复合材料蜂窝夹芯结构低速冲击后压缩强度的可靠性与灵敏度分析

建立了一种复合材料蜂窝夹芯结构低速冲击后压缩强度的可靠性与灵敏度分析方法。利用ABAQUS有限元分析软件和VUMAT子程序建立了蜂窝夹芯结构冲击后压缩渐进损伤失效分析模型,并通过试验验证模型的有效性;在此基础上,利用Python语言对模型中材料力学性能和面板厚度、蜂窝芯子厚度进行参数化;采用径向基神经网络代理模型替代渐进损伤失效分析模型;基于蒙特卡洛法进行冲击后压缩强度的可靠性分析;分别采用基于方差和基于失效概率的方法进行参数的灵敏度分析,并研究参数的变异系数对结构可靠性的影响。结果表明:在外载荷低于10000 N,结构失效概率小于0.00017的情况下,当外载荷达到12700 N时,结构失效概率达到0.9;面板的力学性能、面板厚度、蜂窝芯厚度对冲击后压缩强度的影响较大;冲击后压缩强度的变异系数随着参数变异系数的增大而增大。

平纹编织复合材料加筋壁板低速冲击及冲击后压缩性能多尺度分析

该文通过构建平纹编织复合材料(plain woven composites,PWC)的微/细/宏观多尺度模型,对复合材料T型和工型加筋壁板的低速冲击(low-velocity impact,LVI)和冲击后压缩(compression after impact,CAI)性能进行分析。根据PWC内部结构特征,构建微观和细观代表性体积单元(representative volume element,RVE)模型,通过施加不同的载荷条件,预测其等效力学参数。同时,基于局部均匀化方法,将细观RVE模型转化为包含0°和90°子胞的等效交叉层合板(equivalent cross-ply laminate,ECPL)胞元。通过ECPL胞元建立PWC加筋壁板的宏观分析模型,并进行LVI和CAI性能分析。首先进行了能量为8 J、10 J和12 J的LVI试验和多尺度模拟,研究了PWC加筋壁板在LVI载荷下的力学行为。随后,对不同能量冲击后的加筋壁板进行CAI试验和数值模拟,研究其冲击后压缩剩余力学性能和损伤行为。最后,通过对比分析不同能量冲击下的LVI和CAI试验和预测结果,发现多尺度模型对加筋壁板力学性能的预测误差均小于6%,验证了该多尺度模型的有效性。试验和预测结果表明,在CAI载荷作用下,PWC加筋壁板的蒙皮部分沿着冲击损伤的位置发生完全断裂,其中,纤维断裂和层间分层成为PWC加筋壁板的主要损伤形式。此外,工型加筋壁板表现出更好的抵抗压缩强度衰减能力。

斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板冲击后压缩行为分析

[目的]为分析冲击损伤对层合板压缩强度和失效行为的影响,对冲击后的编织碳纤维复合材料层合厚板开展面内压缩试验和数值仿真研究。[方法]通过建立有限元模型,开展层合板冲击后的压缩仿真分析,采用Fortran语言编写用户自定义材料子程序(VUMAT),实现改进的Hashin失效准则和基于损伤变量的材料退化模型在ABAQUS/Explict中的应用;从压缩强度和压缩破坏模式两方面将数值模拟与试验结果进行对比,验证所建立数值模型的有效性。[结果]结果显示,冲击损伤会降低层合板的压缩强度,无损层合板的压缩失效模式为端部破坏,冲击后的层合板会出现横贯试件中部的截断式破坏;冲击后的压缩强度会随冲击能量的增大而降低,但压缩强度与冲击能量之间并不存在线性关系;层合板损伤行为的拓展与压缩载荷的历程密切相关,压缩载荷在达到层合板破坏载荷的阈值之前,层合板的损伤几乎没有发生拓展,一旦压缩载荷达到阈值,损伤将沿宽度方向迅速拓展,最终发生横贯整个模型宽度方向的压缩损伤。[结论]所做研究可为斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板的抗冲击性能评估提供参考。

