芳纶平纹编织复合材料平板弹道冲击特性及损伤分析

为了研究1000D629T/EPMOLD110芳纶平纹编织复合材料平板抗冲击行为及损伤特性,采用真空辅助树脂灌注成型技术(VARI)和树脂传递模塑成型技术(RTM)加工不同厚度的平板试验件,通过空气炮装置进行弹道冲击试验。同时,基于芳纶平纹编织复合材料基础力学性能试验数据,建立经验证的细观代表体积单元(RVE)模型,通过拟合确定宏观模型的材料本构参数;建立芳纶平纹编织复合材料平板弹道冲击宏观有限元模型,结合CT扫描结果进一步分析其弹道极限特性及损伤形貌等。结果表明:芳纶平纹编织复合材料平板在圆柱弹体冲击试验下的失效模式主要为纤维拉伸断裂、纤维脱出、面外剪切与层间分离等;随着平板厚度增加,其弹道极限相应增加,且与VARI工艺相比,采用RTM工艺可将芳纶平纹编织复合材料平板的抗冲击性能提升5%;芳纶平纹编织复合材料平板宏观模型的弹道冲击仿真结果与试验结果吻合较好,弹道极限误差在1%以内。

芳纶平纹织物单纱抽拔力学性能分析

为探究芳纶平纹织物抽拔力峰值和横向预张力受各因素影响机制和变化规律,通过在电子万能试验机上加装自主设计的快速对中夹具和力传感器,进行了以横向预张力、抽拔速度、试样规格和纱线类型为变量的单纱抽拔实验。结果表明:抽拔力和横向预张力在抽拔过程中发生同频率零相位差的震荡下降,抽拔力峰值与抽拔纱线的交织点数量、交织点处的张力和变形程度呈正比关系;当初始横向预张力从100 N增加至400 N时,抽拔力峰值从5.63 N增加至10.58 N,横向预张力的上升值降低,下降值增加;当织物纵向长度从30 mm递增至110 mm时,抽拔力峰值增加,峰值增幅降低;抽拔过程中,横向预张力的上升值和下降值都随着织物纵向长度的增加而增加;纱线织造密度越小,预紧后的卷曲程度越高,抽拔力峰值越大。

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。

基于混纺平纹织物的静电吸附式抓取技术研究

为了实现机械手更好地对混纺平纹织物进行抓取,课题组研究了静电吸附式抓取技术。首先,通过分析混纺平纹织物结构特性,建立混纺平纹织物三维模型与等效介电常数计算模型,并对织物在电场中受力情况进行研究;其次,结合Maxwell应力张量计算方法,建立二维静电吸附力模型,研究不同配置类型的静电极板产生的吸附力大小,用于指导静电极板的配置结构设计。结果表明:织物的等效介电常数与各纤维的体积分数和分布形态有关;织物所受到的静电吸附力随极板所施电压的增加而增大,并与其平方成正比,验证了使用静电吸附式抓取织物的有效性;通过对不同配置类型极板的吸附效果的对比,确定了最优的极板结构。该研究为静电吸附式技术在服装面料抓取领域中的应用提供了重要参考。

基于平纹变化组织的配色模纹麻织物设计

为了更好地理解配色模纹与织物组织之间的关系,拓宽小提花织物的花型种类及适用范围,设计了经重平、纬重平和方平3种以平纹变化组织为基础的配色模纹图,分别采用不同线密度和相同线密度的经纬纱进行试织。结果表明:当色纱排列相同时,织物组织不同形成的配色模纹不同;方平和重平组织同属于平纹变化组织,因而织物配色模纹图案中存在不同风格的同时也具备相似的部分;在相同配色模纹图中,线密度不同导致织物实物花型的差异性;小样试织得到的织物显示的图案除了受到织物组织的影响外,还受到线密度和织物密度等因素的影响,配色模纹设计为设计者提供了更广泛的配色模纹织物设计思路。

