纤维金属混杂层板抗侵彻性能的仿真分析

【目的】根据舰船轻量化的设计要求,纤维增强复合材料存在着抗冲击性能差等问题,需对其抗冲击性能进行研究。【方法】建立有限元模型,对一种适于海洋环境的玄武岩/钢混杂层板的抗侵彻性能进行研究,并验证其有效性。再对各工况下混杂层板的弹道性能和失效行为进行对比分析。【结果】多数情况下3/2铺层靶板的防护性能最好,复杂的铺层结构能够优化混杂层板的失效形式,使背板附近的铺层更倾向于呈现拉伸断裂的破坏形式。【结论】该破坏形式有利于纤维增强复合材料发挥其性能优势,提升防护效果。

热塑性纤维金属层板抗冲击性能研究与优化

为研究热塑性纤维金属层板的抗冲击性能,通过拉伸实验测量所用复合材料力学性能,为有限元仿真建模提供材料参数。采用2024-T3铝合金与玻璃纤维增强改性聚酰胺6复合材料预浸料制备正交铺层热塑性纤维金属层板,并对其进行落锤低速冲击实验。利用LS-DYNA建立数值仿真模型并计算,仿真结果与实验结果误差在10%以内,证明建模方法与材料参数的准确性。针对每层铝板厚度与复合材料铺层层数,选取碰撞峰值力PCF、等厚度吸能量TEA和层合板质量M为目标函数,对纤维金属层板进行多目标优化设计。结果表明:优化后纤维金属层板抗冲击性能与轻量化指标均得到有效提升,为工程实际应用提供参考。

车用纤维金属层板构件冲压变形行为研究

纤维金属层板(fiber metal laminate,FML)是一种新型轻量化混杂材料,逐渐被应用于汽车等运载装备领域,但其成形过程受多种参数影响,成形过程中的应力应变分布规律尚不清楚。选用T300碳纤维铝合金复合层板为研究对象,利用ABAQUS有限元软件对其冲压成形过程进行模拟,并进行了精度验证。主要研究了FML在预浸料种类、层板厚度和层板数等因素的影响下,应力分布及壁厚变化规律。结果表明,建立的FML冲压模型计算精度准确,预浸料种类主要影响纤维层的应力分布和壁厚变化,层板厚度和层板数对各层的壁厚变化产生影响,通过减薄层板厚度或增加层板数可以缓解过度减薄问题,层板厚度和层数也会影响铝合金层的应力分布,随着厚度和层数的增加,铝合金层的应力分布趋于均匀。

超混杂纤维金属层板成形方法研究进展

纤维金属层板(Fiber Metal Laminate,FMLs)作为一类兼具金属和复合材料优势的超混杂材料,凭借其优异的性能在航空航天和汽车领域应用广泛,其中商业化最成功的是玻璃纤维增强铝合金层板。首先按照组成金属与增强纤维的种类将纤维金属层板的分类进行介绍,并对其历史背景与研究进展进行了回顾。由于各成形方法涉及的变形机理不同,结合成形过程中几何尺寸和工艺参数对FMLs成形性能的影响,对其回弹、起皱、分层和开裂等成形缺陷和成形难点进行了分析。综述了现阶段国内外自成形、冲压成形、喷丸成形、充液成形和激光成形等技术的发展与应用现状,并对每种技术的优缺点及适用零件的类型进行探究。深入讨论了现有成形技术所遇到的挑战,其中重点对充液成形与冲压成形进行介绍。此外,简要介绍了FMLs在成形过程中的变形机理、变形模式和成形质量。在对各方面因素进行全面分析的基础上,讨论了FMLs成形技术未来的发展方向与挑战,此工作对科研人员未来开发新的成形方法具有一定意义。

