混合复合层材料增强金属内衬圆柱壳失效机理研究

重点针对混合复合层材料增强金属内衬圆柱壳在旋转或者内压载荷下的失效机理进行了研究。首先,通过有限元法建立圆柱壳的应力计算模型,并进行试验验证;其次,通过理论分析,明确随着载荷增加,金属内衬的应力率先达到屈服强度,并分析金属屈服后对复合材料层应力的影响;最后,设计验证试验,建立复合材料各层应力与爆破压力关联性方程,明确了混合复合层材料增强金属内衬圆柱壳的失效机理为:随着载荷的升高,金属层屈服导致其模量退化,引起复合材料层应力迅速增加,最终由于碳纤维复合材料层达到其极限强度而失效。理论分析与试验结果相吻合。

数值模拟在激光制备锌铝合金基氧化铝陶瓷复合层材料研究中的应用

运用大型有限元分析软件Ansys,时激光制备锌铝合金基氧化铝陶瓷复合层材料实验中的温度场进行数值模拟。模拟结果与实验现象基本吻合,并为实验现象和结果的解释提供了有力的辅助证明。

高速冲击加载下碳纤维复合材料层合结构抗侵彻特性及响应机理

碳纤维复合材料层合结构在高冲击服役环境中常遭受外来物体冲击作用,使之出现一些不可预测的各种损伤形式,甚至会出现不可控的损伤模式。为确保这些结构的安全性和可靠性,对碳纤维复合材料层合结构抗冲击响应及防护机理展开了研究。以碳纤维复合材料层合结构作为研究对象,基于一级轻气炮构建高速冲击加载试验装置,探明了碳纤维复合材料层合结构能量吸收特性与冲击能量之间的联系规律,结合弹道极限方程,确定了其弹道极限,并明确了不同冲击速度作用下的损伤模式。同时引入内聚力单元进行数值模拟仿真研究,探明了碳纤维复合材料层合结构层与层之间内聚力单元的损伤模式,揭示了其在高速冲击加载环境下的损伤机制。研究结果为反向设计适用于高速冲击加载环境复合材料层合结构提供理论依据。

含孔复合材料层合板的单轴拉伸渐进损伤研究

针对复合材料的分层现象,结合考虑材料脆性断裂的三线性内聚力模型,通过Fortran语言,编写了Abaqus用户子程序,建立了三维的含孔复合材料层合板渐进损伤分析模型。针对4种不同的铺层方式,进行了单轴拉伸试验,使用大型商用有限元分析软件Abaqus进行建模,对层合板的孔边损伤进行了分析。结果表明,模型可以较好地预测含孔复合材料层合板单轴拉伸失效的极限载荷和损伤形貌,层合板的失效区域主要集中于孔边。此研究方法和成果可为复合材料层合板设计和维修提供参考依据。

变刚度复合材料层合板研究进展

变刚度复合材料层合板由纤维曲线铺放而成,可以实现刚度分布的变化设计,与传统固定铺层角的复合材料层合板相比,变刚度复合材料层合板在减少重量和成本的同时,也提高了结构性能。随着铺放设备的发展,目前已经能够利用自动铺放技术实现纤维的曲线铺放。同时,为提高复合材料构件的结构性能和满足不同的工程实际需求,铺层设计方法也从单一角度的直线铺层逐渐向变角度曲线铺层发展。本文首先介绍了变刚度复合材料层合板设计制造方法与有限元建模,接着在刚度分布、屈曲特性、失效行为等方面阐述了变刚度复合材料层合板力学性能的研究进展,然后结合南京航空航天大学复合材料工程自动化技术研究中心在变刚度复合材料层合板振动特性方面的研究,对变刚度复合材料层合板振动特性进行了分析和概括,最后对变刚度复合材料层合板未来的研究趋势进行了论述与展望。

三维角联锁机织铺层复合材料的开孔拉伸性能

为了研究孔径对三维角联锁机织铺层复合材料拉伸性能的影响,制备了三种不同孔径的三维角联锁机织铺层复合材料并测试了其拉伸性能,并利用非接触全场应变测试系统和显微图像分析技术对复合材料进行了表征。结果表明,在拉伸过程中应变集中区域从孔的周边过渡到左右两侧,应变累计变化速率随着孔径的增大而增大。相比于开孔前样品,6、10、14 mm三种孔径样品的拉伸强度分别下降了23.13%、44.47%、50.08%,开孔试件的模量分别下降了16.92%、14.93%、22.25%。拉伸破坏包含纱线断裂、纤维拔出、界面脱粘等形式,其中较大孔径(14 mm)条件下,断口处分层破坏现象不显著。

