不同冲击参数下Nomex蜂窝板的低速冲击损伤

Nomex蜂窝板因具有轻质、高强度的特点,在航空航天、高速列车、船舶制造等领域得到了越来越广泛的应用。但特殊的三明治夹层结构使其对冲击载荷特别敏感,较小的冲击载荷都可能对结构造成不可避免的损伤,从而使结构力学性能下降。针对Nomex夹层板的低速冲击性能,利用落锤冲击试验及精细化仿真模型探究Nomex蜂窝板在不同直径冲头和不同能量冲击下的力学性能反馈及损伤情况,并建立最大峰值力的理论计算模型,以判断服役蜂窝板遭受损伤的工况环境,对蜂窝板的实用工况调整提供一定的参考。

编织复合材料低速冲击损伤超声热成像检测

编织复合材料低速冲击损伤主要为内部的分层损伤,采用目视检测无法有效检测损伤,损伤使得结构承载能力严重降低,威胁编织复合材料构件的安全使用。本文使用超声红外热成像技术对编织复合材料低速冲击损伤进行无损检测研究,使用10J、20J、30J、40J、50J的冲击能量制作了5个试件。对超声激励过程的温升曲线、空间温度曲线进行了详细分析;对比不同冲击能量试件发现,低速冲击下损伤主要是内部损伤,冲击能量越大,损伤区域越大,且损伤具有延展性。采用曲线分类算法对损伤区域进行了定量识别,发现编织复合材料损伤面积和冲击能量成线性关系。

z-pin增韧复合材料层合板低速冲击损伤过程研究

从z-pin增韧复合材料层合板低速冲击实验出发,考虑了复合材料层合板在受低速冲击时的分层及基体开裂等四种损伤形式,引入适当的损伤判据,对T300/3234碳纤维树脂基复合材料层合板的低速冲击损伤过程进行有限元模拟。结果表明,采用碳纤维钉z-pin增韧使得冲击后层间分层区域面积减小50%左右,有限元结果与实验数据吻合。

复合材料层合板低速冲击损伤容限的改进方法和影响因素

依据笔者在这方面的研究和前人的工作 ,以及现有各种改进炭纤维增强树脂基复合材料冲击性能的方法 ,分析和总结了复合材料层合结构冲击损伤以及损伤容限 ,其中主要是冲击后压缩强度的重要影响因素 。

整体中空夹层复合材料低速冲击损伤及剩余强度实验研究

简要论述了整体中空夹层复合材料低速冲击及冲击后剩余强度的研究情况,选取了三种不同规格的试件进行了不同能量下的低速冲击试验和冲击后的拉伸,压缩强度试验,得到不同能量下材料的损伤情况和强度变化曲线。实验结果与国外相关文献进行了对比,与文献结果具有一致的变化规律,对整体中空夹层复合材料的运用及推广有一定得参考意义。

基于LS-DYNA的复合材料层合板低速冲击损伤研究

结合应力强度理论和粘接域理论,提出一种全新的复合材料低速冲击损伤模型,利用大型动力有限元软件LS-DYNA进行实现,并通过算例的分析,验证了该模型的准确合理性。研究结果为复合材料抗低速冲击损伤提供理论依据。

非热压罐预浸料T700SC/#2510层板的低速冲击损伤特性

通过试验研究了一种非热压罐(Out of Autoclave,简称OOA)预浸料T700SC/#2510层压板的低速冲击损伤特性。针对三种典型铺层方案,获得了层压板的凹坑深度-单位厚度冲击能量(d-e)、损伤面积-单位厚度冲击能量(S-e)和冲击后压缩强度-凹坑深度(σ-d)曲线,以及三个批次的该OOA预浸料准各向同性层压板在标准冲击能量6.7J/mm下的剩余压缩强度结果。结果表明,T700SC/#2510材料体系冲击表面损伤不明显,但内部损伤却较大;该OOA预浸料的d-e曲线、S-e曲线和σ-d曲线均存在拐点现象;准各向同性铺层可以吸收更高的冲击能量,但也导致了更大的内部分层损伤;该OOA预浸料的CAI强度满足第二代OOA预浸料的指标。

