平纹编织结构CFRP正交切削切屑形成及表面损伤

平纹编织结构碳纤维增强树脂基复合材料(Plain-woven carbon fiber-reinforced plastic,PW-CFRP)展现出高损伤容限特性,在航空航天领域应用广泛,但PW-CFRP是一种多尺度复合材料,传统的微、宏观尺度并不能较好地去研究其切削机制,因此本文采用介观层面切削仿真手段对其切屑形成机制进行研究。本文根据PW-CFRP的几何结构特点建立介观尺度的三维正交切削仿真模型,同时开展正交切削试验,对仿真模型进行验证;研究了不同纤维编织方向PW-CFRP在切削加工中的材料去除机制。研究结果表明:在相同工艺参数条件下,切削力和表面损伤的仿真与实验结果最大相对误差不超过15%,仿真模型的可靠性得以验证;其中各纤维方向纤维束区域的最大损伤深度依次为0°<45°<90°<135°;经纬编织的平纹编织结构对切削加工损伤起到一定的抑制作用,相邻纤维束间的支撑约束作用阻碍了损伤扩展,其最大加工损伤深度不会超出纤维束截面最大宽度;纤维附近树脂层厚度是加工损伤形成的重要因素,树脂富集区域对纤维的支撑作用较好,可以有效抑制损伤,树脂薄弱区域对纤维支撑较弱,损伤容易扩展至此处,使材料表面损伤呈弧形分布。

穿孔对平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧向压缩性能的影响

建立平纹编织面板蜂窝夹芯结构的渐进损伤分析模型来分别研究无损伤面板和单侧面板含穿孔损伤的蜂窝夹芯结构的侧向压缩性能,并将该结果与试验结果进行对照,以验证所建立模型的正确性。考虑到模型具有高度的材料非线性,选用ABAQUS/Explicit求解器进行蜂窝夹芯结构准静态侧向压缩性能的模拟,通过编写VUMAT子程序,分别设置面板和芯子的失效准则及刚度退化模型,选用内聚力模型模拟胶层,完成侧向压缩下蜂窝夹芯结构的渐进损伤分析。研究结果表明:无损伤面板的蜂窝夹芯结构侧向压缩强度受面板的屈曲行为控制,含穿孔损伤的蜂窝夹芯结构侧向压缩强度受含穿孔侧面板基体的抗压缩能力控制,且穿孔损伤会严重降低蜂窝夹芯结构的侧向压缩强度。

平纹编织面板泡沫夹芯结构修补后侧向压缩性能

为了研究不同修补方式和修补参数对平纹编织面板泡沫夹芯结构侧向压缩性能的影响,对完好试验件和单侧面板修补、单侧面板加芯材修补、双侧面板加芯材修补试验件进行侧向压缩试验。试验结果表明:单侧面板修补方式的侧向压缩强度高于其他两种修补方式;单侧面板修补时,面板挖补倾角比例越小,试验件侧向压缩强度越低;附加层重叠宽度对试验件侧向压缩强度影响很大;修补后试验件的侧向压缩模量比完好件均有所提升;单侧面板修补时,改变挖补倾角比例,不影响试验件侧向压缩模量,合适的附加层重叠宽度对试验件侧向压缩模量的提高有积极影响;修补方式和修补参数的变化不影响试验件的破坏模式,平纹编织面板泡沫夹芯复合材料侧向压缩的破坏模式为泡沫芯材破裂后,面板局部无支撑受压弯曲导致的整体结构破坏;面板的破坏形式主要为面板端部弯曲、面板中部弯曲、面板皱折和面板纤维断裂。

平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧压性能研究

为研究平纹编织面板蜂窝夹芯结构的侧向压缩性能,将蜂窝夹芯结构失效分为面板失效、蜂窝芯失效和胶层失效,基于渐进损伤分析方法建立蜂窝夹芯结构侧向压缩的损伤分析模型,对平纹编织面板蜂窝夹芯结构进行侧向压缩失效预测,与侧压性能试验结果相比,破坏强度非常吻合。结果表明,建立的侧向压缩损伤分析模型能够模拟平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧向压缩的损伤起始、损伤扩展和最终破坏,并最终预测其侧压破坏强度。

脱粘对平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧压性能的影响

为研究脱粘对平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧压性能的影响,采用ABAQUS/Explicit有限元分析平台,结合VUMAT子程序,建立基于渐进损伤失效理论的有限元分析模型。开展无损伤和三种不同直径脱粘的平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧压性能试验,并将结果与有限元分析结果进行对照。研究表明:试验与有限元仿真得到的失效载荷和破坏模式吻合很好,验证了所建立有限元模型的正确性;无损伤和含不同直径脱粘的平纹编织面板蜂窝夹芯结构在侧压作用下的破坏模式均为面板屈曲、压缩断裂以及蜂窝芯子的压缩破坏;脱粘对平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧压承载能力的影响较小,面板是侧向压缩的主要受力部分;随着脱粘直径增大,载荷位移曲线波动更剧烈且波动频次更高;胶层损伤主要发生在临近脱粘的较小区域,对结构整体性能影响很小;面板的损伤从自由边沿垂直于承载力的方向扩展,直至断裂。