结构非对称性对纤维金属层板低速冲击特性影响

本文针对两种不同构型的非对称纤维金属层板(非对称FMLs—双层板和三层板),开展不同能量(10J、20J和50J)下的冲击试验,分析结构构型和冲击能量水平对非对称FMLs的冲击响应、损伤类型和程度的影响,重点研究冲击非对称FMLs上下两侧产生的抗冲击性能的差异。研究显示,同一种FMLs两侧受到冲击作用,FMLs的抗冲击性能明显不同;但随着冲击能量水平的提高,非对称FMLs上下侧面均受到冲击作用所产生的冲击载荷和损伤程度基本一致。

基于红外热波无损检测的纤维金属层板缺陷检测研究

金属纤维层压板具有抗疲劳损伤、抗冲击、抗腐蚀性强、阻燃性高、易于加工等优异性能,广泛应用于航空航天、超音速飞机、核电、铁路运输等领域。金属纤维层压板的制造条件复杂,应用环境恶劣。易产生一般裂纹、纤维不均匀凝固甚至断裂、纤维和基体废料等缺陷,直接危及设备的使用寿命、运行安全和可控性。无损红外热波检测技术具有安全、高效、应用范围广、检测结果直观等优点。这为检测纤维—金属层压板的粘附缺陷提供了一种新的方法。

纤维金属层板的研究与发展趋势

纤维金属层板(Fiber metal laminates,FMLs)因其优良的疲劳性能以及高损伤容限,成为航空航天领域重要的结构材料,并愈加受到汽车、轨道交通等领域的关注。本文在综述FMLs发展概况的基础上,重点介绍了新型铝锂合金GLARE层板、热塑性Ti/Cf/PEEK层板及新一代聚酰亚胺FMLs层板的研究工作。同时针对FMLs的失效行为复杂、一些性能评价方法还不够完善等现状,评述了深入开展FMLs失效行为研究、采用计算机仿真技术进行其综合性能预测研究的重要性。最后,回顾了FMLs传统成形方法,如自成形技术和滚弯成形技术,并探讨了喷丸成形和液压成形在FMLs构件制造中的应用。

纤维金属层板疲劳裂纹扩展速率与寿命预测的唯象模型

以纤维金属层板疲劳裂纹稳定扩展的特性为基础，提出了纤维金属层板等效裂纹长度（ｌ０）的概念，导出了纤维金属层板疲劳过程中的有效应力强度因子方程，建立了纤维金属层板等幅疲劳下疲劳裂纹扩展速率与寿命预测的唯象模型。它不仅适用于中心裂纹，同时也适用于边缘裂纹。用唯象模型对２／１ＧＬＡＲＥ和３／２ＧＬＡＲＥ层板的ＣＣＴ试样和ＳＥＮＴ试样进行了寿命预测，并与试验结果进行了对比。当裂纹从锯切裂纹尖端扩展到试样宽度的８０％时，对于ＧＬＡＲＥ层板的ＣＣＴ试样，２／１ＧＬＡＲＥ层板的预测寿命与实测寿命之比为１．０５，３／２ＧＬＡＲＥ层板的预测寿命与实测寿命之比为１．０７。对于ＧＬＡＲＥ层板的ＳＥＮＴ试样，预测寿命与实测寿命之比为１．１２。唯象模型不仅预测结果可靠，精度高，而且都是解析运算，非常方便。唯象模型的提出使得纤维金属层板的疲劳裂纹扩展速率和寿命的预测变得跟金属材料一样方便，因此具有重要的工程应用价值。

纤维金属层板成形性研究

对两种热塑性纤维金属层板(AlTwintex和AlCurv)的成形性进行了试验研究。通过拉伸试验测得了两种层板的机械性能参数,发现AlTwintex和AlCurv层板相对铝板具有更为优良的机械性能,适合于冲压成形;不同温度预热后的弯曲试验表明,成形温度对两种层板的成形性有较大的影响。