多层金属复合材料的应变局部化延迟和抗断裂失稳机理

多层金属复合材料在航天航空、汽车、船舶、核能电力领域中起着非常重要的作用。相比于传统单一金属,多层金属复合材料具有超高的塑性变形能力和断裂韧性。综述了多层金属复合材料在塑性变形过程中的应变局域化延迟和抗断裂失稳的特征和机理,归纳出周期性颈缩、脱层断裂、隧道裂纹、弥散剪切带对抑制多层金属复合材料塑性失稳的作用机理,并阐明脱层断裂、裂纹分叉、隧道裂纹对多层金属复合材料的增韧机理,和对韧脆转变行为的作用规律,可为金属材料强韧化提供新的设计思路和技术支撑。

水下爆炸冲击波与复合材料层合板的相互作用

复合材料具有重量轻、强度高等特点,在舰船结构安全与轻量化领域具有广泛潜在应用价值。本文采用声-固耦合方法建立了水下爆炸冲击波与碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板相互作用数值分析模型,研究了冲击波与复合材料结构相互作用过程,阐明了水下爆炸冲击能量耗散分配机制,验证了声-固耦合渐进损伤分析方法的可靠性。在此基础上,研究了层合板厚度及结构材质对相互作用关系的影响。研究结果表明,爆炸冲击波作用在复合材料层合板上,约31%的冲击波能量以靶板面内损伤和振动的方式耗散掉,约69%的能量在靶板弹性作用下反射回水域中;随着复合材料层合板厚度增加,反射能量的占比逐渐增加,吸收能量占比减小,靶板内部损伤与变形减小;相同水下爆炸冲击载荷作用下,复合材料层合板相对于等质量5A06铝板和Q235钢板具有更优良的抗冲击性能。

碳纤维复合材料层合板的动态力学性能及失效机制

为了进一步明确碳纤维增强复合材料(CFRP)在冲击加载下的动态力学行为,采用电子万能试验机和霍普金森压杆(SHPB)试验装置,研究了铺层方式为[-45°/90°/45°/0°]的CFRP在厚度和面内方向的静/动态力学性能。结果表明,CFRP复合材料主要发生脆性破坏,在不同方向纤维铺层之间相互纠缠,有效支撑基体,可避免材料发生瞬间坍塌失效。受微裂纹扩展和加载速率关系的影响,复合材料呈现出明显的正相关应变率效应,虽然加入了不同铺层纤维,但材料失效破坏仍主要由基体决定。沿厚度方向加载,裂纹主要以沿45°角扩展的剪切破坏为主,断面在剪应力作用下出现了大量纤维的拔出和断裂。沿面内加载方向,纤维间的粘结层发生脆性断裂,与加载方向一致的纤维发生了屈曲失稳,裂纹穿透纤维层导致脱层。

多层复合材料黏接缺陷的声阻法检测

用于直升机桨叶的新型多层复合材料以不锈钢、橡胶、加热组件和玻纤黏接而成,因其结构复杂且工作环境恶劣,亟需进行严格的质量控制。常规超声检测信号混叠现象严重,无法检出橡胶与玻纤黏接层缺陷。在分析复合材料机械阻抗的基础上,搭建了基于声阻法检测该复合材料的模型,并推导出两个用以表征黏接缺陷信息的参量。试验结果表明,使用机械阻抗的相位与幅值能较好地表征材料缺陷的深度与大小信息,声阻法检测复材黏接缺陷具有较高的可靠性和缺陷检出率。

基于S_(0)波的正交铺层复合材料板拉伸弹性模量的测量方法

提出了一种基于兰姆波的正交铺层复合材料板弹性模量测量方法。正交铺设层合板相当于具有9个独立弹性常数的单层正交各向异性板。研究了正交各向异性板中S_(0)模态兰姆波(S_(0)波)群速度对9个工程弹性常数的敏感性。研究发现,在低频率厚度积下,S_(0)波的群速度仅与正交各向异性板的拉伸弹性模量和面内泊松比有关。通过分析正交铺设层合板等效工程弹性常数的变化范围,发现正交铺设层合板的面内泊松比变化很小,足以忽略其对S_(0)波群速度的影响。因此,可以用S_(0)波的群速度来估计正交铺层复合材料板的拉伸弹性模量,并建立了S_(0)波群速度与拉伸弹性模量的映射关系。该方法已在碳纤维增强正交铺设层合板上进行了数值模拟和实验验证。数值模拟和传统的静态拉伸实验验证了该方法的有效性。结果表明,该方法得到的复合材料板拉伸弹性模量与实际值的误差小于10%,为航空航天等工业领域相关结构参数的测量提供了方便。

