2.5维编织复合材料的细观结构与弹性性能

介绍2.5维编织工艺的概念,归纳3种较有代表性的细观结构几何模型并对比各结构模型的优缺点,从理论计算与数值模拟两方面总结2.5维编织复合材料弹性性能预测的研究成果,最后分析了几何结构及经、纬密等工艺参数对纤维体积分数(体积含量)与复合材料弹性性能的影响。

2.5维编织复合材料弹性性能的理论研究

以2.5维编织复合材料细观几何结构的深入研究为基础,详细分析了其单元体模型。采用圆形纤维束截面和经纱沿正弦曲线分布的假设,建立了基于刚度平均的2.5维编织复合材料弹性性能分析预报模型,并采用M atlab编程用于计算该类材料的力学性能。在材料经向纱线密度不变的情况下,预测了弹性性能随纬向纱线密度的变化规律。通过理论计算结果与实验值对比,验证了该方法的正确性。

2.5维编织复合材料振动非线性特性试验研究

通过强迫振动试验测试,探索2.5维纬向树脂基编织复合材料平板结构中的振动非线性特性。为了抑制材料的大变形行为,将2.5维纬向树脂基编织复合材料平板结构置身于不同边界条件、不同幅值水平基础激励下进行扫频强迫振动试验。试验结果表明:在微幅变形条件下复合材料平板的强迫振动响应呈现出明显的非线性特征。

环境温度对二维编织SiC/SiC复合材料拉伸性能的影响研究

为了研究环境温度对陶瓷基复合材料拉伸性能的影响,在室温和800℃,1000℃,1200℃惰性气体保护环境下开展了二维编织SiC/SiC复合材料的拉伸试验。采用数字图像相关技术采集了高温环境下试件的变形数据。通过光学显微镜和扫描电子显微镜拍摄了试件的断口形貌。结果表明:800~1200℃内,二维编织SiC/SiC复合材料的拉伸应力-应变响应同样具有明显的双线性特征,初始线性段的弹性模量与室温测试结果相近,高温环境下第二线性段弹性模量低于室温环境;800~1200℃惰性气体环境下材料拉伸强度较室温环境低20%左右;温度主要影响材料中纤维与基体的结合状态和SiC纤维的强度。一方面,温度越高断口纤维拔出情况越严重;另一方面,温度越高SiC纤维强度越低,二维编织SiC/SiC复合材料强度也有所下降。

2.5维机织复合材料TCM细观分胞模型研究

从真实反映制造工艺对2.5维机织复合材料厚度方向上纱线束截面尺寸的影响出发,在传统二元分胞模型基础上提出了一种新的胞体—过渡胞,进而在细观尺度上建立了2.5维机织复合材料三胞体模型(TCM)。该模型反映了不同厚度位置经纱几何参数的差异,弥补了传统分胞方法的不足。基于TCM和刚度体积平均方法预测了几种典型2.5维机织复合材料包括弹性模量在内的力学性能,并与实验结果进行了对比。分析结果表明,基于TCM的预测结果相比传统模型预测精度更高;另外,经向弹性模量在厚度方向上呈现“马鞍”形分布;对10-6w材料,过渡单胞和内层单胞的经向弹性模量相差约6%,而传统分胞方法无法准确反映材料表层/次外层和内层材料结构及力学性能的差异。

考虑编织角动态变化的3维编织碳/碳复合材料高温剩余刚度模型

为研究3维编织碳/碳复合材料在高温环境下的疲劳特性,建立了一种编织角与循环数相关的编织角动态变化模型,将其引入考虑温度的单向复合材料剩余刚度模型中,根据应力、编织角的变化以及温度等因素的影响,建立了3维编织复合材料高温疲劳剩余刚度模型。在700℃的大气环境下,对添加抗氧化涂层的3维编织碳/碳复合材料进行了拉-拉疲劳试验,获取了剩余刚度、剩余强度以及试验段长度等参量。结果表明:在700℃下3维编织碳/碳复合材料在拉-拉疲劳加载初期的剩余刚度显著提高,然后保持稳定,在接近疲劳寿命时突降;剩余强度经105循环后比初始强度提高了19.75%;在疲劳过程中的迟滞回线面积随着循环数的增加逐渐增大;高温剩余刚度模型对700℃下剩余刚度试验数据拟合度较高,且通过编织角动态变化模型求得的不同循环数下编织角模拟值与试验值的误差小于5%。

2.5维树脂基编织复合材料迟滞阻尼特性试验研究

采用迟滞回线法对用于航空航天领域的2.5维树脂基编织复合材料的材料阻尼特性进行试验研究,观察材料的迟滞阻尼特性与循环拉伸加卸载次数和加载应力水平的关系。研究发现:通过迟滞回线法获得的损耗因子与施加的循环拉伸加卸载频率相关,而与加卸载应力水平无关。

