平纹机织多元多层碳化硅陶瓷基复合材料的等效弹性模量预测

针对平纹机织多元多层碳化硅陶瓷基复合材料,按照"从底向上"的顺序考虑了纤维丝/界面/基体尺度以及纤维束/基体/涂层尺度下的微结构有限元模型。采用能量法依次进行了两个尺度上的等效性能计算,首先在纤维丝/界面/基体的尺度上计算了纤维束的等效弹性参数,然后将这些参数代入到纤维束/基体/涂层尺度微结构模型中,计算得到复合材料的整体弹性常数。数值计算结果与实验结果吻合较好,验证了所提计算方法以及模型的有效性。

基于ECPL模型的平纹机织复合材料低速冲击多尺度模拟

采用多尺度方法对平纹机织复合材料低速冲击损伤进行了数值模拟。建立E玻璃纤维束的微观单胞模型,计算出纤维束的等效刚度和强度;然后建立平纹机织复合材料的细观单胞模型,并基于连续损伤力学模型和三维Hashin失效准则对细观模型进行损伤演化模拟;提出一种新的基于体积平均法的局部均匀化方法,将细观模型转化为含有0°和90°单层的等效交叉层合板(ECPL)模型,同时将建立的ECPL模型扩展成宏观模型并对其低速冲击损伤进行数值模拟,得出冲击能量为30 J下平纹机织复合材料的力位移曲线及能量曲线并与文献中的试验结果进行了对比。结果表明,由于层合板未发生穿孔破坏,力和位移均呈现先增大后减小的趋势,数值模拟峰值力为5621 N,与试验值误差为1.3%;并且层合板失效形式主要为纤维和基体拉伸损伤及层间分层损伤。宏观ECPL低速冲击模型的数值与试验结果吻合较好,验证了局部均匀化方法和多尺度模型的有效性。

多元多层平纹机织CMC-SiC弹性常数的多尺度均匀化高效预测方法

多元多层碳化硅陶瓷基复合材料(Silicon carbide ceramic matrix composites,CMC-SiC)等效弹性常数的准确、高效预测是实现材料性能优化与结构计算分析的重要基础。本文以多元多层平纹机织CMC-SiC为研究对象,建立了其多尺度微结构有限元模型,采用均匀化方法依次在纤维丝和纤维束尺度上进行了弹性性能常数的计算。通过合理的等效,简化了多元多层微结构有限元模型的复杂性,提高了等效性能的均匀化计算效率。数值计算结果与实验结果证实吻合较好,验证了本文提出的微结构模型以及预测方法的有效性。

含缺陷C/SiC平纹机织复合材料拉伸力学行为数值模拟

采用APDL语言实现ANSYS的二次开发,建立含预制缺陷的纤维束截面卵圆形多尺度单胞模型。首先计算纤维束单胞的初始模量,强度以及最大应变;随后利用扫描电镜图中的缺陷建立单胞模型,并引入周期性边界条件,预测材料的初始各向材料常数。同时利用Linde提出的逐渐损伤准则,进行单轴拉伸力学行为的数值模拟,并阐述该平纹机织复合材料单胞模型在经向拉伸载荷作用下其纤维束的损伤及演化过程。该模型计算得到的最大拉应度为0.65%,强度为256.46 MPa。结果表明,该模型给出的数值模拟结果与实验数据吻合较好,证明了模型的有效性,为该类材料的优化设计及其力学性能分析提供了一种有效方法。

基于渐进均匀化多尺度方法的CFR平纹机织材料冲击后压缩损伤研究

本文针对CFR平纹机织材料层合板低速冲击及冲击后压缩(CAI)响应和损伤问题,提出了一种渐进均匀化多尺度分析方法。基于渐进均匀化方法分别算出微观纤维束和介观子胞的等效强度和刚度,在这个基础上,采用三维Hashin失效准则以及连续损伤力学模型来模拟CFR平纹机织材料层合板的损伤起始和演化,用内聚力模型来模拟层间损伤。研究结果表明:CFR平纹机织材料低速冲击后压缩的仿真结果和试验结果吻合较好,验证了渐进均匀化多尺度方法的可靠性和准确性;随着冲击能量的递增,层合板的剩余压缩强度呈非线性下降。纤维损伤和基体损伤在低速冲击载荷下,随着冲击能量的增加,冲击损伤面积增大。而CAI行为则相反,压缩损伤面积随着冲击能量的增大而减小。

碳纤维平纹机织复合材料低速冲击及冲击后压缩性能多尺度分析

构建了多尺度模型对碳纤维平纹机织复合材料低速冲击及冲击后压缩性能进行预测分析,该多尺度模型包括微观、细观和宏观模型三部分。构建“碳纤维基体”的微观代表性体积单元模型,用于预测纤维束等效力学参数。根据平纹机织复合材料内部几何构型及求得的纤维束等效力学参数,构建“纤维束基体”的细观单胞模型,并通过周期性边界条件对其施加不同的位移载荷,预测细观单胞模型的等效力学性能。基于局部均匀化方法将细观单胞模型简化为含有0°和90°单层的等效交叉层合板模型,并将其阵列扩展为宏观模型,以分析低速冲击及冲击后压缩性能。通过对比不同冲击能量下的低速冲击及冲击后压缩的试验与仿真结果,验证了模型的有效性。