考虑分层损伤的平纹编织SiC/SiC弯曲失效模拟

平纹编织SiC/SiC是航空发动机热端部件的理想材料,由于其层间性能较弱,在进行力学行为和失效机理研究时需要考虑材料分层损伤的影响。采用试验和数值模拟相结合的方法,研究了平纹编织SiC/SiC复合材料在四点弯曲下的失效模式和破坏过程,通过数字图像相关法(DIC)技术实时观测试件分层损伤萌生和扩展过程。试验结果表明,分层破坏是复合材料四点弯曲最主要的失效形式。进一步,基于内聚力模型预测了平纹编织SiC/SiC复合材料梁的弯曲强度、分层萌生及扩展。预测结果与试验吻合较好,说明本文建立的数值模型是可行的。对内聚力模型中的参数进行研究,计算结果表明,法向应力极限值对弯曲曲线的初始斜率和峰值载荷均有一定的影响,而剪切应力极限值以及拉伸断裂能只对弯曲极限载荷有影响,剪切断裂能对数值模拟影响较小,失效载荷预测误差小于10%。

湿度对平纹织物折皱回复规律的影响

为了分析湿度在织物折皱回复中所发挥的作用,搭建了温湿度可调的试验平台,在不同相对湿度条件下测量织物折皱角回复全过程变化。选用6种平纹机织物(棉、桑蚕丝、羊毛各2种)为试验面料,以30 N压力压制织物折痕24 h预制折皱试样,置于温度20℃、相对湿度70%和90%条件的平台中进行试验。结果表明:通过分析各织物经纬向折皱随时间变化的折皱角散点图,发现湿度对织物折皱回复起显著作用,且受面料规格参数影响;湿度作用下,织物折皱最终回复效果与纱线线密度成反比,与纱线捻度成正比;同时证明本文搭建的试验平台具有可操作性,为深入研究织物在热、湿、力等多变外界环境影响因素下折皱回复性能提供现实依据。

经纬纱干湿纺纱方式对亚麻平纹织物性能的影响

为了探讨经纬纱的干、湿纺纱方式及其不同组合对亚麻平纹织物性能的影响,对比4种干纺转杯纺或湿纺环锭纺亚麻纱作为经纬纱的纯亚麻平纹织物的服用性能、触觉风格、舒适性的差异。结果表明:在织物力学性能方面,4种织物强力均较大,其中经纬纱均为亚麻湿纺纱的织物力学性能最好;在织物保形性和舒适性方面,干纺、湿纺纱交织的织物较优;在触觉方面,经纱为干纺纱、纬纱为湿纺纱的织物的表面最光滑。文章从纯亚麻干纺纱与湿纺纱交织角度出发,对改善纯亚麻平纹织物的服用性能和穿着舒适性进行研究,为生产性能更优异的纯亚麻织物提供了一种思路。

平纹SiC纤维织物剪切性能

SiC纤维织物是耐高温陶瓷基复合材料的一种重要增韧材料。本文以平纹SiC纤维织物为研究对象,开展了单轴拉伸试验和±45°偏轴拉伸试验,得到了其拉伸和剪切性能;进行了纱线抽出试验,得到其经纬纱线间的摩擦系数;通过X射线CT检测,得到其细观结构;利用最小二乘法拟合出经纬纱线的横截面和卷曲形状曲线;通过建立纱线的简支梁模型,计算出剪切变形中经纬纱线摩擦力矩,预测了平纹SiC纤维织物的剪切应力-应变曲线。剪切变形过程分为纯剪和纱线挤压阶段,两个阶段的交界点为织物的锁紧角。研究结果对设计和制备平纹SiC纤维织物预制体具有参考价值。