2.5维编织树脂基复合材料平板多尺度动力学模型修正

在2.5维编织树脂基复合材料多尺度固有振动分析的基础上,开展基于实测结构模态数据的复合材料平板动力学模型修正研究,以获取精准反映其动力学特性的模型。首先,建立复合材料平板固有频率对弹性参数的灵敏度分析方法,分析了平板固有振动特性的主要影响因素;其次,建立基于灵敏度分析的复合材料多尺度动力学模型修正方法,形成了基于MSC.NASTRAN平台的模型修正程序。最后,利用实测结构模态测试数据,实现对复合材料平板动力学模型的修正。结果表明,对关键弹性参数进行修正后,不同边界条件和纱线走向的复合材料平板试验件固有频率实测数据与仿真数据的最大误差由10.44%下降至2.39%,相关性得到了大幅改善。此外,所提出的自由模态测试方案结合动力学模型修正方法,为复合材料等效弹性参数的试验辨识提供了新的技术途径。

三维四向编织复合材料弹性模量数值预报

对三维四向编织复合材料的参数化建模技术进行了研究 ,提出了一种“米”字型枝状体胞的计算模型 ,较为真实地模拟了该材料的细观结构 ;在此基础上讨论了相应的边界条件和约束条件并应用有限元方法计算了该材料的纵向、横向弹性模量 .通过与实验结果的对比可见 。

2.5维机织结构复合材料的几何模型

基于经纱矩形截面及纬纱双凸透镜截面假设,分析了2.5维机织复合材料的细观几何结构,重点考虑了该结构表层经纱与内部经纱密度的不同及相同机织结构合成不同厚度和纤维束截面的情况,建立了2.5维机织复合材料的单胞几何模型。该几何模型可以计算各种2.5维机织结构单胞内各纱线系统的形态,包括取向角和纤维体积分数。通过对8种结构28个试件纤维体积分数的测定,与计算预测结果的对比表明本文中建立的几何模型较好地反映了2.5维机织复合材料的内部结构。此外,利用本模型计算分析了3种不同结构的纤维体积分数和取向角。结果表明:单胞内经纬纱交织的次数是决定纤维体积含量的一个关键因素;直联结构相比弯联结构,其经纱取向角明显降低。

2.5D编织复合材料细观结构及弹性性能

基于对2.5D编织复合材料细观结构的观察,提出了结构上更稳定的三维力学模型,反映了2.5D编织复合材料的结构。针对该模型,推导了纤维体积分数与几何参数之间的关系,并采用刚度平均法和有限元法预测了2.5D编织复合材料的等效力学性能,分析了弹性常数随纤维体积分数以及经密、纬密的变化规律。两种方法的预测结果均表明,倾斜角对弹性性能影响并不显著,但对材料内部的细观应力场有较大影响。理论预测与有限元结果吻合较好,从而验证了模型的有效性。

2.5维机织结构复合材料的弹性性能预测

基于经纱矩形截面及纬纱双凸透镜截面假设,重点考虑了该结构表层经纱与内部经纱密度的不同及相同机织结构合成不同厚度和纤维束截面的情况,建立了2.5维机织复合材料的弹性性能预测模型.同时,试验测定了6种结构62个试件的弹性模量.数值预测与试验结果对比表明:研究建立的弹性性能预测模型可以较好地反映2.5维机织复合材料的内部结构;在2.5维机织复合材料弹性模量预测中,表层与内部经纱的差异不可忽略.

二维编织C/SiC复合材料的热膨胀系数预测

根据二维编织C/SiC复合材料的细观结构及其制备工艺特点,提出了一种预测该材料面内热膨胀系数的单胞模型。模型充分考虑了编织结构复合材料中的纤维束弯曲和CVI工艺制备陶瓷基复合材料产生的孔洞对热膨胀系数的影响。利用单胞模型预测了二维编织C/SiC的结构参数、纤维体积含量、孔洞含量对复合材料热膨胀系数的影响规律,结果表明:随着纤维束扭结处产生间隙与纱线宽度比值的增大,热膨胀系数增大;当其它参数不变时,随着纤维体积含量的增大,热膨胀系数反而下降;随着孔洞含量的增加,热膨胀系数也出现了下降的趋势。利用DIL402C热膨胀仪测试了二维编织C/SiC复合材料纵向热膨胀系数,试验结果与模型预测结果吻合较好。

2.5维机织复合材料的几何结构模型与验证

为验证2.5维机织复合材料结构与其力学性能的关系,基于对材料断面显微照片的观察和分析,假定纤维束截面为跑道形,建立了2.5维机织复合材料的单元结构模型。借助模型推导出纱线在几种典型结构(浅交弯联、浅交直联、深角联)的单元体结构内的纱线长度、接结经的取向角和纤维体积分数,并对材料进行拉伸、压缩性能预测。制作了满足要求的2.5维机织复合材料试验件并对其进行力学性能测试,通过试验值和预测值的对比,验证几何模型的正确性。

