平均为70.0%。

二维机织复合材料湿热环境下挤压和断纹剪切强度研究

实验研究不同铺层厚度的二维机织F115玻璃纤维织物增强FM-73环氧胶膜基体复合材料层压板室温和湿热环境下的螺栓连接挤压强度和断纹剪切强度。结果表明,材料挤压强度和断纹剪切强度具有尺寸效应,挤压强度随试样铺层厚度增加而增加,未吸湿室温条件和吸湿湿热条件下,材料挤压强度最大增幅分别为37.50%和35.72%;断纹剪切强度随试样铺层厚度增加而下降,未吸湿室温条件下,断纹剪切强度随试样铺层厚度增加线性下降,最大降幅为15.31%,吸湿湿热条件下,最大降幅为9.85%。材料平衡吸湿量平均为2.2%,吸湿后材料性能发生严重退化,材料达到平衡吸湿后,摄氏70℃,相对湿度85%的湿热环境下,挤压强度保有率平均为54.22%;断纹剪切强度保有率平均为53.96%。

含孔二维机织复合材料层合板强度预测方法研究

将基于单层板理论的逐渐累积损伤强度预测方法推广用于含孔二维机织复合材料层合板的强度预测,建立了含孔二维机织复合材料层合板的逐渐累积损伤强度预测方法。并在ANSYS软件平台上开发了相应的参数化二维机织复合材料含孔层合板逐渐累积损伤强度预测程序,对两种孔径两种铺层的含孔二维机织复合材料层合板的强度进行预测,并对其损伤扩展规律进行了分析。经与试验结果对比表明本文所建立的强度预测方法效果良好。

二维机织C/SiC复合材料非线性力学行为数值模拟

建立了考虑纤维束内部缺陷以及外部基体缺陷的多尺度单胞模型。首先依据电镜扫描图和材料内部单胞的密度,确定了纤维束单胞和复合材料单胞的几何尺寸;然后引入周期性边界条件,利用含缺陷的纤维束单胞模型计算了其初始模量和强度;最后使用由电镜扫描图确定尺寸的复合材料单胞模型,利用上一尺度的材料参数,对复合材料的模量进行了预测;并建立了含损伤纤维束单胞的刚度矩阵,运用基于不同失效模式下损伤状态变量的刚度渐进折减法表征材料积分点损伤,通过数值结果与试验结果的对比,分析了Hashin准则作为判定纤维束起始损伤的适用性,并最终据此给出了单轴载荷作用下受损材料参数的变化情况。分析表明:基于考虑两种缺陷的多尺度模型,使用Hashin准则对C/Si C复合材料单胞进行非线性应力-应变行为数值预报与实验吻合良好。

基于RVE方法的二维机织复合材料弹性性能预测

为了预测二维机织复合材料的弹性性能,基于代表性体积单元(RVE)方法,分别建立了二维机织复合材料的细观结构理论计算模型及有限元分析模型。考虑到经纬纤维束间的挤压变形及其交织点处的间隙厚度,引入变形因子k建立修正的二维机织复合材料的细观几何模型;基于修正的几何模型,给出两种模型下宏观弹性常数的计算方法。结果表明:采用理论计算模型、有限元分析模型计算出的宏观弹性常数与试验值的最大误差分别为3. 89%、9. 18%;证明了修正模型的合理性以及理论计算模型、有限元分析模型的正确性,为探究二维机织复合材料的细观力学性能奠定了基础。

二维与三维机织复合材料面内力学性能对比

设计并制备了结构形式和工艺参数相同的二维机织层合和三维机织复合材料,利用数字图像同步测试技术(DIC)系统地开展了经、纬向拉伸、压缩试验和面内剪切试验。结合试样表面应变场的演化过程和断裂形貌分析,对比研究了二维机织层合复合材料和三维机织复合材料的承载机制、力学性能和失效机制的差异。结果表明,经纱在层间的交织联锁对机织复合材料的宏观力学行为和承载机制有重要影响,三维机织复合材料牺牲了经向拉伸和压缩性能,得到了更好的结构整体性和更高的纬向性能。此外,三维机织复合材料的经向拉伸应力-应变曲线具有明显的非线性特征。同时,经纱对纬纱的强约束导致了纤维束/基体界面上的弱粘接,降低了三维机织复合材料抵抗剪切变形的能力。

弯曲载荷下机织复合材料T型接头渐进失效分析

根据树脂传递模塑(RTM)成型的缎纹机织复合材料T型接头的结构特征和纤维布局特点,基于ANSYS有限元数值分析平台,建立符合其真实结构的几何模型和有限元分析模型。基于渐进失效强度预测方法的基本思想,使用有限元计算软件ANSYS的参数化设计语言(APDL)开发相应的程序,实现改进形式的Hashin失效准则。采用合适的最终失效评价方法,建立二维机织结构复合材料T型接头受弯曲载荷时的渐进失效预测方法,能够有效地模拟从初始加载到最终失效过程中机织复合材料T型接头结构的力学响应及损伤的萌生与发展,并预测结构的静强度。