平纹机织复合材料静力学性能分析

研究了E-glass/epoxy机织复合材料的失效破坏过程及预测该材料的失效强度。模型基于复合材料微观力学对机织复合材料进行均化处理从而获得材料的宏观特性。该模型考虑了材料失效,并在失效发生时对材料进行退化处理。该过程由用户材料子程序实现。利用这一模型可很好地研究材料失效过程,预测材料的失效强度,得到与实验结果相符的应力应变曲线。

基于局部均匀化多尺度方法的机织复合材料单轴拉伸力学行为研究

机织碳纤维增强树脂基复合材料在厚度方向存在纤维的相互交织,拥有较复杂的纤维空间结构,因此具有优异的比刚度和比强度。本文建立了平纹机织复合材料的“微观-介观-宏观”的多尺度有限元渐进损伤模型,并对介观模型中的各成分进行具有等效性能的局部均匀化简化。基于微观力学失效理论判断纤维/基体损伤起始,通过ABAQUS有限元分析平台,开发用户自定义的子程序VUMAT,对平纹机织复合材料进行拉伸力学行为和损伤机理分析。结果表明:在拉伸载荷模拟中纤维束树脂损伤最为严重,纤维失效发生在经向纤维束中,且外层损伤相较于内层更加严重。试验和数值分析的结果误差均在2%以内,表明多尺度渐进损伤模型的可靠性。

基于多尺度分析的平纹机织复合材料贴补结构抗冲击性能研究

由于平纹机织复合材料修补结构对冲击荷载下产生的响应具有多尺度的影响,采用多尺度方法建立数值分析模型,对平纹机织和单向铺层复合材料修补结构冲击响应间的差异进行研究;同时,对不同冲击能量下平纹机织复合材料修补结构的损伤演化和补片形状对结构抗冲击性能的影响也开展了研究。通过建立纤维束微观和代表性单元(representative volume element,RVE)细观模型,预测细观材料性能,进一步采用局部均匀化方法得到平纹机织复材的宏观交叉层合板等效模型(Equivalent cross-ply laminate,ECPL),完成修补结构多尺度抗冲击损伤性能分析模型构建;利用连续损伤力学模型和三维Hashin准则对冲击过程中修补结构损伤演化进行分析,并通过落锤冲击试验力和能量曲线验证了数值模型的准确性。数值和试验结果表明:平纹机织修补结构较单向层合板修补结构具有更好的抗冲击性能;其冲击损伤主要沿着0/90方向分布,随着冲击能量的提高,主要承力部位由补片转移到母板;当冲击能量达到12 J时,胶层开始出现失效脱落现象;圆形补片修补的平纹机织结构具有更好的抗冲击性能。

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。

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。

平纹机织玄武岩纤维/环氧树脂复合材料冲击拉伸行为

以常规机织工艺生产织物增强体,以真空辅助树脂转移模塑法(VARTM)制备成型复合材料,研究单层平纹玄武岩长丝增强环氧树脂复合材料在准静态和高应变率加载下的拉伸性能。准静态和高应变率拉伸试验分别在MTS-810.23试验仪和分离式霍普金森拉杆(SHTB)测试系统上完成。试验结果表明该材料的力学性能具有应变率依赖性:随着应变速率的增加,拉伸模量和拉伸强度单调增加,失效应变单调减小,弹性能先增加后减小。材料的失效破坏特征也呈现明显的应变率效应:准静态拉伸时,材料断口整齐,树脂的破碎少,几乎没有纤维的抽拔和经纬向纤维束间的滑移;高应变率拉伸时,材料断口参差错乱,树脂完全破碎,纤维束抽拔严重、相互崩裂和滑移,织物增强体结构的整体性破坏严重。

拼接方向对针织/机织拼接面料性能的影响

将机织平纹面料和针织纬平针面料从不同方向分别拼接缝合,测试和分析了拼接后面料的悬垂性、折痕回复角和强力。结果表明:针织面料和机织面料从不同方向拼接后性能差异较大,在设计拼接服装时,要充分考虑机织与针织面料拼接后性能的变化。

预浸机织织物二维剪切性能模型

利用安装在拉伸试验机上的像框剪切装置,研究了平纹预浸碳纤维机织织物的剪切行为。研究发现,预浸碳纤维织物的剪切行为与织物的分阶段剪切行为类似。根据实验结果,分两个不同剪切阶段建立了预浸碳纤维织物的二维剪切性能模型。在剪切初始阶段,利用扭力弹簧来模拟纱线交叉点之间的剪切摩擦,通过实验确定了扭力弹簧扭转刚度系数。在剪切第二阶段,给出了载荷与剪切角之间的关系模型。试验结果表明,利用扭力弹簧可以很好地模拟剪切初始阶段的剪切摩擦。

