破片速度对碳纤维层合板冲击损伤的影响

为提升战斗部破片对航空复合材料结构的毁伤效果,采用空气炮冲击、数值仿真、战斗部静爆试验等手段,研究了层合板冲击损伤类型和分层面积随破片速度的变化规律,并分析了损伤机理。研究表明:层合板冲击损伤类型、机理和程度,与破片速度和层合板冲击临界速度(即冲击物穿透层合板的最小速度)的相对大小有关。在本文试验速度范围内,当破片速度小于层合板冲击临界速度时,造成背面裂缝型损伤,分层面积随破片速度增大而增大;当破片速度略大于层合板冲击临界速度时,造成背面炸裂型损伤,分层损伤范围最大;而更高的破片速度则造成切孔型损伤,分层损伤面积随破片速度的增大而减小,并趋近于切孔面积。为提高对复合材料结构的毁伤效果,应使破片着靶速度略大于层合板的冲击临界速度。

碳纤维层合板Lamb波损伤检测的加权块稀疏成像法

针对Lamb波稀疏阵列损伤成像方法中存在的成像分辨率低、伪点干扰大的问题,基于损伤在被测结构中的稀疏先验,提出了一种加权块稀疏重构的Lamb波损伤成像方法。首先通过Lamb波在薄板类结构中的线性传播模型,结合稀疏传感器阵列信息,构造过完备Lamb波散射的块稀疏字典;其次将测量得到的Lamb波散射信号在所构建的过完备字典下进行稀疏表示,将Lamb波损伤成像问题转化为加权l1范数最小化的凸优化问题;最后通过谱梯度投影法,求解所建立的加权块稀疏凸优化模型,得到损伤散射信号在该字典下的稀疏表示系数并以此作为损伤指标,实现对被测结构的损伤成像。碳纤维层合板上的模拟损伤成像结果表明:所提方法在单损伤成像中的定位误差为3.16mm,在双损伤成像中的最大定位误差为4.24mm。实验验证了所提方法的有效性,与传统延迟叠加成像法的对比表明,所得损伤成像结果具有更高的分辨率,更小的伪点干扰,但同时也需要更大的计算量。

基于3D-DIC对爆炸作用下碳纤维层合板的变形研究

针对3种不同铺层的碳纤维复合材料层合板,设计了开放式爆炸加载实验,研究不同的炸药质量和爆炸距离下层合板的动态力学行为。基于两台高速相机,搭建了高速三维变形场的实验测量系统,记录层合板在爆炸作用下动态变形过程。通过三维数字图像相关方法(3D-DIC)软件计算得到层合板在冲击波作用下的动态位移场和应变场。研究发现:层合板在弱冲击波作用下只发生弹性变形,正交铺层和准均质铺层均表现出良好的抗冲击能力;在强冲击波作用下层合板会产生分层、基体开裂、纤维断裂等形式的损伤,铺层顺序对损伤形式有很大影响。

碳纤维层合板复合材料铣削毛刺抑制技术研究

多用于航空结构件的碳纤维层合板复合材料,是一种难加工的材料,由于其多层多相的材料特点,在铣削加工中极易出现毛刺等缺陷。对该材料的铣削过程进行了理论分析,针对其易产生毛刺缺陷的问题,提出了利用刀具侧倾铣削的加工方法来抑制毛刺的产生。开展了不同侧倾角度的多组对照切削试验,通过对切削表面缺陷占比和毛刺长度的分析,验证了该方法的有效性,并且找到了在当前工况下获得最优切削质量的最佳刀具侧倾角度为20°。

褶皱对碳纤维层合板的力学性能影响

褶皱是复合材料层合板制备过程中容易产生的工艺缺陷,对层合板的力学性能会有较大负面作用,进而会对复合材料产品的质量和使用寿命产生重大影响,研究不同程度的褶皱对碳纤维层合板力学性能的影响具有重要意义。通过改变碳纤维铺层下使用的垫块/垫线尺寸,制备了具有不同褶皱高宽比的碳纤维层合板试样,研究了褶皱高宽比对于碳纤维层合板的拉伸、压缩、弯曲力学性能的影响,同时探究碳纤维褶皱层合板的失效机理。结果表明,随褶皱高宽比的增加,碳纤维层合板的主要力学性能均有不同程度的下降。