复合材料低速冲击损伤超声红外热波检测能力评估

为评估超声红外热成像对复合材料低速冲击损伤的检测能力,提出了评估流程和评估标准。设计并制作了复合材料层合板,分别采用超声红外热成像和超声C扫描两种方法对不同冲击能量下的冲击损伤进行了检测研究,以超声C扫描结果作为参照,对比分析了超声红外热成像的检测结果并对损伤大小进行了定量识别。结果表明:超声红外热成像不仅能够对冲击损伤进行准确的定位,还能有效地检测出冲击引起的纤维断裂、基体开裂和分层等具体的损伤形式,检测速度快,非常适合用于在线检测;与超声C扫描相比,超声热成像方法对冲击损伤大小的识别误差小于6%,检测精度较高,满足检测要求。

低速冲击损伤对复材加筋板压缩性能的影响

对无损伤及含低速冲击损伤的复合材料加筋板进行了压缩试验,分别采用数字图像相关方法(DIC)电测法对加筋板屈曲后屈曲行为进行了实时测量。试验结果表明:冲击损伤对屈曲载荷、屈曲模态影响不明显,对破坏载荷及破坏模式影响较大;相比于完好加筋板,含冲击损伤加筋板蒙皮纤维损伤沿着横向扩展,导致结构提前破坏,强度降幅达30%。随后,采用软化夹杂法对冲击损伤进行了等效简化,并基于改进的Tsai-Wu准则、二次应力准则建立了复合材料加筋板渐进损伤有限元分析模型,分别对完好及含冲击损伤加筋板压缩后屈曲失效过程进行了模拟。与试验结果相比,预测的屈曲载荷误差小于1%,破坏载荷误差小于6%,屈曲模态、失效过程及破坏模式均与试验结果一致。最后,基于有限元分析方法讨论了蒙皮上冲击损伤位置对加筋板压缩性能的影响,分析得出:冲击损伤位置对屈曲载荷、屈曲模态影响较小,对破坏载荷和破坏模式影响较大,特别是当冲击损伤位于长桁帽底蒙皮波谷时引起的强度降幅最为显著。

复合材料低速冲击损伤研究及等效模型的应用

复合材料低速冲击损伤的特殊性及危害性使得对航空复合材料冲击损伤的评估尤为重要。该文通过建立数值计算模型并结合实验数据解决了4个方面的应用问题:1)在ABAQUS子程序VUMAT中引入损伤模式及损伤演化,结合层间连接单元对层合板低速冲击损伤进行了模拟;2)损伤容限设计方法要求对含缺陷结构的极限强度做出正确的评估,通过ABAQUS子程序USDFLD引入损伤模式及材料折减方案,得到了含圆孔的层合板极限拉压强度;3)通过ABAQUS子程序UMAT引入损伤模式及刚度折减方案,结合层间连接单元,模拟了含预制分层的层合板压缩失效问题;4)针对共用铺层结构的工程有限元计算问题,提出了力学等效模型,将该模型应用到结构级的静力实验模拟并拓展至结构冲击模拟。

复合材料层合板低速冲击损伤激光散斑干涉无损检测研究

复合材料层合板在外界激励下很容易产生层合板表面无法探测到的内部低速冲击损伤,从而引起材料失效甚至破坏。首先通过对低速冲击后的层合板进行目视检测获得了层合板受冲击后的若干损伤特征,然后利用数字散斑干涉测量技术(DSPI)对受到低速冲击的层合板在热载下进行内部低速冲击损伤检测。实验结果表明DSPI技术通过观察散斑干涉条纹的不规则分布即可准确、灵敏识别复合材料层合板表面难以观察到的内部低速冲击损伤,并且通过图像处理技术及相移技术可以准确评估内部低速冲击损伤对复合材料层合板的结构变形带来的影响。