平纹机织复合材料纯电动汽车电池箱多尺度可靠性优化设计

为了充分发挥碳纤维复合材料的潜能,提出一种多尺度的复合材料结构可靠性优化设计方法。以平纹机织复合材料新能源汽车电池箱为研究对象,基于有限元法的均匀化理论预测方法,将机织复合材料各尺度之间的弹性参数进行关联,建立复合材料弹性性能预测解析模型和电池箱有限元模型。鉴于复合材料结构和设计变量受不确定性因素的影响,结合Kriging代理模型、SORA(stochastic optimal routing algorithm)法和蒙特卡洛仿真法,实现机织复合材料电池箱的多尺度可靠性优化设计。结果表明,优化后的电池箱在满足可靠性和轻量化要求的同时,能有效提高电池箱的模态频率和刚度,可为机织复合材料汽车零部件的优化设计提供指导。

碳纤维平纹机织复合材料低速冲击损伤的非线性超声检测研究

针对碳纤维环氧树脂基平纹机织复合材料的低速冲击损伤,构建了低速冲击-超声检测一体化有限元模型。基于渐进均匀化方法构建了平纹机织复合材料的真实细观单胞模型;基于三维Hashin失效准则对扩展的宏观复合材料板模型在不同冲击能量下的低速冲击损伤进行数值模拟;通过超声Lamb波对损伤区域的非线性响应评估材料内部的损伤情况。利用RAM-5000 SNAP非线性超声检测系统对不同冲击能量的试验试样进行检测,对比仿真结果。结果表明:一体化模型有效可行;超声Lamb波可用于检测机织材料的冲击损伤,其二次谐波幅值和相对二次非线性系数随冲击能量的增大而增大。

影响针织平纹织物顶破强力的因素分析

针织平纹织物应用领域越来越广泛,而顶破强力是考核其织物质量的一个重要物理指标。顶破强力与织物测试面、钢球直径和顶破速度可能对测试结果产生影响,为了探讨不同试验条件下的影响程度,选取7块针织平纹织物,通过试验分别测试织物正、反面,不同顶破钢球直径和不同顶杆移动速度,经过对试验数据分析得出,织物正反面和顶杆移动速度对测试结果影响不大,钢球直径与顶破强力大小呈正比。

平纹编织C/SiC复合材料的失效判据

通过Arcan夹具拉伸实验,研究了平纹编织C/SiC复合材料的唯象强度特性,根据实验结果提出了一种椭圆形失效判据,可以反映拉压强度的差异,以及压缩和剪切同时作用时裂纹面闭合引起最大容许剪应力的回升。结果表明:椭圆形判据和实验结果在第一象限吻合良好,说明椭圆判据在第一象限内对平纹编织C/SiC是适用的。用线弹性有限元方法分析了Arcan拉伸实验中试样的应力状态和分布,并讨论了夹具刚度的影响。分析表明:试样缺口区域剪切应力分布均匀,大小接近平均剪应力;正应力在边缘有应力集中,中央应力约为平均正应力的77%。由于纤维增强陶瓷基复合材料存在微弱缺口敏感性,Arcan圆盘测出的强度略低于均匀拉伸结果。采用系数对测出的强度进行了修正。

平头弹冲击作用下平纹织物的动态响应分析

利用LS-DYNA有限元软件模拟了平头弹垂直冲击作用下平纹织物的动态响应,分析了织物的变形、纱线断裂、冲击载荷以及能量吸收特性,讨论了不同弹体冲击速度对织物动态响应的影响。结果表明:平头弹冲击作用下织物的破坏形式为弹体边缘的剪切破坏。在弹体贯穿织物过程中,纱线应变能、纱线动能和摩擦耗散能是弹体动能转变的主要能量形式。结果还表明,当弹体冲击速度小于临界速度时,织物吸收的能量随冲击速度的增加而增大,弹体冲击速度大于临界速度时织物吸收的能量逐渐降低。本文数值模拟结果与已有实验结果进行了对比,分析表明平头弹冲击织物时的横向偏移变形和吸能特性曲线均吻合较好。