三维正交机织复合材料的冲后压缩性能

为揭示纱线张力对三维机织复合材料抗冲击及冲后压缩性能的影响规律,基于多剑杆织造工艺,配置不同接结纱张力(25、50、100 cN)织造三维正交机织物,通过真空辅助树脂传递模塑成型工艺制备复合材料,并在室温下进行低速冲击及冲后压缩性能测试。结果表明:当接结纱张力为100 cN时,试样在冲击载荷下发生表层树脂大面积破裂和剥离并使纬纱失去支撑,同时,试样表层纬纱发生较大卷曲,促使压缩载荷发生屈曲失效;接结纱张力为100 cN试样的压缩性能相比接结纱张力为25 cN试样下降约50%;接结纱张力较高时易导致纬纱卷曲增大和树脂富集,并由此降低试样的弯曲刚度和冲后压缩性能。

基于加权随机森林算法的复合材料冲击后压缩剩余强度预测研究

飞机复合材料结构在服役中难免会因外物冲击而造成损伤,从而在一定程度上降低结构的承载能力,更会对飞机的飞行安全造成影响。相对于拉伸性能,复合材料对压缩性能更为敏感,因此对复合材料冲击后压缩性能进行研究意义重大。本文对复合材料冲击后压缩剩余强度试验数据进行工程方法分析,与随机森林预测结果进行了对比研究,结果表明,与现有工程方法相比,本文建立的基于加权随机森林算法对复合材料冲击后压缩剩余强度的预测精度有显著提升。

Z向增强复合材料层压板冲击后压缩性能试验研究

通过对三种Z向增强(包括改进锁式缝合、Tufting缝合和Z-pin增强)复合材料层压板的冲击及冲击后压缩试验研究,得到Z向增强复合材料层压板的冲击后压缩强度,分析破坏模式和破坏机制,并与未增强层压板试验结果进行对比。研究结果表明,由于Z向增强有效抑制了分层损伤,使三种Z向增强试件的破坏模式与破坏机制明显不同于未增强试件,大幅度提高了抗冲击性能,与未增强层压板相比,三种Z向增强层压板的冲击损伤面积大幅减小,冲击后压缩强度大幅提高。分析缝合工艺对两种缝合试件抗冲击性能的影响,结果表明,与改进锁式缝合相比,Tufting缝合试件的冲击损伤面积减小了12.42%,而冲击后压缩强度则增加了13.43%,说明Tufting缝合试件的抗冲击性能优于改进锁式缝合。

二维编织层压板湿热环境下冲击后压缩性能的实验研究

实验研究了二维编织环氧树脂基玻璃纤维复合材料层压板在室温和湿热条件下的冲击后压缩性能。结果表明,该体系复合材料平衡吸湿量平均达到2.2%。吸湿过程中材料性能发生退化,退化程度与试件厚度有关。材料达到平衡吸湿后,室温环境下的冲击能量平均下降19.2%。摄氏70℃,相对湿度85%环境下,冲击后压缩破坏应力平均下降54.3%。

复合材料冲击损伤及冲击后压缩强度的等效实验方法

简要论述了复合材料低速冲击及冲击后压缩的研究情况 ,比较了几种不同的冲击后的压缩实验方法 ,选取一种小尺寸试件方法 ,对复合材料低速冲击后的压缩行为进行研究 ,并将结果与有关文献进行了比较 ,实验结果与文献结果具有一致的变化规律 .研究结果显示 ,对于材料研究 ,该方法可以用来表征复合材料冲击后的压缩特性 .使用该方法可以大大节省实验费用及周期 .

复合材料层压板冲击后压缩剩余强度的统计分析与可靠性评估

通过对T300/5405复合材料层压板的冲击后压缩强度试验数据的统计分析,指出冲击后压缩剩余强度符合Weibull分布。在此基础上,通过引入冲击威胁的概念,对T300/5405复合材料层压板进行了冲击损伤容限可靠性分析。研究表明,通过在可靠性分析中引入了冲击威胁的概念,可以较充分地发挥复合材料层压板的损伤容限性能。

