碳纤维复合材料层合板的动态力学性能及失效机制

为了进一步明确碳纤维增强复合材料(CFRP)在冲击加载下的动态力学行为,采用电子万能试验机和霍普金森压杆(SHPB)试验装置,研究了铺层方式为[-45°/90°/45°/0°]的CFRP在厚度和面内方向的静/动态力学性能。结果表明,CFRP复合材料主要发生脆性破坏,在不同方向纤维铺层之间相互纠缠,有效支撑基体,可避免材料发生瞬间坍塌失效。受微裂纹扩展和加载速率关系的影响,复合材料呈现出明显的正相关应变率效应,虽然加入了不同铺层纤维,但材料失效破坏仍主要由基体决定。沿厚度方向加载,裂纹主要以沿45°角扩展的剪切破坏为主,断面在剪应力作用下出现了大量纤维的拔出和断裂。沿面内加载方向,纤维间的粘结层发生脆性断裂,与加载方向一致的纤维发生了屈曲失稳,裂纹穿透纤维层导致脱层。

含孔碳纤维增强镁合金层合板拉伸性能和失效模式研究

基于渐进失效模型有限元数值模拟并结合试验,研究在拉伸载荷的作用下不同开孔直径对复合材料层合板的损伤演化过程和剩余强度影响,用扫描电子显微镜对断口形貌和微观损伤模式进行分析。结果表明:随孔径增大,带孔碳纤维增强镁合金层合板强度下降。在拉伸载荷作用下,其失效模式为金属层塑性破坏、纤维层拉伸断裂和层间分层为主的混合失效模式。试验和数值模拟结果吻合,验证了该模型的正确性,对实际工程具有参考价值。

碳纤维增强铝合金层合板的残余热应力分析

碳纤维增强铝合金层合板(CARALL)是由碳纤维复合材料和铝合金薄板制成的,由于碳纤维复合材料和铝合金的热膨胀系数相差很大,加热固化后会产生较大的残余热应力。本文对碳纤维增强铝合金层合板中残余热应力进行了分析,并在碳纤维增强铝合金层合板的加热固化阶段,使用二次加热法来降低碳纤维复合材料和铝合金薄板的粘结温度,从而降低残余热应力。

基于ABAQUS的碳纤维增强铝合金层合板的承载性能研究

碳纤维增强铝合金层合板材料是一种能够减轻桥面板自重的新型复合材料。本文运用ABAQUS软件建模分析的方法,研究了不同铝合金牌号和铺层结构对碳纤维铝合金层板材料面板的承载性能的影响,并与试验结果相验证。研究发现:由2024-T3、7075-T6牌号铝合金和[0/90/0]、[45/0/-45]铺层结构组合而成的4组3/2型碳纤维铝合金试件的初始刚度和极限荷载相差不大,极限位移存在明显差异,采用2024-T3铝合金的试件的极限位移比采用7075-T6铝合金的试件大,铺层结构为[45/0/-45]的极限位移比铺层结构为[0/90/0]的试件大;试件铝合金表面应变对称分布,采用2024-T3铝合金的试件的应变明显比采用7075-T6铝合金的试件大,且加载区短边应变水平明显高于长边;试件材料层损伤存在明显的先后顺序,其中0°纤维断裂最早发生,90°其次,45°纤维最晚,7075-T6铝合金断裂发生在纤维断裂之后,2024-T3铝合金断裂发生在纤维断裂过程中。

碳纤维增强复合材料层合板的振动控制研究

以压电陶瓷-碳纤维增强复合材料层合板为研究对象,基于状态向量法和传递矩阵法建立了层合板的力电耦合运动方程。基于状态向量法和传递矩阵法的动力学模型能够更好地体现出带有不同铺层角度的层合板的固有特性。通过建立的动力学模型对碳纤维增强层合板和压电元件所组成的压电系统在MATLAB中进行状态空间方程求解。将解析结果与有限元结果相对比,仿真结果与解析结果具有良好的一致性,验证了模型正确。通过滑模控制,分析层合板在不同形式外部激励信号作用下的振动时域响应。在施加控制后,系统输出响应的幅值下降约为原来的50%。