多层异构复合材料的制备及吸波性能

通过模板法与物理混合法相结合,成功制备了三维网络结构的BaTiO_(3)(BTO)+Fe_(3)O_(4)三聚氰胺泡沫异质结构复合材料,采用扫描电镜和X射线衍射对复合材料样品的表面形貌和晶体结构进行了表征,并使用矢量网络分析仪测试了该样品在2~18 GHz频率范围内的复介电常数和复磁导率,并根据测量数据计算了反射损耗值。随后,使用COMSOL多物理场仿真软件进行有限元分析,研究了该复合体系的吸收机制和吸波性能。结果表明:成功引入了BTO和Fe_(3)O_(4)形成的大量异质界面到三维网络结构碳中,构建了异质结构。BTO和Fe_(3)O_(4)优化了三维网络结构的阻抗匹配,从而显著提高了多层异构复合材料的有效吸收带宽。此外,BTO、Fe_(3)O_(4)和三维网络碳结构构筑成了高气孔率的三维网络,导致电磁波在材料内部发生多次反射和散射,增强了电磁波与材料之间的相互作用,实现了对电磁波的吸收,提升了吸波效率。该复合材料展示了出色的吸波性能,当复合材料的厚度为2.9 mm时,最强的反射损耗值达到−54.76 dB,而当复合材料的厚度为2.7 mm时,有效吸收带宽提升至7.92 GHz。

基于电热耦合分析 SMA-CFRP 复合材料层合板雷击烧蚀损伤

为了研究形状记忆合金(SMA)材料对碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料层合板的雷击损伤防护效果,基于常用的雷击电热耦合模型建立含形状记忆合金丝的层合板的雷击损伤有限元分析模型,与参考结果进行对比以验证模型的合理性,并与传统层合板的雷击损伤进行对比来分析SMA丝的雷击防护作用。此外,分析了不同峰值电流、SMA丝不同数量、嵌入SMA丝区域之间的不同间距和层合板不同铺层顺序等因素对SMA-CFRP层合板烧蚀损伤结果的影响,并分析影响规律。结果表明:SMA对CFRP层合板的雷击损伤防护有显著的效果,其中峰值25 kA雷击电流导致的烧蚀损伤面积降低至无防护层合板的57.43%。此外,SMA丝数量、嵌入SMA丝区域之间的不同间距和层合板的铺层顺序对SMA-CFRP层合板的烧蚀损伤的面积和深度具有较大影响。

碳/玻混杂纤维铺层顺序对其复合材料力学性能的影响

混杂纤维增强复合材料可通过混杂纤维的协调匹配产生协同混杂效应,从而提高复合材料在强度、刚度、性价比等方面的优势。为了研究碳纤维与玻璃纤维铺层顺序对复合材料力学性能的影响,制备5种不同铺层顺序的碳/玻混杂纤维增强复合材料,结合显微组织与拉伸断口分析了纤维铺层顺序对其强度、刚度、应力-应变曲线的影响规律。结果表明:铺层顺序对复合材料的力学性能影响显著,铺层间隔越均匀其增强效果越好,碳纤维或玻璃纤维集中分布于试样中间时均不利于复合材料性能的提升,碳纤维、玻璃纤维单层间隔时其抗拉强度比纯玻璃纤维增强复合材料提高了约60%,3层间隔时其强度略低于纯玻璃纤维增强复合材料;铺层间隔越均匀其层间开裂越集中且断口处纤维单丝拔出长度越大;碳纤维加入后复合材料的刚度大幅度提升,其应力-应曲线出现不同程度的波动,但铺层顺序对复合材料刚度影响甚微。

非对称铺设双稳态正交复合材料层合方形板的静力学与动力学分析

建立了非对称铺设双稳态正交复合材料层合方形板的静力学和动力学模型。通过固化分析确定了三个平衡状态,展示了以温差绝对值为控制参数的超临界叉形分岔。通过稳定性分析确定了三个平衡状态为两个稳定平衡状态和一个不稳定平衡状态。通过静力学分析确定了双势阱势能曲线,这有助于对动态跳跃现象的研究。通过在动力学分析中引入阻尼,分析了平衡点的动态分岔。通过数值模拟讨论了基础激励频率对动力学特性的影响。当激励频率处于一定范围内时,系统会发生双势阱大振幅动态跳跃和非线性振动,此频率范围可以被设定为特定频率带宽。双稳态系统的主要动力学特性表现为周期振动、概周期振动和混沌振动。

超薄单层复合材料缠绕压力容器承载性能研究

针对压力容器承载性能,基于经典层合板刚度等效理论,提出了一种可以考虑复合材料缠绕层单层厚度的压力容器承载性能分析方法;与实际铺层有限元模型进行对比,验证了分析方法的有效性;对不同单层厚度的复合材料进行了单向拉伸试验,获得材料强度与单层厚度的关系;分析了超薄单层复合材料缠绕压力容器的应力分布、失效系数分布及失效压力。结果表明,超薄单层复合材料缠绕压力容器的应力和损伤分布更为均匀,失效内压较常规单层厚度复合材料可提高54.5%。该研究成果可为超薄单层复合材料缠绕压力容器的结构设计提供可靠的理论参考。