芳纶/炭混编三维编织复合材料冲击后压缩性能实验研究

基于三维五向和三维六向编织结构,设计制备了4种芳纶/炭混编三维编织环氧复合材料,测试并分析了不同混编方式、不同编织结构复合材料的轴向压缩性能及接近18 J冲击能量下的冲击后压缩性能。结果发现,同种编织结构下,编织纱选用芳纶纤维、轴纱/六向纱为炭纤维的混编方式比编织纱为炭纤维、轴纱/六向纱为芳纶纤维的三维编织复合材料具有更高的CAI性能;同一种芳纶/炭混编方式下,三维五向较三维六向编织复合材料的CAI性能高;编织纱选用芳纶纤维、轴纱选用炭纤维混编方式的三维五向编织复合材料轴向CAI性能最好,对低速冲击损伤最不敏感,表现出较高的冲击损伤容限。进一步的观测表明,韧性芳纶纤维的加入改变了非混杂炭纤维三维编织环氧复合材料的冲击后压缩破坏模式。

三维五向编织复合材料低速冲击及冲击后压缩性能实验研究

通过实验研究三维五向碳纤维/环氧树脂编织复合材料低速冲击及其冲击后压缩(CAI)性能。测试试件虽然有不同的编织角度,但承受相同的冲击能力。采用冲击后压缩测试表征不同编织结构的冲击后剩余力学性能。结果表明:编织角较大的试件由于其更紧密的空间结构,能承受更高的冲击载荷且冲击损伤区域更小。CAI强度和损伤机理主要取决于编织纤维束的轴向支撑。随着编织角的增加,CAI强度降低,材料的破坏模式也由横向断裂转变为剪切破坏。

缝纫增强复合材料冲击损伤与冲击后压缩破坏研究

采用缝纫工艺对基于预浸料辅层的复合材料进行厚度方向增强，用落球法进行了冲击损伤和冲击后压缩破坏实验。结果表明，增强缝纫线强度和缝纫密度均能减少冲击损伤面积；提高缝纫密度能显著提高部冲击后压缩强度，但缝纫线强度对冲击后压缩强度没有明显影响。并对实验结果进行了分析。

CFRP层合板冲击后压缩失效分析数值模拟

复合材料层合板的损伤容限是复合材料结构设计的关键因素。针对碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板低速冲击损伤和压缩破坏问题,本文基于连续损伤力学和粘结单元模型,在ABAQUS中对两种不同冲击能量下的层合板进行了低速冲击和冲击后压缩仿真分析,并对层内和层间损伤进行了研究,分析了层合板的冲击损伤与压缩失效行为,通过与试验结果进行对比,验证了该模型的有效性。研究结果表明:冲击损伤对层合板的剩余压缩强度有着重要影响,试件的破坏开始于冲击损伤区域,并逐渐扩展到层合板的边缘,压缩力快速下降,层合板最终失效。

基于渐进均匀化多尺度方法的CFR平纹机织材料冲击后压缩损伤研究

本文针对CFR平纹机织材料层合板低速冲击及冲击后压缩(CAI)响应和损伤问题,提出了一种渐进均匀化多尺度分析方法。基于渐进均匀化方法分别算出微观纤维束和介观子胞的等效强度和刚度,在这个基础上,采用三维Hashin失效准则以及连续损伤力学模型来模拟CFR平纹机织材料层合板的损伤起始和演化,用内聚力模型来模拟层间损伤。研究结果表明:CFR平纹机织材料低速冲击后压缩的仿真结果和试验结果吻合较好,验证了渐进均匀化多尺度方法的可靠性和准确性;随着冲击能量的递增,层合板的剩余压缩强度呈非线性下降。纤维损伤和基体损伤在低速冲击载荷下,随着冲击能量的增加,冲击损伤面积增大。而CAI行为则相反,压缩损伤面积随着冲击能量的增大而减小。

湿/热环境对环氧树脂复合材料冲击后压缩剩余强度的影响

将带孔复合材料放置于湿/热环境中处理,将低速冲击、压缩力学测试与数字图像相关技术(DIC)相融合,研究其抗冲击性能及冲击后压缩性能变化规律及机理。首先对复合材料进行湿/热处理,利用吸湿率与失重率评价处理程度,其次对处理后层合板进行低速冲击试验,再进行冲击后压缩(CAI)试验评估剩余性能,同时对压溃过程进行DIC信息数据采集,最后使用扫描电子显微镜(SEM)进行微观损伤形貌表征。结果表明高温环境对复合材料影响更大。DIC技术采集的应变数据与应变仪(SG)结果差异较小,且DIC数据离散度更低,具有代替应变仪的可行性。微观形貌上,湿度环境影响环氧树脂黏合纤维,基体吸水膨胀,热环境下基体与外界空气反应,层内基体收缩,但仍与纤维黏合。