CFRP层合板低速冲击响应及损伤特性研究

为了研究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)层合板低速冲击力学性能,开展了铺层顺序为[454/ 454]4T 的 CFRP 层合板落锤低速冲击试验。研究了条形冲锤冲击角度和半球形冲锤直径两个影响因素下的 CFRP层合板低速冲击力学响应,同时通过凹坑深度和分层损伤面积研究了层合板低速冲击损伤特性。试验结果表明:当条形冲锤冲击角度与层合板表面纤维方向平行时以及以较小直径的半球形冲锤冲击时,最大中心位移和能量耗散较大,凹坑深度和分层面积也较大;在冲锤直径和冲击角度两个单因素变量下,凹坑深度与分层损伤面积成正相关;直径为 10 mm的半球形冲锤冲击层合板时,在凹坑区域存在明显的纤维断裂;14 mm 和 16 mm 半球形冲锤冲击时,损伤虽目视可见,但未见明显纤维断裂。

高温环境对含孔复合材料层合板屈曲性能的影响

为了研究高温环境下含有不同直径大小的孔的碳纤维增强复合材料层合板的屈曲性能与室温环境下的屈曲性能之间的差异,首先对纵向压缩载荷作用下碳纤维增强复合材料层合板的临界屈曲载荷的计算理论进行了分析并选定了用于衡量屈曲性能的指标——最小正特征值;随后,在商业化有限元软件ABAQUS中建立了一系列含有不同孔径大小的碳纤维增强复合材料层合板的有限元模型,并通过改变材料的性能参数来模拟碳纤维增强复合材料层合板所处的温度环境.ABAQUS软件的屈曲分析结果表明:高温环境会使得碳纤维增强复合材料层合板的屈曲性能有所下降,且随着孔径的增大,碳纤维增强复合材料层合板的屈曲性能降低得越快.

碳纤维复材-铝合金双槽形截面层合板梁承载性能预测研究

为了研究具有双槽形异型截面的碳纤维增强铝合金层合板梁的弯曲承载性能,采用压力模压热固化成形工艺制备了两组碳纤维铺层结构分别为[0°/90°/0°]和[45°/0°/-45°]的双槽形截面层合板梁构件,进行了四点弯曲试验,获得了不同试件的极限弯曲荷载和破坏模式。针对二维Hashin失效准则的局限性,采用FORTRAN语言编写了适用于ABAQUS/Explicit显式分析算法的VUMAT子程序,实现了基于三维Hashin失效准则的CFRP层渐进损伤的数值模拟分析功能,对双槽形层合板梁的承载性能和破坏形式进行了分析。同时,基于经典层合板理论提出了一种预测碳纤维增强铝合金层合板梁安全承载力的理论方法。试验、数值模拟与理论计算结果的比较表明,所提出的安全承载力计算方法可用于预测碳纤维增强铝合金槽形截面层合板梁的安全承载力,可应用于异形截面层合板梁构件的设计。

准静态载荷作用下螺栓连接CARALL结构的损伤分析

碳纤维增强铝合金层合板(CARALL)是一种较新的纤维金属层压材料。为研究CARALL层合板的螺栓连接性能,采用热压罐固化成型工艺制备试件,对其螺栓连接结构进行准静态拉伸试验。对接头在承受准静态拉伸载荷时的失效过程进行了讨论,失效模式涵盖铝合金塑性变形、碳纤维断裂和界面分层。针对CARALL各层的不同材料成分分别建立失效模型,并采用VUMAT子程序实现了基于三维Hashin失效准则对CFRP层的渐进损伤分析。试验与有限元预测的极限载荷相对误差为8.9%,且所提出的模型能较准确预测试件发生分层失效的位置,证明了该模型能够有效地预测碳纤维增强铝合金层合板单钉螺栓连接结构的力学性能。