针刺炭/炭复合材料层合板低速冲击损伤仿真

为分析针刺作用对炭/炭复合材料力学性能的影响,通过对针刺炭/炭复合材料层合板进行整体结构分析,建立相应的宏观有限元模型。针对炭布层和网胎层分别引入适当的损伤判据,通过有限元软件ABAQUS/Explicit实现了针刺炭/炭复合材料层合板的低速冲击过程的模拟。结果表明,炭布的损伤主要沿着纤维方向进行扩展,与实验研究结果较为吻合;层合板在多种动能冲击下没有发生分层,表明针刺作用增强了复合材料的层间性能。

基于红外热成像的CFRP复合材料低速冲击损伤表征

采用红外热成像检测技术对20 J、40 J冲击载荷下的碳纤维增强树脂基(CFRP)复合材料层合板表面与内部损伤进行识别。针对内部缺陷定量提取不准确的问题,通过分析红外图像空域特征,提出一种多尺度八方向边缘检测图像分割算法。首先依据敏感区域最大标准差法选取最优图像并采用模糊C均值聚类算法对红外缺陷图像进行预分割获取先验信息,然后构建圆形卷积模板对红外图像进行多尺度八方向卷积运算,引入OTSU算法分割梯度图像,结合形态学运算得到缺陷边缘图,对目标区域进行连通域分析,实现缺陷特征的定量提取。研究结果表明,本文算法提高了损伤区域弱边缘的检测能力,保证了缺陷边缘的完整性与连通性,相较于传统图像分割方法在缺陷面积、长径、短径的检测精度上分别提升了20.41%、5.61%、9.77%以上。

复合材料长桁结构低速冲击响应及剩余压缩承载能力的试验研究

对3种截面形状的复合材料长桁实施了2类冲击方向的损伤试验,建立了冲击能量与可见损伤尺度之间的内在联系,并据此确定了3种复合材料长桁产生勉强目视可见冲击损伤(Barely visible impact damage,BVID)所需的临界冲击能量。针对含有BVID的复合材料长桁试样,进行了额外的冲击后压缩试验,测得每种复合材料长桁的剩余压缩强度。研究结果表明,3种不同截面形状的复合材料长桁均呈现一致的规律:相对于面外冲击载荷,面内冲击载荷对应着更小的临界冲击能量以及更天的剩余强度衰减幅度。研究还表明在2种不同方向的冲击载荷影响下,1型长桁具有最高的冲击损伤可见度、且T型长桁居中、J型长桁最弱。同时,T型长桁具有最高的剩余承载能力、且J型长桁居中、I型长桁最弱。综合冲击损伤可见度及剩余承载能力2个关键指标,可认为3种截面形状中,T型复合材料长桁性能最优。

湿热老化对亚麻纤维增强泡沫夹芯板冲击力学性能的影响

通过真空辅助树脂注射技术制备出由亚麻纤维面板和聚氨酯泡沫材料芯组成的夹芯板,分别在25、40、55和70℃下对夹芯板开展水浸泡老化实验,并对老化后的夹芯板进行低速冲击测试。采用正交实验设计,考察了夹芯板在不同温度下的吸湿率和抗冲击能力随时间变化规律。分析了夹芯板的接触力、位移和吸收能量等冲击响应历程,结合夹芯板损伤形态观察,研究了老化后夹芯板的冲击损伤特征。结果表明:随着老化温度的提升和老化时间的延长,夹芯板的吸湿率逐渐增大,抗冲击性能呈阶梯状下降;与25℃老化条件对比,70℃老化30 d的夹芯板受12 J能量冲击时的峰值力下降51.6%,吸收能量下降56.7%。

