拼接铺层纤维增强复合材料连接结构设计与离散优化

多相离散设计是依据零件具体结构,通过各向异性材料分布,获得理想的优化设计方法。针对目前离散设计方法中相邻设计域接头间的可靠性连接问题,提出了一种拼接铺层的结构形式,为结构件设计域连接提供了一种新的方法。结合复合材料离散设计与拼接铺层结构形式,综合考虑拼接接头对零件整体性能的影响,建立复合材料离散铺层优化系统。以汽车后背门模型为例,试验测试与仿真对比,验证了所建立优化模型的结果准确性。在优化过程中引入复合材料相关制造约束和材料插值模型,使优化设计结果兼顾了良好的可实施性。应用该铺层优化设计系统,相较传统复合材料铺层设计,汽车后背门在保证零件性能指标的基础之上,总成零件重量降低28.0%,实现了更加理想的轻量化实施效果。

含拼接铺层碳纤维增强树脂复合材料拉伸破坏机制

对于尺寸较大或形状复杂的结构,通常需要在纤维增强树脂(FRP)复合材料内部对铺层进行拼接处理。铺层拼接会在材料内部引起复杂的应力分布,具有突出的安全隐患。以同一位置处出现不同层数铺层拼接的单向碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料为研究对象,重点分析了铺层拼接对材料拉伸力学性能的影响机制。通过拉伸实验,测试了拼接对其力学强度的影响;用相机记录了破坏过程,并结合数字图像相关技术(DIC)对拼接位置附近的应变场进行了监测。利用有限元模型(FEM)模拟和分析结构的破坏机制,采用3D-Hashin准则和渐进损伤模型对CFRP复合材料铺层进行模拟;采用内聚力模型对胶层失效行为进行描述。实验结果表明,拼接结构的引入大幅降低了材料的抗拉强度。FEM模拟与实验测试结果吻合度高,说明了模型的有效性。综合实验结果和模拟分析得到,铺层拼接处产生应力集中,造成被拼接的两部分分离并伴随拼接铺层和连续铺层的层间剪切破坏;层间破坏发生后,拉伸载荷完全由连续铺层承载。因此,材料的最终承载能力由材料中连续铺层数决定。

铺层拼接层合板的抗拉强度

针对复合材料结构设计中遇到含铺层拼接的层合板强度预测问题,本文设计了含铺层交错拼接区的碳/双马复合材料层合板试件,采用拉伸试验方法测定了该材料的力学性能,得到了不同拼接长度层合板的抗拉强度。试验结果表明,铺层拼接状态差异对复合材料层合板的承载能力有显著影响,文中根据试验结果建立了抗拉强度随拼接长度变化的经验公式,为复合材料层合板结构的铺层设计和强度分析提供了理论依据。

复合材料铺层拼接层间断裂韧性的试验研究

针对评价复合材料层合板层间断裂韧性的测量,提出了用拉伸试验法测定Ⅱ型层间断裂韧性,设计了内含铺层拼接区的分层破坏试验层合板,制备了拉伸试件。通过拉伸试验测得了拼接区开裂和分层裂纹稳态扩展过程中的载荷与变形规律:层间破坏具有Ⅱ型断裂特征,且裂纹扩展比较稳定。利用测试数据计算出断裂功,并以临界能量释放率表示层合板的Ⅱ型层间断裂韧性,结果表明用铺层拼接件拉伸法进行层间断裂韧性试验是可行的。

含铺层拼接层合板面内剪切强度

对含V字型缺口的铺层拼接碳纤维增强树脂基复合材料层合板试件进行了剪切强度试验研究。从三种含不同铺层拼接角层合板上切取剪切试件,层合板共有17层,其中奇数层为0°连续层而偶数层为90°层和偏角为θ的单层板拼接层。通过实验测定其载荷-位移曲线。试验结果表明,三组试件的平均剪切强度基本相同。有限元软件ABAQUS6.5分析结果表明,拼接层角度改变将引起90°层出现剪应力集中,且θ越大,剪应力集中越明显,但沿缺口剪应力的平均值几乎不变。实验测试和有限元分析能够很好地印证。

含铺层拼接层合板的剪切强度

对含铺层拼接的碳纤维增强树脂基复合材料层合板进行了剪切强度实验研究。从三种不同铺层拼接角层合板上切取含缺口的剪切试件,通过实验测定了其载荷-位移曲线,得到了剪切强度值。实验结果表明,三组试件的剪切强度基本相同,即拼接层角度改变几乎不会引起层合板的剪切强度发生明显变化。采用有限元软件ABAQUS6.5对实验过程进行模拟,得到拼接层角度改变将引起拼接层中0°层出现切应力集中,但沿缺口切应力的平均值几乎不变。这也说明拼接层角度的变化几乎不影响层合板的剪切强度。

错位铺层拼接层合板承载机制的试验与模拟研究

针对具有特殊细观结构的非均匀连续复合材料——错位铺层拼接层合板,测定了其拉伸强度和刚度,并观测了其断口破坏特征和表面铺层的应变分布;基于细观结构,建立了包含基体损伤演化的三维有限元模型,并进行数值模拟分析,研究了材料的传力和破坏机理。结果表明:铺层间断使断点附近及相邻层受间断影响处形成了局部高应变梯度,断裂模式为基体剪切破坏;铺层间断点处的载荷通过基体承剪的方式传递,远离间断点处则仍靠纤维传载;随着断点间距(在3mm-9mm范围内变化)的增大,强度和刚度逐渐增加,但幅度不超过1.4%和3.3%。

