玻璃纤维铝合金层板(FMLs)的疲劳损伤特性及S-N曲线

根据国内外标准和参考文献,针对玻璃纤维增强铝合金层板(FMLs)的特点设计出FMLs疲劳试验件,进行了不同载荷下的R=0.1等幅拉-拉疲劳试验。疲劳试验过程中FMLs最先在表面铝层内出现裂纹,随后表面铝层可见多条裂纹。随着循环载荷数的增加,裂纹不断扩展,并在界面出现分层现象,然后分层损伤快速扩展直至完全断裂破坏。测得了FMLs的疲劳裂纹起裂寿命和裂纹扩展寿命,给出了其疲劳寿命的规律性。得到了FMLs和同样厚度碳纤维复合材料CCF300的S-N曲线,并进行了对比。FMLs的疲劳寿命随载荷变化平缓,近似成对数趋势;在载荷大于400 MPa时FMLs的疲劳寿命与CCF300碳纤维复合材料层板相当;当疲劳载荷最大值低于300 MPa,FMLs的疲劳寿命比CCF300复材板要低。为飞机结构设计师们提供了材料基础性能和信息。

航空用玻璃纤维铝合金层板成形技术研究进展

玻璃纤维铝合金层板(GLARE)具有优良损伤容限、抗冲击和疲劳性能,越来越受到航天航空和轨道交通领域的关注。由于玻璃纤维铝合金层板的自身成形能力有限,如何高效精密成形复杂玻璃纤维铝合金层板零件是GLARE层板研究领域的研究热点之一,也是进一步推广该材料应用的关键。本文对GLARE层板自成形、滚弯、拉形、喷丸成形、液压成形等成形方法的研究进展及相应的优缺点进行了归纳分析,并对玻璃纤维铝合金层板成形方法的发展趋势进行了展望,为玻璃纤维铝合金层板成形技术的进一步研究提供理论指导和参考信息。

纤维铝合金层板的研究进展

纤维铝合金层板是由铝合金和纤维增强复合材料组成的一种混杂结构材料,是一种新型的航空结构材料,广泛应用于飞机较为关键的疲劳结构件上。主要介绍了ARALL和GLARE两种纤维铝合金层板的疲劳性能、拉伸性能、抗损伤性能的研究现状,并进一步提出了今后的研究方向和工作重点。

车用碳纤维/铝合金层板弹性模具增塑成形极限及机理研究

为解决车用碳纤维/铝合金层板传统成形工艺存在的异质材料变形协调性差、塑性成形极限低的问题,提出了一种碳纤维金属层板弹性模具增塑成形方法,并结合理论分析、有限元仿真、实验等方法,研究了弹性模具增塑成形过程中碳纤维金属层板的变形行为和成形极限。实验结果表明,所提方法能够显著提升碳纤维金属层板的成形性能,且随着弹性模具硬度的增加,层板的成形极限位移和承载极限均有所提高,当弹性模具硬度达到HS90A时与传统无弹性模具成形相比,层板的成形极限位移可提高30.6%,承载极限可提高21.8%。

玻璃纤维-铝合金层板的拉伸和疲劳性能研究

对单向和正交玻璃纤维-铝合金层板的拉伸和疲劳性能进行实验和分析,利用和修正了金属体积分数理论,对两种层板的拉伸性能进行验证。通过对两种层板裂纹扩展速率及裂纹扩展形貌的研究,得到两种层板的裂纹扩展速率方程,并对玻璃纤维-铝合金层板的裂纹扩展机理进行分析。

玻璃纤维／铝合金层板基本成形性试验研究

研究了GLARE(glass fiber reinforced aluminium laminates)层板的基本成形性,通过拉伸试验测得了4种层板的性能参数,将这些性能参数进行对比分析,拟合出GLARE纤维不同方向的机械性能函数,据此函数获得了纤维不同方向的GLARE层板性能;通过弯曲试验得到4种层板的最小弯曲半径和回弹角,并研究了温度对最小弯曲半径和回弹角的影响;分析了GLARE的疲劳性能。

