对二维编织复合材料弹性、热、强度及失效分析模型的评论

纺织结构作为聚合物复合材料的增强相在许多工业应用中变得非常重要,例如在航海与航空领域中,由于其刚度及强度与其重量的高比值而倍受炊迎.由于工业及工程应用的需求,研究纺织复合材料的弹性性质及失效行为变得非常重要.这篇文章重点评论了关于二维编织复合材料弹性、热、强度及失效分析的数值及解析模型,给出了主要的建模技术及方法.同时也简单给出了编织复合材料从最初的一维模型到最近三维模型的发展.本文的目的不是对所论模型的数学方法进行详细分析,而是告知研究者关于先前工作的主要思想.这篇评论总共引用了122篇文献.

二维编织复合材料力学性能分析研究进展

论述了二维编织复合材料力学性能研究进展,主要包括结构几何模型的研究、力学性能的实验研究和理论研究三部分。在细观结构研究中,选择代表性体积单元建立合理的简化几何模型是应用最为广泛的。在力学性能的研究中,主要分析弹性性能,分析方法以有限元方法为主。最后,总结研究存在的问题,并对未来的研究趋势进行展望。

二维编织复合材料在正交切削中的切削力和加工表面质量研究

二维编织碳纤维复合材料因其具有优异的力学性能和耐疲劳、耐冲击等特点被广泛用于制造各类复合材料结构件中。但是由于二维编织碳纤维复合材料的多相性和特殊的纤维结构,其机械加工性能与传统金属材料和单向纤维复合材料差异较大。为了研究二维编织碳纤维复合材料的切削性能,提高加工效率和加工后的表面质量,基于正交切削实验对二维编织碳纤维复合材料在切削过程中的切削力进行测试,并利用金相显微镜和粗糙度轮廓仪来表征加工表面质量。实验结果显示,正交切削过程中纤维方向角度对切削力的大小影响巨大,当切削速度提高和切削深度降低时,复合材料展现了更好的切削性能,并且加工后的表面质量更高。

环境温度对二维编织SiC/SiC复合材料拉伸性能的影响研究

为了研究环境温度对陶瓷基复合材料拉伸性能的影响,在室温和800℃,1000℃,1200℃惰性气体保护环境下开展了二维编织SiC/SiC复合材料的拉伸试验。采用数字图像相关技术采集了高温环境下试件的变形数据。通过光学显微镜和扫描电子显微镜拍摄了试件的断口形貌。结果表明:800~1200℃内,二维编织SiC/SiC复合材料的拉伸应力-应变响应同样具有明显的双线性特征,初始线性段的弹性模量与室温测试结果相近,高温环境下第二线性段弹性模量低于室温环境;800~1200℃惰性气体环境下材料拉伸强度较室温环境低20%左右;温度主要影响材料中纤维与基体的结合状态和SiC纤维的强度。一方面,温度越高断口纤维拔出情况越严重;另一方面,温度越高SiC纤维强度越低,二维编织SiC/SiC复合材料强度也有所下降。

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。

二维编织C/SiC复合材料的热膨胀系数预测

根据二维编织C/SiC复合材料的细观结构及其制备工艺特点,提出了一种预测该材料面内热膨胀系数的单胞模型。模型充分考虑了编织结构复合材料中的纤维束弯曲和CVI工艺制备陶瓷基复合材料产生的孔洞对热膨胀系数的影响。利用单胞模型预测了二维编织C/SiC的结构参数、纤维体积含量、孔洞含量对复合材料热膨胀系数的影响规律,结果表明:随着纤维束扭结处产生间隙与纱线宽度比值的增大,热膨胀系数增大;当其它参数不变时,随着纤维体积含量的增大,热膨胀系数反而下降;随着孔洞含量的增加,热膨胀系数也出现了下降的趋势。利用DIL402C热膨胀仪测试了二维编织C/SiC复合材料纵向热膨胀系数,试验结果与模型预测结果吻合较好。

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。

三维四向编织复合材料弹性模量数值预报

对三维四向编织复合材料的参数化建模技术进行了研究 ,提出了一种“米”字型枝状体胞的计算模型 ,较为真实地模拟了该材料的细观结构 ;在此基础上讨论了相应的边界条件和约束条件并应用有限元方法计算了该材料的纵向、横向弹性模量 .通过与实验结果的对比可见 。

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。

BMI树脂RTM成型工艺性及其编织复合材料性能研究

对一种双马来酰亚胺树脂的树脂传递膜塑成型工艺性能及其二维编织复合材料的力学性能进行研究。结果发现:该BMI树脂在130～150℃之间,不仅具有低粘度,而且保持时间长,具有优异的RTM成型工艺性能。该树脂基编织复合材料不同方向力学性能不同,在编织角附近存在最大值。通过对其二维编织复合材料板的力学性能测试分析可知,采用传统的复合材料力学性能测试方法来评价二维编织复合材料的性能并不十分合适。

编织角对复合材料弹性性能的影响

为了获取编织复合材料宏观尺度结构的等效弹性参数,对二维编织复合材料1×1单胞模型进行拉伸性能仿真分析,获得结构应力分布规律及载荷位移关系。基于弹性理论,利用单胞模型的等效弹性模量表征二维编织复合材料的弹性性能,并进一步分析不同编织角对编织复合材料等效弹性模量的影响。结果表明:单胞模型中的纤维束和基体的应力随着编织角的增大而减小,且纤维束作为主要承载体,应力远大于基体,编织方向的等效弹性参数随编织角的增大而减小。

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。

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。

二维编织C/SiC陶瓷基复合材料的热传导系数预测

根据二维编织C/SiC复合材料的细观结构及其制备工艺特点,提出了一种预测该材料热传导系数的单胞模型。模型简化了编织结构纱线的实际构型,充分考虑了编织结构复合材料由于化学气相渗透(CVI)工艺制备陶瓷基复合材料产生的孔洞对热传导系数的影响。利用单胞模型预测了二维编织C/SiC的结构参数、纤维体积含量、孔洞体积含量对复合材料热传导系数的影响规律。结果表明:随着纤维束扭结处产生间隙与纱线宽度比值的增大,热传导系数减小;当其它参数不变时,热传导系数随着纤维体积含量和孔洞体积含量的增加而下降。利用Hot Disk热测量仪采用瞬变平面热源法测试了二维编织C/SiC复合材料面内的热传导系数,试验结果与模型预测结果吻合较好。

二维编织陶瓷基复合材料偏轴拉伸力学性能预测

基于二维编织C/SiC复合材料的细观结构,建立了碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体和纤维束/表层SiC基体两种尺度下的细观单胞模型,通过有限元方法计算碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体模型的等效弹性常数和强度,然后代入纤维束/表层SiC基体模型中计算,并引入Tsai-Wu失效准则,考虑不同失效模式的损伤,建立了二维编织C/SiC复合材料的渐进损伤模型,模拟了其偏轴拉伸应力-应变行为。针对该模型,阐述了二维编织C/SiC复合材料单胞模型在复杂应力状态下其纤维束的损伤过程。数值模拟结果与实验数据吻合较好,验证了模型的有效性,为该种材料的力学性能分析提供了一种有效方法。

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。