含铺层拼接层合板的力学性能

为研究铺层拼接对复合材料层合板力学性能的影响,设计了含不同铺层拼接形式的碳/双马复合材料层合板试件。采用拉伸试验方法测定了材料力学性能,得到了不同拼接形式下层合板的拉伸强度。试验表明,含铺层拼接层合板的失效模式为层间剪切破坏和纤维断裂。建立了铺层拼接层合板的有限元模型,分析了铺层拼接对层合板应力分布和层间应力的影响。

铺层拼接层合板抗拉强度研究

针对复合材料结构设计中会遇到含铺层拼接的层合板强度预测问题,设计了含铺层交错拼接区的碳/双马复合材料层合板试件,采用简单拉伸试验方法测定了该材料的力学性能,得到了不同拼接长度下层合板的抗拉强度。试验结果表明,铺层拼接状态差异将会对层合板的承载能力有显著影响。根据试验结果建立了铺层拼接层合板的抗拉强度随拼接长度变化的经验公式,可为复合材料层合板结构的铺层设计和强度分析提供理论依据。

考虑纤维实际取向和铺层拼接问题的有限元模型建立方法

针对受铺覆准则制约的复杂曲面复合材料结构铺层纤维取向变化和铺层切断及拼接问题,在ABAQUS层合模型分析的基础上,建立考虑铺层纤维实际取向和铺层拼接的有限元分析模型和算法,并采用VB编程语言开发实现。

纤维方向对铺层拼接件的力学性能影响

以碳纤维增强树脂基复合材料为研究对象,讨论了纤维取向对复合材料平板柔度及其变形的影响规律.采用有限元法分析了不同纤维方向对铺层拼接件的力学性能影响,计算表明拼接区的应力变化复杂,应力集中显著.根据计算数据求出最大应力随纤维偏角的变化关系,并通过引入应力集中系数,得到了计算铺层拼接件最大应力的表达式.

含铺层拼接层合板的等效刚度估算

通过分析铺层纤维取向和面内变形特点,提出纤维切断铺层拼接层合板的力学性能分析方法。按单层偏轴向力学性能转换关系,推导了不同纤维方向拼接层的等效工程弹性常数计算公式,并举例说明了含铺层拼接层合板的等效刚度计算方法。

复合材料铺层拼接区的应力集中研究

讨论了树脂基复合材料的柔度和变形随纤维方向的变化规律。采用有限元法分析了不同纤维方向对铺层拼接层合板的力学性能影响,计算表明拼接区的变形复杂,应力集中显著。根据计算数据求出最大应力随纤维偏角的变化关系,通过引入应力集中系数,得到了计算铺层拼接区的最大应力表达式。

单向拼接复合材料层合板的抗拉强度研究

碳纤维增强树脂基复合材料层合板具有较高的抗拉强度,复合材料结构设计中会遇到含铺层拼接的层合板的问题,需要考虑拼接对层合板力学性能的影响。因此建立交错拼接单向层合板的力学模型,对其层间应力和承载能力进行分析,得到单向层合板拼接位置的层间应力分布和抗拉强度的解析解,并提出有效拼接长度的概念,可用于交错拼接层合板的设计。并建立不同拼接长度的交错拼接单向层合板模型,计算得到层间应力分布,并采用渐进损伤方法预测抗拉强度,解析解和有限元方法的强度预测结果均与试验结果具有较好的一致性。含交错拼接单向层合板拼接位置的层间切应力和抗拉强度决定于材料刚度、单层厚度、界面厚度和拼接长度。

复合材料机匣整体翻边拼接结构设计与试验验证

复合材料具有密度小、力学性能优良的特点,现已成熟应用于航空发动机机匣类构件的设计。本文设计了一种带有拼接特征的机匣翻边结构,采用层内不同纤维角度铺层拼接的设计形式,通过分析确定拼接层数、拼接层位置以及拼接截面。以合理的过渡转换连接实现了对机匣整体翻边结构在不同承载区域铺层的针对性设计。对层内纤维方向变化对应力集中的影响进行了有限元数值仿真,并通过平板及翻边结构的典型件试验对设计结果进行了验证,试验表明采用拼接方式设计的翻边结构满足机匣的承载要求。

错位铺层拼接层合板力学性能分析与模拟方法探索

针对特殊使用条件,需使用单向带逐层拼接或对接方法制备复合材料层合板,层合板内存在大量的,有意设计的间断点.论文首先通过多种方法测定试件不同位置应变数据来计算不同参数下刚度值变化情况,然后基于可反映错位铺层拼接层合板结构的细观尺度,使用ABAQUS有限元,将层合板中存在间断的增强纤维视为rebar-layer插入树脂基体,建立表征结构、纤维体积百分含量相符的等效模型进行模拟.经对比模拟与试验结果可见,该方法模拟结果准确,贴近真实情况;有效反映出参数不同所引起试样刚度变化特征.

YBB—6型玻璃钢卫生陶瓷胎模的制造

本文主要论述了ＹＢＢ－６型玻璃钢胎模的制作工艺过程。对环氧树脂固化剂的选用、铺层拼接及其锥度确定、聚氨酯质泡沫塑料夹层结构等进行了分析。同时也涉及操作过程中的安全与卫生问题。ＹＢＢ－６型胎模采用手糊与浇注结合成型，具有表面光滑、比较度高、收缩率小、不变形等特点。