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。

碳纤维增强镁合金层合板及其基本力学性能

对碳纤维增强镁合金金属层合板FML(Fiber Metal Laminates)进行了初步的探索和研究。在几种不同层数和体分比下,制备了碳环氧/镁合金层合板这种轻型结构材料,通过对这种新材料的初步力学性能的试验测试,给出了碳纤维增强镁合金金属层合板的应力-应变曲线,以及强度极限、弹性模量与纤维/环氧复合材料百分含量的关系。

碳纤维增强镁合金层合板拉伸性能和层间断裂韧性

玻璃纤维增强铝金属层合板,已广泛应用于航空、航天等领域。现采用密度更小的镁合金板取代铝合金板,并用抗拉强度更高、弹性模量更大的碳纤维来代替玻璃纤维,会得到一种新型的复合材料——碳纤维增强镁合金层合板。通过对不同纤维/树脂复合材料体积比的碳纤维增强镁合金层合板进行拉伸以及单悬臂梁试验,分别得到其强度、刚度及界面断裂韧性等机械性能。并与工程实际中广泛使用的玻璃纤维增强铝合金层合板进行比较。结果表明,碳纤维增强镁合金层合板具有比玻璃纤维增强铝合金层合板更高的比强度、比刚度以及界面断裂韧性。碳纤维增强镁合金层合板是一种非常有前途的新型复合材料。

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。

载荷加载速率对碳纤维镁合金层合板层间断裂韧性的影响

分别采用镁合金和碳纤维代替工程中常用的玻璃纤维增强铝合金层合板中的铝合金和玻璃纤维，通过将单向碳纤维／环氧树脂预浸料交替层压，得到复合材料板，并用环氧树脂将复合材料板与镁合金薄板加压黏结在一起，得到碳纤维增强镁合金层合板。采用单悬臂梁测量载荷速率对碳纤维增强镁合金层合板层间断裂韧性的影响。结果表明：层间裂纹在低载荷速率时以稳定的方式扩展，而在高速率时裂纹的扩展变得不再稳定；在低速率（1～1000mm／min）载荷下，载荷速率对层间断裂韧性有轻微的影响；层合板在高速率载荷下的层间断裂韧性大于低速率下的层间断裂韧性。

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含孔层合板损伤破坏分析研究进展

综述了碳纤维增强复合材料含孔层合板损伤破坏以及应力分析的研究进展,介绍了几种含孔层合板的破坏准则和分析含孔层合板损伤破坏的二维以及三维模型,展望了有待于进一步研究的问题。

玻璃纤维增强铝合金层合板低速冲击响应分析

基于ABAQUS/Explicit建立了GLARE的有限元模型,分析了其在低速冲击载荷作用下的动态响应,讨论了低速冲击过程中冲头与层合板之间的接触力随冲头位移的变化过程,并进一步分析了低速过程中结构的破坏过程及能量平衡。研究发现:冲头承受的载荷在冲击过程中会发生剧烈变化,且在击穿GLARE前,载荷受冲击速度影响很小;冲头的动能损失基本转化成了层合板结构增加的内能,主要包括铝合金板的塑性变形能、整体材料应变能、因损伤破坏吸收的能量;其中铝合金板的塑性变形能占比最高,可通过进一步设计铝合金板来提高GLARE的抗冲击性能。本文为GLARE层合板在结构冲击防护中的设计及应用提供了重要的参考依据。

纤维增强塑料－铝合金层合板分析

由纤维增强塑料板与铝合金板经热压粘合而成的层合板综合了纤维增强塑料与铝合金的优点，在飞机结构上有良好的应用前景，纤维增强塑料的热膨胀系数明显比铝合金的小，所以展板由热压粘合温度冷却后存在有害的残余应力，本文分析了纤维增强塑料－铝合金层板中热胀冷缩而形成的残余应力分布．纤维增强塑料的屈服应力、屈服应变明显比铝合金的高，所以可用拉伸塑性变形的方法，使展板中的铝合金产生塑性变形，从而在层板中形成有利的残余应力（预应力），本文分析了层板塑性拉伸后的残余应力分布，最后本文给出一算例，计算了层板因热胀冷缩而产生的残余应力和拉伸塑性变形后的残余应力．

碳纤维增强树脂基复合材料与铝/镁合金连接研究进展

运载工具的轻量化是解决当前能源危机和环境问题的重要手段之一,得到国内外学者的高度重视。碳纤维增强树脂基(carbon fiber-reinforced polymer,CFRP)复合材料和以铝镁为代表的轻合金具有一系列优异的力学性能与加工特性,是极具应用前景的轻量化材料,实现这两种材料之间的有效连接,成为当下研究的热点。然而由于异种材料之间理化性能差异较大,在生产过程中混合应用多种轻量化材料仍面临巨大挑战。本文通过对胶接、机械紧固、搅拌摩擦及其变种工艺连接技术的研究进展、优缺点、发展趋势进行汇总分析,考察不同连接方式下获得接头的微观形貌,总结了CFRP与铝镁轻合金搅拌摩擦连接的三种机理包括宏观锚定、微观机械嵌合与化学键连接。最后,基于以上三种连接机理,指出进一步提升混合接头性能的关键在于增大金属母材表面粗糙度,增加熔融高分子面积和采用混合连接工艺。