纤维金属层板分层扩展的优化分析

以纤维金属层板疲劳裂纹扩展与分层扩展预测模型为基础，对分层扩展的影响因素，包括单层厚度、残余应力、增强纤维的弹性模量、层间结合强度和胶粘剂的剪切模量等，进行了分析。研究表明，降低材料的单层厚度和改善层板的残余应力系统可显著降低层板的分层扩展速率，而提高层间结合强度和增强纤维的弹性模量对降低层板的分层扩展速率的作用相对较小。

纤维金属层板接缝局部起裂准则研究

从金属层接缝界面端应力场分析出发,确定热-机耦合载荷作用下纤维金属层板接缝局部起裂控制参数,并据此建立界面端起裂准则。基于有限元特征分析法获得界面端奇异性应力场特征解,同时采用界面连续条件和自由边应力条件获得常数应力项,最后采用有限元方法结合最小二乘曲线拟合法获得热-机载荷下的应力强度系数。通过与实验结果对比发现:热-机耦合载荷作用下的应力强度系数可以作为接缝起裂控制参数;通过机械载荷作用下的应力强度系数,可以预测纤维金属层板接缝局部起裂载荷;应力强度系数准则具有很好的通用性,可以预测不同接缝宽度和纤维层厚度情况下的临界起裂载荷。

纤维金属层板金属层应变测量及应力预测方法

纤维金属层板作为一种新型复合材料,已开始应用于航空航天领域。脱离传统应变测量方法,应用一种新测量方法——数字化光学应变法,实现了层板中金属层应变的测量;同时以子层刚度理论获得层板的等效刚度矩阵,修正经典层板理论中整体刚度矩阵的求解方法,实现了金属层应力的更准确预测。以纤维增强铝锂合金2/1及3/2层板为例,使用光学应变法测量其金属层应变进而计算金属层应力,利用有限元仿真分析、经典层板理论及修正方法分别对其进行金属层应力预测。通过对比光学应变测量结果和有限元仿真结果,2/1及3/2层板光学应变测量结果与仿真结果最大误差分别为2.12%和3.68%,验证了新测量方法的准确性及实用性;通过对比光学应变测量结果和层板理论预测结果,2/1及3/2层板模型修正后结果比修正前准确率分别提升了2.91%和5.83%,验证了修正模型的有效性及先进性。

变幅载荷下纤维金属层板的疲劳与寿命预测

文章建立了纤维金属层板等幅疲劳载荷下的疲劳裂纹扩展速率与寿命预测模型。在此基础上对玻璃纤维 -铝合金层板 (GLARE)的疲劳裂纹扩展与分层扩展行为进行了试验研究 ,探讨了层板过载疲劳行为的机理 ,提出了纤维金属层板变幅载荷下疲劳寿命预测的等效裂纹闭合模型 。

石墨烯纳米片对碳纤维增强金属层板层间力学性能的影响

提出一种新的方法,用来改善碳纤维增强金属板(CARALL)的层间黏结强度。将不同质量分数(0,0.1%,0.3%,0.5%和1.0%)的石墨烯纳米片(GnPs)利用超声分散的方法使其均匀分散于环氧树脂中,并利用湿法铺层方法完成CARALL的制作。进行Ⅰ型断裂韧性的测试,探究GnPs对CARALL层间性能的影响,并进行CARALL的拉伸与弯曲性能测试,研究GnPs对CARALL力学性能的影响。通过SEM与光学图像观察GnPs的增强机制与CARALL试件的失效模式。结果表明,当GnPs的添加量为0.5%时,CARALL具有最佳的层间黏结强度与力学性能。当添加0.5%GnPs时,Ⅰ型断裂韧性提高79%;拉伸强度、弹性模量与断裂应变率分别提高14.5%,11.0%和15.5%;弯曲强度与弯曲应变率分别提高23.9%和81.5%。这是由于添加GnPs到环氧树脂中可以分散CARALL所承受载荷,并利用自身的断裂、拔出和脱黏等机制吸收能量,进一步改善CARALL的层间力学性能。