累积叠轧焊Al/Mg/Al多层复合材料的腐蚀行为

研究累积叠轧焊(ARB)Al1050/AZ31/Al1050多层复合材料的腐蚀行为,腐蚀介质为3.5%Na Cl(质量分数)溶液,分析测试手段包括动电位极化测试(PDP)、电化学阻抗谱(EIS)、扫描电子显微镜(SEM-EDS)、拉曼光谱和X射线衍射(XRD)等。为了深入研究Al1050/AZ31/Al1050多层复合材料的耐腐蚀性和腐蚀产物,对ARB制备的Al1050/Al1050/Al1050多层复合材料进行了相似的测试作为对比。动电位极化曲线和电化学阻抗谱显示,ARB应变水平会显著影响腐蚀速率。与Al1050/Al1050/Al1050样品相比,Al1050/AZ31/Al1050多层复合材料具有更高的腐蚀速率和更低的极化电阻。AZ31层对腐蚀过程起主导作用。拉曼和XRD分析结果表明主要腐蚀产物为Mg(OH)2,且不含任何氯化合物(如(Mg(OH)_(2))·MgCl_(2))。

基于多层复合材料的墙体隔音特性研究

为了提升墙体的隔声特性,笔者设计了以金属板为基底的多层复合结构,分析了基底结构以及多层复合结构的隔声量。结果表明:所有墙板的隔声量随着频率的增加呈现为先快速上升后缓慢上升,最后趋于稳定的变化规律。单层金属板的隔声量-频率曲线高频稳定阶段的隔声量为42.6 dB;自由阻尼金属板的隔声量-频率曲线高频稳定阶段的隔声量为46 dB,比单层金属板的隔声量提升了7.9%;约束阻尼金属板的隔声量-频率曲线高频稳定阶段的隔声量为50.4 dB,比单层金属板的隔声量提升了18.3%。13 mm隔声板+75龙骨+自由阻尼结构的隔声量-频率曲线高频稳定阶段的隔声量为62 dB,18 mm隔声板+75龙骨+自由阻尼结构的隔声量-频率曲线高频稳定阶段的隔声量为72.5 dB。金属板通过阻尼处理后,基底结构的隔声量逐渐增加,隔声效果得到了较大的提升;多层复合墙板的隔声量远远高于单层墙体的隔声量,且随着隔声板厚度的增加以及将阻尼进行固定后,多层复合结构墙体的隔声性能进一步得到了较大的改善。

基于矩独立法的异质叠层复合材料铆接工艺参数灵敏度分析研究

为解决碳纤维增强复合材料(Carbon fber reinforced polymer,CFRP)与金属材料叠层构件铆接工艺复杂化的问题,提出了一种基于矩独立方法的叠层复合材料铆接工艺参数灵敏度分析的方法。首先,以CFRP与铝合金(Al)异质叠层材料结构为研究对象,采用有限元方法建立了CFRP/Al叠层结构的铆接仿真分析模型,并通过试验验证了仿真分析模型的正确性。其次,以铆接干涉量为目标,建立了基于随机森林方法的铆接工艺参数代理模型;随后通过代理模型进行数据扩展,以17项铆接工艺参数为输入变量,铆接干涉量为输出变量,采用基于矩独立的PAWN方法进行全局灵敏度分析,并给出了基于该方法的灵敏度系数。在铆接工艺参数对铆接干涉量的全局灵敏度系数中,异质叠层复合材料的弹性模量和厚度的灵敏度系数较大,分别为0.16921和0.11837,其次是系数为0.012的位移载荷和0.011的铆钉直径。其余工艺参数的灵敏度系数较小,一些对铆接干涉量影响很不显著的参数的灵敏度系数接近0。

改性聚醚醚酮三层复合材料摩擦磨损性能研究

通过喷涂-轧制复合工艺制备了不同质量分数聚四氟乙烯(PTFE)微粉改性的聚醚醚酮(PEEK)基三层复合材料,采用箱式炉对复合材料试样进行了烧结,对试样进行干摩擦端面摩擦磨损试验,研究了PTFE添加量对PEEK基三层复合材料摩擦学性能的影响,对试样显微硬度、结合强度、摩擦系数、磨损量、表面以及磨痕形貌进行了表征。结果表明:PTFE含量增加会降低PEEK涂层的硬度和结合强度,同时会显著降低PEEK涂层的干摩擦系数,但PTFE含量增加到40%后,表面显微组织能观察到PTFE团聚严重,使干摩擦系数和磨损量先减小后增大,磨痕显微组织则表明样品由黏着磨损转为磨粒磨损。