展宽机织复合材料破片高速冲击仿真模拟研究

本文基于数值仿真方法研究了展宽平纹机织复合材料平板在金属破片高速冲击载荷作用下的失效行为。在显示动力学求解软件LS-DYNA®中建立了平纹机织复合材料的宏观精细化有限元模型,通过多尺度分析计算得到单层机织复合材料的等效力学性能,采用经典的Chang-Chang失效准则评估复合材料靶板的冲击损伤和失效行为。通过平板高速冲击试验确定了材料在特定冲击条件下的临界穿透速度范围和典型破坏模式,并与数值仿真结果对比,验证了数值模型的准确性。在此基础上,采用所构建的冲击仿真模型研究了平纹机织复合材料在不同冲击速度(0.1~0.8 km/s)载荷下的侵彻失效特性。研究结果表明:展宽机织复合材料平板在承受高速冲击载荷过程中,中间层受压缩损伤区域较小,靠近边界层损伤区域较大;随着冲击速度的增加,机织复合材料平板受压缩损伤区域减小;在冲击速度为0.2~0.8 km/s下,平板吸收能量与破片冲击速度呈近线性关系。

动态压缩下一种碳纤维织物增强复合材料的各向异性力学性能实验研究

为获得一种碳纤维二维正交平纹机织布增强树脂基复合材料准静态和动态压缩力学性能, 对其三个主方向(垂直于碳布方向、碳布经向、碳布纬向), 分别利用Instron试验机和SHPB实验技术, 进行了准静态压缩和动态压缩实验。得到了三个主方向从低应变率(10-3/s)到高应变率(约103/s)下的压缩应力应变曲线和压缩强度, 并通过分析得到了三个主方向上的动态压缩响应特点: 垂直于碳布方向的力学性能及其与应变率的相关性主要由树脂基体所控制; 碳布经向和纬向的力学性能主要由碳纤维所控制, 并且和纤维初始微屈曲相关。最后, 分别给出三个主方向上的压缩强度和弹性模量与应变率相关性的表达式。

一种碳纤维织物增强复合材料的层间冲击拉伸力学性能实验研究

为获得一种碳纤维二维正交平纹机织布增强树脂基复合材料准静态和动态下的层间拉伸力学性能,对垂直于碳布平面方向(横向),分别利用Instron试验机和SHTB实验技术,进行了准静态拉伸和动态拉伸实验。得到了从低应变率(10-3/s)到较高应变率(约3×102/s)下的拉伸应力-应变曲线和拉伸强度。通过分析发现,拉伸破坏总是发生在相邻铺层的层间界面处,层间拉伸模量和拉伸强度都具有一定的应变率强化效应,但是层间拉伸破坏应变几乎不存在应变率效应。

基于多尺度方法的平纹机织SiC/SiC复合材料力学性能预测

本文基于平纹机织SiC/SiC复合材料的多尺度特性以及微观结构的周期性,建立了微观尺度(纤维尺度)和中观尺度(纱线尺度)的单胞模型,利用Abaqus软件计算得出纤维尺度模型的力学性能参数,将这些参数导入纱线尺度模型中,同时编写相应的UMAT子程序来判断材料的损伤起始和损伤演化过程,模拟了平纹机织SiC/SiC复合材料在单向拉伸时的损伤演化以及破坏过程。结果表明X向拉伸应力应变曲线与试验曲线吻合良好,有效地预测了平纹机织SiC/SiC复合材料的强度性能和损伤演化过程。

平纹机织叠层复合材料飞轮弹性参数预测及测量

针对纤维缠绕复合材料高速飞轮径向分层问题,提出环向和径向同时强化的圆环平纹织物结构,环向纱束为单一纤维束连续织造。建立了“平头梭形”截面的单胞模型,兼顾双向纱束轮廓差异。基于扇形单胞和矩形单胞结构相似性,定义了“等参数”织造约束条件。采用体积平均法预测圆环织物扇形单胞等效弹性参数,并采用轮缘径向多层分割模型,分析了机织飞轮旋转载荷下的应力和变形特征及其影响参数,轮缘理论计算位移与圆标记法径向变形测量结果一致。机织复合材料飞轮测试极限圆周速度为889m/s,储能密度为63.7 Wh/kg。理论分析和实验表明,环形织构的双强化理论可行,能够获得比缠绕飞轮更高的旋转速度。

含缺陷平纹机织复合材料拉伸力学行为数值模拟

基于平纹机织复合材料的细观结构单胞模型,考虑其制备过程中产生的孔隙缺陷为随机分布的特征,通过引入两参数Weibull分布函数,应用Python语言实现了ABAQUS的二次开发,并采用Linde等提出的失效准则,建立了含孔隙缺陷平纹机织复合材料的渐进损伤模型,利用有限元数值方法模拟了其拉伸应力-应变行为,针对该模型,讨论了孔隙缺陷对材料拉伸应力-应变行为的影响,并阐述了该平纹机织复合材料单胞模型在经向拉伸载荷作用下其纤维束的损伤及演化过程。结果表明,该模型给出的数值模拟结果与实验数据吻合较好,证明了模型的有效性,为该类材料的优化设计及其力学性能分析提供了一种有效方法。