碳纤维层合板结构损伤区域机器人打磨去除工艺研究

采用工业机器人与金刚砂打磨头对碳纤维层合板表面进行打磨,研究了磨头转速、打磨头金刚砂目数、打磨方向对层合板表面粗糙度的影响,以及打磨轨迹对碳纤维层合板修补件力学性能的影响。结果表明:对于0°铺层碳纤维层合板,垂直纤维方向打磨的质量要优于平行纤维方向打磨的质量,适宜的磨头转速为2250~3000 r/min,此时表面粗糙度可控制在1.5~2.3μm,修复胶接强度更好;对于[0°/90°]_(16s)铺层碳纤维层合板,在了解铺层顺序及具体厚度的情况下,使用工业机器人可精准控制打磨到需要的铺层面;无论是0°铺层还是[0°/90°]_(16s)铺层,八阶梯打磨修补件的拉伸性能均比四阶梯打磨修补件更加优异,在阶梯状打磨时可通过适当增加阶梯数提高修补件的力学性能。

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。

嵌入式光纤传感器对碳纤维层合板弯曲性能的影响

针对光纤嵌入碳纤维层合板成形中常出现的涂覆层脱落问题,用一组对比试验研究了光纤的嵌入保护在碳纤维层合板成形过程中的作用;通过三点弯曲试验研究了光纤嵌入数量、嵌入方向对碳纤维层合板弯曲性能和失效模式的影响。结果表明:光纤的嵌入数量引起的碳纤维层合板抗弯强度和模量的最大损失分别为8.5%和14.3%;沿纤维方向嵌入光纤时,在光纤挤入方向相同的纤维束群中,抗弯强度和模量分别降低5.2%和13.1%;而当光纤光栅垂直于纤维方向嵌入复合材料内部时,光纤周围形成眼状复合结构,抗弯强度和模量均略有提升,增幅约为2.5%,起到一定的增强相的效果。

碳纤维复合材料层合板低速冲击损伤应力分析

目的 为掌握碳纤维复合材料板在低速冲击载荷作用下的损伤规律,延缓失效破坏,对其冲击损伤的应力状态进行研究。方法 基于ABAQUS平台,建立碳纤维复合材料层合板低速冲击有限元模型,采用Hashin失效准则和VUMAT用户子程序,对碳纤维复合材料层合板的冲击过程进行数值模拟,同时考虑层合板层内与层间失效,以此来研究低速冲击条件下复合材料的损伤机理,分析冲击损伤过程中的应力变化趋势,讨论应力的分布状态。重点研究铺层角度及铺层距离冲头远近对应力的影响。结果 不同角度铺层的应力传播轨迹均沿着纤维方向和垂直于纤维方向同时扩展,应力均先增加至极限值而后迅速下降;铺层角度越大,板料的承载能力越弱,0°铺层的极限应力为1 432 MPa,而90°铺层的极限应力降至1 206 MPa;离冲头越远的铺层应力越小,达到峰值的时间更早且率先下降,说明远离冲头的铺层更早发生失效。结论揭示了碳纤维层合板在低速冲击载荷作用下的应力状态及其对损伤的影响规律,能够为复合材料层合板零件设计提供参考。

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。

碳纤维层合板低速冲击后的红外热波检测分析

采用红外热波无损检测技术对低速冲击后的碳纤维层合板进行检测和分析,研究了损伤面积与冲击能量之间的关系。对比发现,实验结果与文献结果一致;实验结果说明红外热波不仅可以检测冲击损伤的大小,还可以确定损伤在材料内部绕冲击点沿纤维方向呈旋转方式进行扩展的损伤模式。采用超声C扫描对相同复合材料层合板进行了检测,详细对比了2种检测方法的优缺点,发现对于碳纤维层合板的低速冲击损伤,红外热波检测技术是一种快速、有效、可靠的无损检测技术和评估手段。

碳纤维复合材料层合板压延筋设计与优化

为满足结构轻量化的需求,碳纤维复合材料的使用越来越普及,综合采用轻量化材料和结构优化设计技术,提出一种碳纤维复合材料层合板压延筋设计方法。新型结构在考虑复合材料结构模具成型方式的前提下,利用形貌优化设计方法在复合材料层合板成型过程中布置类似压延筋结构,以提高层合板结构刚度和稳定性,然后通过碳纤维层合板的优化设计,提高结构整体刚度,降低层合板质量。结果表明,新型层合板结构使平板整体刚度增加了97.84%,提升效果明显,压延筋结构形式在层合板中的应用效果显著。