单向玻璃纤维-铝合金层板疲劳裂纹扩展速率分析

对LY-12铝合金板和单向Glare层板(在纤维方向加载)进行疲劳裂纹扩展试验。结果表明:在相同的应力强度因子下,制备的Glare层板的疲劳裂纹扩展速率为铝合金单层板的1/10000左右,单层的铝合金板疲劳裂纹扩展速率高于Glare层板。

玻璃纤维-铝合金正交层板的拉伸性能研究

通过对两组具有不同铺层次序的玻璃纤维-铝合金正交层板进行拉伸实验,对比研究了铺层次序对材料拉伸力学行为的影响。载荷跌落前两组试件的拉伸力学性能和应力-应变曲线基本一致,说明玻璃纤维-铝合金正交层板的拉伸力学性能与纤维的铺层次序无关。提出了修正后的金属体积分数理论,准确预测了材料的弹性模量、屈服应力及拉伸强度。依据声发射数据和试件损伤失效形貌照片,分析了两组试件的拉伸损伤失效进程。结果表明,铺层次序的不同使得两组材料的损伤进程和破坏模式具有很大差异。最后,利用有限元方法对试件的拉伸力学行为进行了模拟分析,模拟结果与实验值吻合较好。

纤维增强铝合金层板在军用桥梁中的应用探索

军用桥梁综合性能的提升离不开新材料的运用。纤维增强铝合金层板是目前航空航天中普遍应用的一种新材料,它轻质高强的同时还具有抗冲击、耐疲劳、易加工的优点,综合性能优于传统的FRP材料。根据纤维增强铝合金层板在飞机制造中的应用现状,介绍了常用纤维增强铝合金层板的主要种类及性能,分析了该材料在提高军用桥梁抗冲击与耐疲劳性能以及降低桥梁构件制造成本上的应用优势,提出了应用中需要重点解决的问题,包括适用的军用桥梁结构形式、军用桥梁刚度、桥节单元纵向连接等。

玻璃纤维增强铝合金层板的裂纹扩展特性研究

针对玻璃纤维增强铝合金层板进行了等幅拉-拉疲劳试验,研究了含中心缺口玻璃纤维增强铝合金层板在疲劳载荷作用下的裂纹扩展和分层扩展机制。随裂纹长度增加,其疲劳裂纹扩展速率基本保持定值,分层与裂纹长度为线性关系。基于有限元模型进行数值计算,建立了等效应力强度因子方法,使用等效Paris公式对裂纹扩展速率进行预测,对比试验结果,吻合良好。这说明了该数值方法可用于预测纤维增强铝合金层合板的疲劳裂纹扩展。

玻璃纤维-铝合金层合板湿热老化性能研究

通过研究玻璃纤维-铝合金层板在70℃、RH85%湿热环境下不同老化周期后的力学性能、基体红外光谱、铝合金表面形貌及元素变化,分析了层板的湿热老化机理。结果表明:在加速湿热老化条件下,复合材料层内部基体会发生吸湿塑化,并破坏树脂与纤维以及铝合金层的界面,影响了材料内部应力的传递,使与界面及桥接应力相关的性能发生明显退化;表层铝合金层随湿热老化时间的延长,表面氧化加剧,使铝合金塑性降低,主要影响依靠铝合金承载的力学性能。

不同铺层结构GLARE层板弯曲失效机理的声发射研究

玻璃纤维增强铝合金(Glass Fiber Reinforced Aluminum,GLARE)层板是一种在航空工业中被广泛使用的混杂复合材料。本研究采用三点弯曲试验方法对其进行弯曲加载,同时利用声发射技术(Acoustics Emission,AE)对弯曲过程中层板的损伤行为进行实时监测,并基于多AE参数及K-means聚类方法探究了不同铺层结构GLARE层板的弯曲性能及失效机理。结果表明:铝合金的铺层位置对GLARE层板的弯曲性能有显著影响;最外层铝合金与复合材料层的变形协调作用可以有效延缓损伤的起始与演化。GLARE层板在弯曲失效过程中的损伤模式及对应的峰值频率为:0~50 kHz代表铝合金损伤,80~210 kHz代表基体开裂,210~320 kHz代表纤维剥离和界面分层,320~400 kHz代表纤维断裂。