平纹编织复合材料挖补修理附加层优化研究

平纹编织复合材料应用广泛，但该类型结构维修关键参数的研究较少，文章根据实际维修情况建立复合材料层板挖补结构的有限元计算模型，并通过试验验证了分析模型的准确性，基于该模型进行了附加铺层尺寸参数优化研究。结果表明，附加层的铺设对于提高修补板强度有积极的效果，但过多的附加铺层数容易增加修补缺陷，建议修理中附加铺层数不宜过多。优化过程中发现复合材料挖补维修存在一个对强度影响较大的附加铺层长度值，该临界长度正比于维修总区域，实际维修中附加铺层长度参数建议为该临界值的2～3倍，文中修补条件下的推荐值为20-25mm，该结论可为复合材料结构修补提供较为准确的维修指导。

连续玄武岩纤维平纹布增强硼酚醛树脂复合材料研究

对硼酚醛(FB)树脂进行了性能表征,介绍了连续玄武岩纤维平纹布(CBFTC)增强FB树脂复合材料的制备,研究了层压成型工艺对该复合材料力学性能和烧蚀性能的影响。结果表明,当FB树脂质量分数为28%、预固化温度为150℃、固化温度为180℃、固化压力为5MPa、固化时间为15min.mm-1时,FB/CBFTC复合材料的力学性能和烧蚀性能最好。

平纹编织C/SiC复合材料拉—拉疲劳特性的试验研究

为研究2D平纹编织C/SiC复合材料的疲劳性能,采用Instron8801液压伺服疲劳试验机对2D平纹编织C/SiC复合材料试样进行等幅单向拉—拉疲劳试验。实验中,采用声发射设备和红外热象仪来动态监测损伤的演化过程;实验结束后,采用扫描电子显微镜对拉伸试验和疲劳试验的试样断口的微观形貌进行对比分析。试验发现,在前100次循环中,试件的模量快速下降,声发射累积能量迅速增大,温度明显上升。100个循环后,试件的模量、声发射累积能量和试件的温度变化趋势变缓。疲劳和拉伸试样的损伤均以纤维束的断裂、拔出和分层损伤为主;失效的拉伸试样断口处的纤维被完整的基体外壳包裹着,而失效的疲劳试样断口处的纤维基本无完整的基体外壳,表面只有少量的磨损后的基体碎屑。

二维平纹编织CVI工艺C/SiC复合材料的疲劳行为

通过室温等幅单向拉-拉疲劳实验,对2D平纹编织C/SiC复合材料的疲劳性能进行了研究.通过对实验数据的分析,发现疲劳极限（N=5×10^5）约为极限拉伸强度的80%～85%,当加载应力超过88%极限拉伸强度时,失效很快发生,给出计算疲劳寿命的经验公式.通过观察实验件断口,分析了疲劳破坏的机制.研究表明,C/SiC复合材料具有良好的疲劳性能,但其分散性也会给结构设计带来一定的难度.

平纹编织C/SiC复合材料的剪切性能

采用IOSIPESCU纯剪切试件,改进反对称四点弯曲装置进行循环加卸载,试验研究了CVI工艺二维平纹编织C/SiC复合材料的面内剪切特性。分析了不同应力水平下卸载模量、残余应变的变化。基于试验研究结果,将剪切应变分解为弹性应变与非弹性应变,分别分析弹性应变和非弹性应变的变化规律,给出了剪切应力应变关系表达式。试件断裂时,最窄截面位置形成平断面,断面扫描电镜分析发现,基体和界面裂纹是主要损伤机理,0°纤维束最后断裂。

基于L系统的3×3平纹分形组织设计应用方法

为探讨分形组织在织物设计中的具体运用途径,根据3×3平纹变化组织点分布简单、均衡与对称等特点,运用L系统的链式语言生成规则与计算机图形方法,生成具有4级自相似结构的分形组织,并在此基础上讨论其分形组织的主要变化形式及其设计应用方法。重点研究通过填充组织的变化,配合分形组织获得一类新型的组织结构,进而探索设计产生新的织物表面饰纹与肌理的基本途径。同时,借助电子提花机技术进行织造实验,从而为运用分形组织开发设计新型纺织面料进行初步尝试。