RTM用ES-Fabric增强织物的制备及其复合材料性能研究

基于"离位"增韧技术,将"离位"增韧剂聚醚砜均匀地附载在增强织物上,制备具有增韧功能的ES-Fabric增强织物。以ES-Fabric增强织物作为增强体,采用垂直流动RTM工艺制备了"离位"增韧的不同树脂基(6421、3266和5284树脂)复合材料,并进行了性能研究,结果表明:垂直流动RTM工艺缩短了注胶时间,改善了"离位"增韧的RTM工艺,"离位"增韧的复合材料不仅提高了复合材料层压板的冲击损伤阻抗(用分层的投影面积超声C扫描来评价),也提高了层压板的冲击后压缩强度(用CAI值来评价),并且增韧后的复合材料的基本力学性能并没有降低。

聚醚砜改性C_f/BMI复合材料的制备与性能

基于"离位"增韧技术,将"离位"增韧剂聚醚砜(PES)均匀地附载在碳纤维织物上,采用RTM工艺制备了Cf/BMI复合材料(U3160/6421),通过低速冲击、DMA、SEM和基本力学性能测试分析,研究了PES对U3160/6421复合材料性能的影响。结果表明,采用PES附载的ES-Fabric织物制备的复合材料具有良好的增韧效果,其CAI值提高了85%。由于PES的加入,在复合材料层间出现了PES和树脂BMI6421的相反转结构,改善了复合材料的损伤阻抗,提高了复合材料的损伤容限,并且"离位"层间增韧对复合材料的力学性能影响不大。

碳纤维增强环氧树脂基复合材料轴管的低速冲击失效机制及剩余压缩性能

采用落锤冲击试验模拟低速冲击过程,对碳纤维增强环氧树脂基复合材料传动轴的轴管在不同能级冲击下的损伤行为以及冲击后的剩余压缩性能进行了研究;通过ABQUAS有限元分析软件和X射线断层扫描技术(CT)相结合的方法观察了复合材料轴管在受到低速冲击时的损伤形式,研究其内部损伤规律。结果表明,复合材料轴管的抗冲击形变能力随着冲击能量的增加先增强后减弱,在冲击能量为10~20 J之间出现最大值。CT无损检测结果显示复合材料轴管的失效形式包括分层损伤、树脂开裂和纤维破裂(断裂)。在低能量冲击时,复合材料轴管主要产生分层损伤和树脂的开裂,而纤维断裂损伤只出现在冲击位置,且随着冲击能量的增加纤维断裂现象愈加显著。有限元仿真结果显示复合材料轴管中的碳纤维在拉伸方向的失效明显小于压缩失效,压缩失效沿纤维排布方向扩散,拉伸失效沿轴向和横向呈十字扩散,轴向失效的程度大于横向失效的程度;而树脂的压缩失效沿轴向从冲击位置向横向扩散,扩散形状近似圆形,越靠近圆心失效越明显,拉伸失效范围呈十字,整体失效沿十字边缘扩散。

“离位”增韧T800H/5228ES复合材料的制备与性能研究

基于"离位"增韧技术,以PAEK膜为增韧膜,制备了T800H/5228ES预浸料及其复合材料,通过Ⅰ型层间断裂韧性、Ⅱ型层间断裂韧性和低速冲击等试验,对比考核"离位"增韧T800H/5228ES复合材料相对于传统树脂增韧X850复合材料的增韧特性,分析了T800H/5228ES复合材料的增韧机理。结果表明,相比于X850复合材料,T800H/5228ES复合材料有较高的GⅠC值、GⅡC值和CAI值,"离位"增韧在T800H/5228ES复合材料层间形成了热固性树脂/热塑性树脂双连续相结构,这种结构大大提高了复合材料层压板的层间断裂韧性、冲击损伤阻抗和损伤容限等性能。

整体中空夹层复合材料冲击后剩余强度研究

简要论述了整体中空夹层复合材料低速冲击及冲击后剩余强度的研究情况,建立了不同能量冲击下三种不同规格材料的有限元分析模型,对三种不同规格的试件进行了不同能量下的低速冲击试验和冲击后的拉伸、压缩强度试验,得到不同能量下材料的损伤情况和强度变化曲线。实验结果与国外相关文献结果具有一致的变化规律,对整体中空夹层复合材料的运用及推广有一定得参考意义。