碳纤维复合材料层合板低速冲击影响因素

针对碳纤维复合材料层合板在冲击载荷作用下易发生不同形式损伤的实际情况,基于ABAQUS软件建立了碳纤维复合材料层合板低速冲击模型,分析了低速冲击工况下复合材料板的渐进累积损伤。利用Cohesive界面单元模拟了分层损伤,并调用Hashin失效准则和Vumat子程序对冲击过程进行了数值模拟,分析了工艺参数对冲击结果的影响。结果表明,复合材料层合板损伤由层合板中心萌生并沿径向扩展,最终率先在层合板中心位置发生失效破坏;层合板相邻铺层角度差值越大,吸能性越好;冲击能量越大,损伤面积越大,但当能量值超过27 J时,损伤面积增加速度放缓。

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。

T300/E51碳纤维编织层合板压入变形损伤分析

碳纤维编织层合板具有高比强度和易成形性,在工业领域内作为结构件的应用越发广泛。基于Hashin强度判据分析T300/E51碳纤维编织层合板在球形压头准静载条件下的力学响应,研究变形时的组分材料损伤,以组分材料刚度的退化表示其失效。试件损伤表现为压头背向处纤维应力较大,发生断裂,并垂直于该处纤维方向扩展,各层纤维应力差较大,试验结果与计算结果一致性较好;以此为依据设计了表层材料为T700SC的双层板,有效的改善了内外层应力差别较大的问题。

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。

碳纤维复合材料/钢的胶铆连接失效机理和选材方法

为了揭示碳纤维复合材料(CFRP)与钢板连接设计中,母材厚度和强度对接头失效的影响规律,对CFRP层合板与DC05、HC260Y、DP590、DP780、DP1180、PHS1500钢板组成的胶接、铆接和胶铆混合接头进行单向和正向拉伸试验,分析各接头连接强度和失效模式,提出CFRP/钢接头母材厚度比和强度比的推荐范围.结果表明:CFRP/钢接头失效模式由较弱一侧母材强度和刚度决定,在连接设计中,应尽可能使两母材的强度和刚度相近;CFRP零件与相邻钢件厚度比的推荐范围为1.37~1.91,母材极限承载比的推荐范围为0.9~1.52.

低速冲击下CFRP层合板的损伤分析与数值模拟

为研究碳纤维层合板在低速冲击载荷下的损伤过程,按照国家标准测定了平纹编织碳纤维层合板的冲击强度,并设定不同冲击能量进行冲击试验,分析层合板的损伤形式及演化过程。根据冲击试验条件,利用Abaqus软件建立了层合板的复合材料有限元模型,基于Hashin失效准则和渐进损伤演化理论,模拟层合板在不同冲击能量下的层内损伤和层间损伤。结果表明,随着冲击能量增大,基体拉伸损伤与纤维压缩损伤最容易发生,但基体压缩损伤最先完全失效,宏观表现为局部凹陷;分层损伤最先出现在冲击表面,以松树型损伤模式逐步向背面扩展。

冲头形状对复合材料层合板低速冲击力学行为影响研究

为掌握冲头形状对碳纤维复合材料层合板低速冲击响应的影响规律,了解层合板内部的损伤机制与失效模式,用Abaqus有限元软件对层合板进行低速冲击力学行为的数值模拟,为考虑多种失效模式混合,用三维Hashin强度准则与双线性内聚力模型分别预测层合板层内与层间的渐进损伤演化,重点讨论冲头形状对层合板冲击响应的影响规律。数值模拟结果与现有低速冲击试验数据较吻合,最大误差低于5%,验证了模型的可靠性。结果表明:冲击接触面积与穿透程度是造成层合板在不同冲头形状下冲击响应差异的主要原因,冲击接触面积较小的冲头对层合板的穿透程度大,会造成层合板沿厚度方向的损伤积累。冲击接触面积较大的冲头对层合板的穿透程度小,会造成层合板沿面内的层间分层损伤扩展。

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%。