纤维金属层板在飞机制造中的应用及工艺性分析

金属基复合材料对飞机强度性能,抗疲劳、抗温、抗蚀、减重等能力上都比一般材料好,但造价较贵,工艺较为复杂,使用上受到一定限制。纤维金属层板在飞机结构上使用的基本是芳纶纤维增强铝合金层板(ARALL)、玻璃纤维增强铝合金层板(Glare)和碳纤维增强钛合金层板(TiGr)3种。但由于剥离强度较低,断裂韧性差,使飞机寿命受到影响,ARALL在飞机上的使用受到限制,大的民航客机上用得很少。后来新的金属基复合材料层板开发出来,就逐渐被代替了。而其中的Glare相对来说却是比较实用的,而且已经国产化。TiGr开始主要是结合航天尤其是火箭燃料箱需要而开发的,现已经推广到飞机上使用。本文对纤维金属层板在飞机结构中的应用进行了阐述,并对其工艺性进行了一般分析。

玻璃纤维增强铝合金层板的抗高速冲击性能研究

本文进行了玻璃纤维增强铝合金层板(glass laminate aluminum reinforced epoxy,GLARE)在平头子弹冲击下的高速冲击试验,采用ABAQUS有限元分析软件建立GLARE层板的高速冲击数值模型,研究其在高速冲击作用下的响应及损伤特性,在验证其有效性的基础上,预测了不同直径和不同材料属性的子弹冲击下GLARE层板的抗冲击特性,揭示子弹直径、材料属性和弹头形状对GLARE层板抗高速冲击性能的影响。结果表明:GLARE层板在高速冲击作用下表现出良好的抗冲击性能;弹头形状对GLARE层板抗高速冲击性能影响最大,其次是子弹材料属性,子弹直径对GLARE层板抗高速冲击性能的影响并不显著。

纤维金属层板成形极限测试的新试样设计

在拉深成形过程中,纤维金属层板常见的失效模式主要有起皱、纤维拉伸断裂以及界面分层。受金属拉深成形测试的启发,经研究,当纤维金属层板以纤维拉伸断裂与界面分层失效为主要的失效模式时,可以将纤维应变引入到成形极限图中。但是,由于用于拉深测试的传统金属条状试样形状会干扰纤维金属层板内纤维应变的计算,因此,本研究设计了一种新型切槽形状试样。通过对比传统的条状试样和新型切槽试样的成形试验以考察玻璃纤维/聚酰胺树脂(Gf/PA)复合材料-铝合金层板的成形性能。研究结果表明:所设计的新型切槽试样可以将纤维计算的应变水平控制在6%以内,通过对不同纤维应变区间的分类,可以明显地区分出层板拉深成形的破坏形式是纤维拉伸断裂或者界面分层。研究得出,切槽试样的成形极限图包含3个区域:成形安全区-纤维拉伸断裂区-界面分层区。除此之外,切槽试样获得的成形极限曲线可以将变形演化与破坏机理结合起来,更有效地表征纤维金属层板的拉深成形性能。

拉-压加载下纤维增强铝合金层板疲劳裂纹扩展的压载荷效应与预测模型

基于增量塑性损伤理论与纤维增强金属层板疲劳裂纹扩展唯象方法,推导出在拉-压循环加载下,纤维增强金属层板疲劳裂纹扩展速率预测模型。并通过玻璃纤维增强铝合金层板在应力比R=-1,-2的疲劳裂纹扩展实验对预测模型进行验证。结果表明,纤维增强铝合金层板疲劳裂纹扩展的压载荷效应分为两种情况:在有效循环应力比RC>0时,表现为压载荷对铝合金层所承受残余拉应力的抵消作用;当RC<0时,表现为压载荷抵消残余拉应力后,对纤维增强铝合金层板金属层的塑性损伤,对疲劳裂纹扩展存在促进作用。纤维铝合金层板疲劳裂纹扩展的压载荷效应不可忽略,本文中得出的在拉-压循环加载下疲劳裂纹扩展速率预测模型与实验结果符合较好。

