冲击作用下复合材料叠层板层间开裂演化模型

采用双线性特性破坏模型研究了复合材料叠层板层间开裂裂纹的演化,通过引入弹性/剪切模量的损伤参数,推导出损伤参数与应变之间的微分方程,并得到裂纹耗散功率与损伤参数变化率之间的关系.计算不同初始冲击速度下复合材料叠层板某界面上应变、应变率响应以及损伤参数的演化,即可得到该界面发生层间开裂的情形及其对剪切模量的影响.通过检查界面各点处的损伤参数是否发生改变,预测了冲击完成之后复合材料叠层板第1,2层之间发生层间开裂区域的大小与位置;该预测结果与实验数据及其他破坏准则计算结果基本相符.计算结果表明,在冲击过程中当界面上任意点处的剪应力超过剪切强度后,该点附近的剪切模量开始发生衰减,衰减大小随铁球初始冲击速度的增大而增大,并从靠近冲击中心的位置逐渐向周围递减.在四边简支边界条件下,复合材料叠层板的层间开裂区域同样最先出现在界面中靠近冲击点的位置,区域面积随初始冲击速度的增大不断扩大.当初始冲击速度足够高时,第1,2层界面的两条对称轴上开始出现多个独立的开裂区域.

低速碰撞下复合材料叠层板的微裂纹演化及其对弹性模量的影响

采用双线性特性破坏模型研究了复合材料叠层板各层内部开裂裂纹的演化;通过引入弹性模量的裂纹影响系数表示,推导出裂纹影响系数与应变及应变率之间的微分关系,并得到裂纹耗散功率与裂纹影响系数变化率之间的关系。通过计算不同初始碰撞速度下复合材料叠层板的应变、应变率响应以及裂纹影响系数的演化,得到整个冲击过程中各层内任意点附近裂纹开裂情形及其对弹性模量的影响;通过检查界面各点处的裂纹影响系数是否发生改变,预测了碰撞完成之后复合材料叠层板中各层内微裂纹的分布区域位置与大小;并将该预测结果与其他破坏准则计算结果进行了比较。计算结果表明,在碰撞过程中各层内任意点处的应力值超过其屈服强度后,该点附近的弹性模量开始发生衰减,衰减大小随铁球初始碰撞速度的增大而增大。在四边夹支的边界条件下,复合材料叠层板的裂纹分布区域同样最先出现在碰撞点及边界中点位置,区域面积随初始碰撞速度的增大不断扩大。

碳纤维复合材料/钛合金叠层板振动辅助钻孔技术

碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)/钛合金(Titanium alloy,Ti)叠层板材料两种材料加工性能差异极大,且钛合金导热系数和弹性模量低,极易产生高温螺旋长屑,不仅会影响自身孔表面质量,也会划伤和热损伤碳纤维复合材料层,这是该材料加工的主要难点。本文搭建了超声-低频振动钻孔试验台,在切削温度、钻孔质量和切屑形态等几个方面,对普通、旋转超声和轴向低频振动辅助等3种钻孔方式进行了对比分析,并对钛合金切屑造成的CFRP层损伤进行了机理探索。研究表明:相比普通钻孔,引入旋转超声和轴向低频振动可降低钻孔温度,提高钻孔质量。特别是轴向低频振动辅助钻孔方式,可有效打断钛合金切屑,切削温度比普通钻孔方式降低约45%,减轻了钛合金切屑对CFRP层的损伤,提高了钻孔质量。

阶梯钻钻削碳纤维复合材料-钛合金叠层板刀具磨损试验研究

采用自主磨制的阶梯钻对碳纤维复合材料/钛合金叠层板进行钻削磨损试验,并与普通麻花钻进行对比,分析了阶梯钻刀具磨损过程。实验结果表明:阶梯钻主要磨损区域为横刃、第一后刀面和第二后刀面,其中第二后刀面磨损最为严重,相比普通麻花钻,阶梯钻产生的钻削力更小,阶梯钻刀具寿命远远高于普通麻花钻。

钻削工艺对复合材料/金属叠层板孔质量的影响

采用整体硬质合金麻花钻对碳纤维复合材料/钛合金叠层板进行钻削试验,研究不同加工工艺下碳纤维复合材料层的孔径误差、孔入口撕裂因子、孔壁表面粗糙度、孔出口烧伤以及碳纤维复合材料孔壁形貌。结果表明,啄式钻削工艺下的钛合金切屑排出更顺畅,避免钛合金切屑对孔的二次伤害。对比3种工艺,变加工参数啄式钻削工艺下的碳纤维复合材料层的孔径误差更小,孔入口处的撕裂因子趋于稳定值且小于1.05,孔壁表面粗糙度更小,孔出口没有明显烧伤。

正交叠层复合材料板弯曲问题辛方法研究

基于变分原理,利用辛对偶方法分析叠层复合材料板弯曲问题。于是在由原变量及其对偶变量组成的辛几何空间内,许多有效的数学物理方法如分离变量法和本征函数展开法等均可直接应用于叠层梁弯曲问题的求解,推导矩形板本征值超越方程和本征向量的解析表达式。通过算例验证理论推导的准确性,结果显示取前几项本征值就可达到较高的精度。

阶梯钻钻削碳纤维复合材料/钛合金叠层板的实验研究

采用自行研制的阶梯钻对碳纤维复合材料/钛合金叠层板进行钻削实验,并与普通麻花钻进行对比。分析钻削力和钛合金切屑形态对孔质量的影响,研究不同加工参数下的钻削力、孔径及孔出入口质量情况。结果表明:钛合金层钻削力随主轴转速的增大而减小,随进给量的增大而增大;相比普通麻花钻,阶梯钻产生的钻削力更小,钛合金切屑排出顺畅,钛合金层和碳纤维复合材料层孔径值更接近于钻头直径,钛合金层和碳纤维复合材料层孔出入口质量更好。

基于单纤维压出实验分析硼纤维/环氧树脂复合材料的界面剪切强度

界面剪切强度是复合材料设计的重要指标,如何通过试验方法测定复合材料的界面性能是复合材料研究的一个重要领域。本文以硼纤维/环氧树脂叠层板(0/90)复合材料为载体,利用S-3400扫描电镜(SEM)与Gatan公司的拉伸台Microtest 2000组合,且在电镜上安装了自行设计制作的单纤维压头,测定界面的剪切强度。得知:在室温负荷作用下硼纤维呈阶梯式脱粘,当压出硼纤维长度为总压出长度约一半时,界面剪切强度达到最大值,并估算出界面的剪切模量,为进一步有限元法模拟研究复合材料的界面的力学行为提供依据。