纤维金属层板制备成形的研究现状及发展趋势

随着航空航天和汽车等结构领域对轻量化的要求越来越高,纤维金属层板作为一种新型混杂复合材料得到广泛的关注。综述了纤维金属层板的最新研究进展,主要对纤维金属层板进行了3种不同类型的分类,并对其在飞机和汽车上的应用做了分析,介绍了纤维金属层板制备成形的国内外研究现状,以及针对纤维增强树脂体系的不同而采用的纤维金属层板的2种成形制备工艺:层压固化制备工艺(包括滚弯成形、喷丸成形)和金属塑性成形工艺(冲压成形、充液成形等),最后对纤维金属层板的特性及其在未来航空航天和汽车制造上的生产应用进行了展望。

纤维-金属层板粘接质量的非线性超声评价研究

传统超声检测利用超声波传播中遇到缺陷时波的反射、散射等特征进行缺陷检测和评价,实际上表征的是缺陷和周围介质的声阻抗差别。当超声波在材料中传播时,位错等微小缺陷会与其发生非线性相互作用,非线性超声检测就是利用这些非线性响应信号进行材料性能的评估和微小缺陷的检测,本质上反映的是微小缺陷对材料非线性的影响。文中从非线性超声理论出发,提出运用2阶和3阶非线性系数进行纤维-金属粘接层的评价,实验结果表明非线性系数可以表征粘接缺陷。

纤维金属层板及其在飞机结构中的应用

纤维金属层板(FibreMetalLaminates,FMLs)是由薄的金属层和纤维复合材料层组成的混杂复合材料层板,综合了金属材料和纤维复合材料的优点,弥补了单一金属材料和非金属复合材料的不足,具有耐腐蚀、阻燃、耐冲击等优点。

纤维金属层板受低速冲击响应的计算方法

通过参数分析研究纤维金属层板在低速冲击下的响应,得出试件尺寸、厚度,撞头尺寸、形状和冲击角度对载荷峰值和最大位移的影响规律。在此基础上,结合Timoshenko板壳理论,提出适合于圆形和方形纤维金属层板受低速冲击时的经验公式,据此经验公式可求得给定初边条件下纤维金属层板的载荷-位移关系。对比经验公式和模拟试验结果发现,经验公式在预测走势和载荷峰值上比Timoshenko理论更接近模拟试验值,计算得到的载荷峰值和相应最大位移与模拟试验结果相差均不超过10%,对纤维金属层板的结构设计具有指导意义。

热塑性纤维金属层板的抗低速冲击性能

研究热塑性纤维金属层板(TFMLs)抗低速冲击性能,可为实际结构设计提供参考。采用2024-T3铝合金、连续玻璃纤维增强改性聚酰胺6单向带和聚乙烯胶膜制备TFMLs3/2。对不同铺层角度样件进行122 J落锤低速冲击试验。基于动力学分析软件LS-DYNA建立TFMLs低速冲击有限元仿真模型,仿真与试验结果对比误差控制在10%以内。结果表明:单向铺层样件出现脆性断裂,正交铺层样件仅发生塑性变形,未产生裂纹;冲击器形状与纤维铺层角度对TFMLs低速冲击响应有重要影响;尖头冲击器冲击时碰撞峰值力相较于平头冲击降低46.5%。正交铺层时内部损伤面积最小,相较于斜向铺层降低53.5%。

Ti/APC-2纤维金属层板的制备及拉伸性能研究

纤维金属层板(FMLs)是适应对材料的新要求而产生的一种高性能轻质结构材料。本文制备出Ti/0°/Ti结构的Ti/APC-2层板并对其进行拉伸性能研究,分析其破坏失效方式,得到抗拉强度并将其与理论计算值对比,最后研究这一结构层板拉伸性能与测试温度的关系。结果表明:预浸料APC-2中0°方向的碳纤维对整个层板的最终抗拉强度的增强效果明显,整个层板的拉伸时效分为线弹性变形和塑性变形两个阶段,拉伸强度实测值与理论值具有良好的一致性且随测试温度的升高而下降。