碳纤维增强复合材料/轻合金叠层结构制孔技术研究进展

碳纤维增强复合材料/轻合金叠层结构已经被广泛地应用于航空航天及相关的工程领域。阐述了近年来国内外碳纤维增强复合材料/轻合金叠层结构制孔技术的研究进展与发展方向,重点剖析了叠层结构钻削机理、制孔缺陷、制孔质量影响要素等方面。为实现碳纤维增强复合材料/轻合金叠层结构优质高效制孔加工,提出叠层结构制孔切削热建模仿真、制孔缺陷预测与制孔过程智能控制等未来研究方向。叠层结构制孔研究的现状分析与展望将会对航空装配领域的技术进步起到重要的指导作用。

碳纤维增强复合材料/钛合金叠层结构钻削仿真研究

碳纤维增强复合材料在航空领域常作为结构材料与钛合金组成叠层结构,能在减轻重量的同时利用两种材料的不同特点获得更优异的综合力学性能。本文应用有限元仿真方法模拟了叠层结构CFRP/Ti在CFRP→Ti和Ti→CFRP两种钻削顺序下的制孔过程,探究了不同钻削顺序对叠层结构钻削应力、钻削温度及制孔质量的影响规律。结果表明,在CFRP→Ti钻削顺序下叠层界面制孔质量更高,更能满足实际生产要求。

碳纤维增强树脂基复合材料层合板的传热性能研究

随着复合材料在飞机结构中的应用增加,复合材料与金属混杂结构中的热应力问题越来越受到重视。为了分析结构中的热应力,准确的结构温度场必不可少,而材料的传热性能参数对结构温度场的分析至关重要。复合材料传热性能的各向异性,以及铺层依赖性,给传热性能测量带来不便。依据ASTM E1461标准,设计了不同铺层的试验件,采用闪光法测量T800级碳纤维增强树脂基复合材料层合板沿厚度方向和面内方向的热传导率。研究各种铺层层合板的热传导率规律,验证了复合材料层合板面内方向热传导率的热叠层理论计算公式。此研究结果可应用于碳纤维增强树脂基复合材料层合板热传导率的快速计算。

碳纤维/环氧树脂层合板的膨胀特性

一、前言 复合材料大多具有明显的各向异性,掌握不同方向的性能是正确使用复合材料的必要条件。对于用碳纤维增强环氧树脂的复合材料来说也是这样。碳纤维与环氧树脂基体二者的膨胀性能相差极大,例如本实验所采用的日本东丽公司M40碳纤维的线膨胀系数为-1.2×10-6℃-1,在一定温度范围内,它的长度随温度的升高而收缩。环氧树脂的线胀系数高达60×10-6℃-1。二者在膨胀性能方面相差极大,因此,无论是设计研制或者是使用这种层合板,都必须考虑到纤维铺层的取向及其体积分量对层合板性能的影响。例如某些要求尺寸稳定性很高的构件,可以利用碳纤维线膨胀系数小,杨氏模量又很大的特点,选择纤维增强方向为尺寸稳定的方向。另一方面,尺寸稳定性太好。

水下接触爆炸作用下金属/CFRP复合层合板的防护性能

碳纤维增强复合材料(carbon fiber-reinforced polymer,CFRP)具有优异的抗爆性能,逐渐被应用于舰船结构的抗爆抗冲击设计中。为了探究水下接触爆炸作用下金属/CFRP复合层合板的防护性能,基于任意拉格朗日-欧拉方法,建立了水下接触爆炸对金属/CFRP复合层合板毁伤的流固耦合数值模型,分析了层合板在承受水下爆炸载荷后的变形和吸能特点,比较了不同铺层方式对结构抗爆性能的影响,结果显示,钢/CFRP/钢结构的抗爆性能较优。针对钢/CFRP/钢结构,探究了CFRP的厚度对吸能效果的影响,并进行了厚度优化,得到了较优的厚度比,即1.1∶4.0∶1.1。

高强钢/CFRP多层复合板的三点弯曲性能分析

为了提高QP985高强钢的力学性能,选择热冲压方法来实现QP985高强钢与碳纤维增强复合材料(CFRP)的复合,并开展多层复合板三点弯曲试验。试验结果表明:与没有CFRP的钢板试样相比,铺设2层与4层CFRP试样的最大位移减小了10.12%与19.29%,吸收能量增大了4.76%与7.18%,弯曲角降低了22.49%与25.64%;CFRP可以起到明显的增强作用。

磁浮列车碳纤维车厢与铝合金夹层结构连接结构设计与优化

某型号磁悬浮列车车厢采用碳纤维复合材料,夹层结构采用铝合金,由于两种材料之间存在较大的电位差,易导致机械连接结构发生电化学腐蚀,进而引起连接结构破坏。因此采用共固化的方式对其连接结构进行设计。因碳纤维和铝合金热膨胀系数不同,为缓解温度引发的共固化连接结构内应力,从理论和仿真两个角度对连接结构的热应力进行了分析,并采用基因遗传算法对连接结构的铺层角度进行了优化。优化后连接结构最大应变下降了35.7%。

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%。