平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧压强度的可靠性与灵敏度分析

以平纹编织面板蜂窝夹芯结构作为研究对象,通过建立渐进损伤失效分析模型,研究参数的随机性对结构侧压强度的影响。首先通过有限元分析得到随机输入样本对应的输出响应,基于Kriging方法建立代理模型,采用基于蒙特卡洛的可靠性分析法进行结构可靠性分析,利用基于方差和基于失效概率的灵敏度分析法进行结构灵敏度分析,计算得到结构的可靠度指标与结构各力学性能参数和厚度的灵敏度指标,为结构的可靠性优化设计提供依据。

平纹编织面板蜂窝夹芯结构平拉性能研究

为了研究平纹编织面板蜂窝夹芯结构的平拉性能,利用有限元分析软件ABAQUS建立基于渐进损伤失效分析方法的夹芯结构细节模型,选用内聚力模型模拟面板与芯子间的胶层,运用FORTRAN语言编写描述失效和退化准则的USDFLD子程序,对夹芯结构的平拉性能进行预测。结果表明:预测得到的平拉强度和破坏模式与试验结果一致,验证了所建模型正确;面板各层间和面芯之间胶层没有出现损伤;蜂窝芯以蜂窝壁纵向破坏为主,蜂窝芯中部首先出现损伤,随后损伤向两侧扩展,最终整个蜂窝芯中部裂开导致结构失效;面板各层间和面芯之间胶层的剥离强度要高于蜂窝芯厚度方向上的拉伸强度;整个夹芯结构的变形以蜂窝芯厚度方向上的变形为主。

三维编织CFRP车身结构的开发

随着我国汽车行业飞速发展，能源安全、节能减排成为汽车产业可持续发展面临的重要问题。2015年5月，国务院发布“中国制造2025”，提出汽车产业2025年在新能源汽车、节能汽车、智能网联汽车的发展目标和重点方向；

平纹编织碳纤维增强树脂复合材料离散电导率建模方法

编织碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)的电阻抗分布具有各向异性、异质性、几何结构复杂等特点。建立电阻抗分布模型是利用电磁涡流无损检测技术获取编织CFRP缺陷及疲劳损伤信息的关键关节。基于电阻抗张量建模理论,采用多层编织结构CFRP二维平面的分块均化电学特性表征方法,建立编织结构CFRP的简化电阻抗分布模型,从而实现编织结构CFRP电磁特性的精确、快速有限元分析。在有限元仿真基础上,通过设计双空气旋转线圈电磁传感器对平纹编织CFRP进行电磁无损检测,选用阻抗的极坐标图描述被测材料沿不同方向的阻抗变化趋势,通过实验验证有限元建模的正确性。最后利用所提出的建模方法模拟了双空气旋转线圈传感器对平纹编织CFRP的结构缺陷及循环载荷疲劳的检测效果。

平纹编织碳纤维/Kevlar纤维增强混杂复合材料微宏观切削去除机理研究

由于碳纤维和Kevlar纤维力学性能相差迥异,在C-K纤维混杂增强复合材料(Carbon-Kevlar fiber hybrid composite,CKFH)加工中易产生加工缺陷,比单种纤维复合材料的加工缺陷更难控制。由此,从微观和宏观角度,构建CKFH三维有限元切削模型,分析CKFH的切削去除机理及平纹编织结构对切削过程的影响机制。结果表明,在不同纤维取向下,Kevlar纤维均易产生抽丝拉毛现象,尤其当纤维取向θ=0°/180°时最为明显;纤维取向θ=0°/180°时,切屑多为卷曲片状切屑,纤维取向θ=45°、90°、135°时,两种纤维的断裂相互影响,切削表面、切屑形态均与切削方向存在密切关系,当纤维取向θ=45°时,多为细小片状切屑,纤维取向θ=90°时,切屑多为絮状块状切屑,纤维取向θ=135°时,切屑多为成块状切屑;从碳纤维切向Kevlar纤维时,Kevlar纤维出现松散、抽丝拉毛现象明显,从Kevlar纤维切向碳纤维时,在Kevlar纤维的韧性弯曲区碳纤维发生弯曲脆断、碎裂,易出现凹坑;平纹编织结构对切削应力的传递具有明显的阻断作用,有限元仿真结果与试验观测结果基本吻合。

需求和创新引领碳纤维产业步入新的快速道

在航空航天、汽车、风电、日用消费品和国防军工等主导产业的需求推动下，碳纤维及其复合材料产业的创新力度不断强化，创新成果正引领该产业步入良性循环的快车道。

三维织物碳/碳复合材料中层间剪切强度的改进

碳纤维增强碳（Ｃ／Ｃ）复合材料是由沥青基碳纤维粗纱编织的多层织物和煤沥青基体构成的， 本次实验研究了两种Ｃ／Ｃ多层织物复合材料和一种平纹编织Ｃ／Ｃ布复合材料，测试了弯曲、剪切和压 缩强度。根据不同跨距一高度比下的三点弯曲试验结果，表明Ｃ／Ｃ１多层织物复合材料具有高的剪切性 能，多层织物复合材料的分层断裂比平纹编织Ｃ／Ｃ布复合材料具有更高的层间断裂韧性。