二维编织SiC/SiC复合材料的剪切性能

通过单向以及循环加卸载面内剪切试验,结合试件失效分析,研究了二维编织SiC/SiC复合材料的面内剪切特性。将试件剪切响应分为弹性部分和非弹性部分,分别由卸载模量和残余应变表征,由此得到剪切应力-应变关系表达式。试验结果表明,卸载模量随应力以指数形式衰减,残余应变随应力以指数形式增大。预测剪切应力-应变曲线与试验曲线吻合很好。

二维平纹编织C/SiC复合材料的超高速碰撞实验

利用电炮加载聚酯薄膜飞片分别对二维平纹编织C/SiC复合材料(2D-C/SiC)和LY12硬铝材料在3.4～9.5km/s速度下进行碰撞实验。利用光纤位移干涉仪测定了靶材的自由面速度,并对高速撞击碎片颗粒进行了收集,采用超声波扫描系统无损检测等方法对2D-C/SiC材料在超高速冲击载荷作用下的力学响应进行了检测。结果表明,随着冲击能量的增大,2D-C/SiC材料板自由面速度逐渐升高,损伤局部且面积逐渐增大,碎片云团作用区域逐渐变大。与铝板相比,2D-C/SiC材料碎片云团整体能量较小、作用区域较大、能量面密度较低,是飞行器防护结构设计中一种比较理想的防护材料。

2.5维机织复合材料强度准则

2.5维机织复合材料已有较为广泛的应用,目前对该类复合材料强度理论的研究还相对较少。根据2.5维机织复合材料拉伸破坏的细观机理,基于单向复合材料的三维Hoffman准则,建立了2.5维机织结构复合材料拉伸破坏准则,通过对2.5维机织复合材料3种结构24个试件进行拉伸试验,与计算预测结果的对比表明了本文建立的强度准则的合理性。研究表明,纤维拉伸断裂是2.5维机织复合材料拉伸破坏的主要原因;相比基于最大应力准则、Hashin准则建立的强度准则,基于Hoffman准则建立的强度准则综合考虑了纤维在外载荷作用下各应力分量对纤维断裂破坏的影响,其预测结果与实际试验结果更为接近;在其他条件不变情况下,随纱线取向角增大,纱线拉伸断裂应力呈非线性降低。随纱线纤维体积含量增加,纱线拉伸断裂应力成线性增加。

2.5维机织复合材料的强度特性

针对浅交弯联和浅交直联两种2.5维机织结构,采用VARTM工艺制备了试验件并进行了强度性能测试,通过对其拉伸后的试样进行切片和断面的SEM观察,研究了拉伸过程中复合材料内部的破坏机理。实验结果表明:在相同纱线排列密度情况下,浅交直联结构的经、纬向拉伸强度明显高于浅交弯联结构;随着纱线层数的增加,两种结构的经向拉伸强度均增大,而纬向拉伸强度则有所波动;对于不同结构的2.5维机织复合材料在单一拉伸载荷作用下,表现出不同的损伤模式,且损伤的初始位置和扩展路径具有一定的分散性。

非正交二维平纹编织树脂基复合材料的弹性性能

二维编织布在铺设形状复杂的复合材料结构时,如果边缘受到拉剪,经纬纱之间的夹角会发生变化;在固化过程中,原本正交的经纬纱走向也可能发生偏转。经纬纱之间夹角的变化会增加材料的各向异性,进而影响结构的力学性能。本文通过试验研究了纤维束偏转对二维编织复合材料弹性性能的影响,分别进行了三种典型试验件面内拉伸弹性模量的测试。基于刚度体平均方法,提出了一种非正交二维编织树脂基复合材料的刚度预测模型,并在此基础上分析了纤维束偏转对材料有效性能的影响规律。计算结果与试验数据符合良好。

二维编织复合材料管件力学性能研究进展

综述了近年来国内外对二维编织复合材料管件力学性能的研究成果及研究进展,主要包括力学性能实验研究、结构几何模型和数值仿真研究。在实验研究中介绍了二维编织复合材料管件的能量吸收性能及弹性性能,同时重点介绍了编织角及编织结构的变化对复合材料各种性能的影响的最新研究进展;在结构几何模型研究中,以细观结构、宏-细观结构模型研究为主,详细介绍了当前流行的建模方法;在数值仿真研究方面,介绍了研究人员根据二维编织成型原理以及纤维在复合材料中的取向建立的实体模型仿真分析。最后,总结当下研究中存在的问题,并对未来研究趋势进行展望。