碳纤维平纹机织复合材料低速冲击及冲击后压缩性能多尺度分析

构建了多尺度模型对碳纤维平纹机织复合材料低速冲击及冲击后压缩性能进行预测分析,该多尺度模型包括微观、细观和宏观模型三部分。构建“碳纤维基体”的微观代表性体积单元模型,用于预测纤维束等效力学参数。根据平纹机织复合材料内部几何构型及求得的纤维束等效力学参数,构建“纤维束基体”的细观单胞模型,并通过周期性边界条件对其施加不同的位移载荷,预测细观单胞模型的等效力学性能。基于局部均匀化方法将细观单胞模型简化为含有0°和90°单层的等效交叉层合板模型,并将其阵列扩展为宏观模型,以分析低速冲击及冲击后压缩性能。通过对比不同冲击能量下的低速冲击及冲击后压缩的试验与仿真结果,验证了模型的有效性。

复合材料薄板冲击后压缩性能研究

原有的冲击后压缩试验夹具无法防止薄板的整体失稳,为了获得正确的破坏模式,通过有限元分析设计了新的试验夹具。试验证明了新夹具的有效性,没有改变试件原有的应力状态,可以获得与标准试验相同的破坏模式。对比了不同铺层比和不同材料复合材料薄板的冲击后压缩性能。试验结果表明铺层比对冲击后压缩强度的影响很大,不同铺层比层合板的冲击后压缩破坏应变基本一致,织物铺叠层合板的CAI性能略与单向带铺叠的层合板差别不明显。

缝合复合材料层板面内边缘冲击及冲击后压缩实验

利用真空辅助树脂传递成型(VARTM)技术制备缝合/未缝合碳纤维层板,并分别对其进行了五种不同能量的面内边缘冲击及冲击后压缩实验,结构内部的冲击损伤通过超声C扫描检测技术进行观测。结果表明:缝合工艺的引入能有效提高碳纤维层板的面内冲击阻抗及损伤容限,在五种能量范围内,冲击峰值力的增幅达到4.54%~10.33%,冲击后剩余压缩强度的增幅最高达到9.32%;另外,通过超声C扫描检测结果发现,面内边缘冲击后,在复合材料面板上的冲击点附近会出现一个半椭圆形的分层区域,且缝合层板的分层损伤面积明显小于未缝合层板;未缝合层板面内边缘冲击后压缩的主要破坏模式为分层扩展,而缝合层板面内边缘冲击后的压缩失效模式为整体屈曲。

蜂窝夹芯复合材料修理结构的冲击后压缩性能

采用挖补修理法对玻璃纤维增强复合材料蜂窝夹芯板进行了修理。针对完整及经修理的蜂窝夹芯板(简称修理夹芯板)进行了低速冲击实验,并对其冲击后压缩(compression after impact,CAI)性能进行了表征。用外观检测和激光共聚焦显微镜对蜂窝夹芯板内部的破坏情况进行测量,对比分析了完整与修理蜂窝夹芯板冲击及压缩破坏特点。结果表明,完整和修理蜂窝夹芯板冲击穿透破坏分别发生在40 J、50 J冲击能量下。相同冲击能量下,完整蜂窝夹芯板冲击破坏面积大于修理结构,导致CAI强度较修理结构低。CAI破坏机理包括冲击损伤破坏和压缩破坏扩展,冲击点是冲击破坏最严重的部位。

后压缩垃圾车标准件系统研究与开发

针对后压缩垃圾车设计需大量重复使用标准件的特点,以NX为开发平台,在总结、归纳后压缩垃圾车设计特点的基础上,开发了后压缩垃圾车标准件系统,实现了参数化设计和后压缩垃圾车三维标准件的自动建模,研究了后压缩垃圾车标准件系统研究与开发的关键技术,通过系统运行实例验证了本系统设计开发产品的有效性。