阳极氧化工艺对纤维-铝合金层板力学性能的影响

通过改变铝合金表面阳极氧化工艺参数,研究了阳极氧化电压和时间对玻璃纤维-铝合金(GLARE)层板抗拉强度和层间剪切强度的影响。通过SEM观察了铝合金表面Al2O3多孔膜和层板断面形貌,分析了铝合金/树脂胶接界面对层板力学性能的影响。结果表明,阳极氧化电压为20V时,GLARE层板抗拉强度和层间剪切强度随着阳极氧化时间延长而增大,在20min时出现最大值,继续延长阳极氧化时间,层板强度随之下降;阳极氧化时间为20min时,GLARE层板抗拉强度和层间剪切强度随着阳极氧化电压增大而增大,在20V时出现最大值,继续增大电压,强度随之下降。

玻璃纤维增强铝合金层板高速冲击损伤容限

为研究玻璃纤维增强铝合金(GLARE)层板高速冲击损伤容限,对单次、多次冲击载荷下GLARE层板的损伤特性进行了高速冲击试验和数值仿真研究。采用一级气体炮,在GLARE层板靶板的中心位置、边位置、角位置进行弹道冲击试验,获取弹道极限和损伤模式,然后结合数值仿真剖析动态响应特性。结果表明,弹道冲击条件下,GLARE层板主要通过塑性变形、金属层裂纹、脱胶、复合材料纤维脆断等损伤模式吸收冲击能量。边界约束效应对GLARE层板冲击损伤特性具有显著影响,主要表现在:约束效应导致不同位置冲击下GLARE层板损伤模式不同,包括成坑、金属裂纹和冲塞等特征;角位置冲击条件下,GLARE层板的弹道极限速度明显低于中心位置冲击结果;重复冲击条件下,角位置比与边位置和中心位置更容易发生穿透。

含孔玻璃纤维/环氧树脂复合材料-铝合金层板的拉伸损伤行为与热暴露响应

采用试验和数值方法研究了含孔玻璃纤维/环氧树脂(GF/EP)复合材料-铝合金层板在不同热暴露温度下的拉伸剩余强度和损伤失效模式,揭示了层间损伤、纤维损伤及基体损伤的演化过程。结果表明:随着热暴露温度升高,含孔GF/EP复合材料-铝合金层板剩余强度不断下降,拉伸破坏呈现出明显的纤维断裂与层间分层混合失效模式。热暴露温度越高或开孔直径越大,GF/EP复合材料-铝合金层板的层间分层损伤区域越小。随着载荷的增大,沿加载方向的0°纤维和基体的损伤分别呈现出类似"漏斗"形和"花瓣"状的损伤演化形式,而层间损伤区域呈现出一对相对开孔对称的三角形损伤演化形式。基于GF/EP复合材料-铝合金层板的剩余强度和损伤失效模式的数值仿真与试验结果吻合较好。

玻璃纤维铝合金板低速冲击损伤演化数值模拟

编写了复合材料损伤的VUMAT子程序,并结合Johnson-Cook金属损伤模型和表面内聚力行为层间分层方法建立了玻璃纤维增强铝合金层板(GLARE)受落锤低速冲击的数值模型.分析了能量吸收、形变情况及锤头接触力的变化,并通过与实验结果的比较验证了有限元方法的可靠性.利用有限元方法能够更全面分析材料损伤变化的优势,模拟了GLARE三维渐进失效、铝合金层的失效以及纤维层和铝合金层界面分层的破坏模式.通过综合分析该三种渐进失效与能量吸收、形变情况及锤头接触力的变化,揭示了玻璃纤维增强铝合金层板受落锤低速冲击下的破坏机理,验证了铝合金层板的加入对于玻璃纤维增强铝合金层板抗冲击性能增强规律.