2.5D结构复合材料实体模型的参数化建模

用有限元计算软件分析2.5D结构复合材料的性能必须首先建立其实体模型,然而2.5D结构复合材料的实体模型十分复杂,增强体结构参数的变化导致模型变化,而有限元软件自身的建模能力不强,致使该软件的应用受到限制.采用参数、关系式和编程设计等方法,用Pro/Engineer软件绘制了能随着增强体结构参数变化而改变的增强体几何模型,通过数据接口将其导入ANSYS,再经过对几何模型的实体化和布尔操作,得到实体模型.参数化建模过程表明,该方法简单、实用.

层与层间浅交联2.5D结构对其复合材料经向拉伸强度的影响

本文通过对层与层间浅交联 2 5D结构的研究 。

面向2.5D结构织物的连续氧化铝纤维可织性评价方法

为了开发氧化铝纤维增强陶瓷基复合材料,提出连续氧化铝纤维用于2.5D结构织物时的可织性评价方法。通过模仿2.5D结构织物编织时的纤维受力状态,对纤维束织造过程损伤进行试验模拟,优选出合适的摩擦试验参数,并设计专用弯折工装对纤维束的耐磨、耐弯等性能进行评价。研究结果表明:通过评价纤维的摩擦损伤程度和弯折损伤程度,可以评价纤维用于2.5D结构织物的可织性;通过纤维/纤维摩擦实验进行可织性评价时,优选的参数为加载力0.35 N、张力0.3 N、摩擦频率3 Hz、摩擦时间80 s;同样参数下弯折,纤维断裂强力保持率越高,纤维的可织性越好;针对不同参数的编织结构而言,纤维的可织性是不同的。

2.5D结构筒状立体机织物细观分析及建模

文章为了探究2.5D结构筒状立体机织物的细观几何关系,通过显微观察和结构分析,提出纬纱截面为双凸透镜截面、经纱截面为扇形截面的假设,并建立了2.5D结构筒状立体机织物实体模型和2.5D结构细观几何结构模型,推导了细观几何表达式和细观微元中纤维体积分数计算公式。结果表明2.5D结构被用于筒状织物时,细观几何结构会发生一些改变。

碳化硅纤维2.5D增强预制体的研究

碳化硅纤维增强碳化硅基体(SiC/SiC)复合材料其优异特性是航空发动机热端高温部件的理想材料。作为SiC/SiC复合材料的增强相,SiC纤维预制体的设计与织造决定构件可靠性和承载效率的关键环节。2.5D结构由于可设计性强,成本低,成型简单,产业化可实现等特点而广泛应用于预制体织造。本文介绍了碳化硅纤维可织性研究,归纳了2.5D角联锁的几种结构方法,阐述了2.5D角联锁织造关键技术等问题,最后提出了在该领域应解决的问题和主攻方向。

2.5D衍生结构SiO_(2f)/SiO_2复合材料的经向力学性能

以几种不同的2.5D衍生结构织物为增强体,制备了法向增强、经向增强及经法向增强2.5D Si O2f/Si O2复合材料,比较了上述材料与现有2.5D Si O2f/Si O2复合材料的经向力学性能,并研究了经法向增强2.5D结构复合材料中增强纱比例、纤维体积分数与材料性能之间的关系,对织物结构进行了优化。结果表明,经法向增强2.5D Si O2f/Si O2复合材料的经向力学性能较现有2.5D复合材料有显著提高,该材料在较低密度下(1.6 g/cm3),经向拉伸强度与现有材料(1.65 g/cm3)持平,且经向压缩强度接近现有材料的4.3倍。

2.5D封装结构回流焊过程热应力分析

对一种典型2.5D封装结构在回流焊工艺过程的热应力进行仿真。通过对比分析传统热力学仿真方法与基于生死单元技术的热力学仿真方法,研究了计算方法对热应力计算结果的影响。在相同参考温度下,由不同计算方法得到的硅通孔(TSV)转接板应力结果相差不大,从焊球应力结果可推测出,基于生死单元技术的热力学仿真方法考虑了残余应力的累积模拟更适合于回流焊过程的热应力仿真。研究了2.5D封装回流焊过程中参考温度的选择对计算结果的影响,选用最高参考温度作为各个组件的参考温度,通常得到TSV转接板的应力值偏大,模拟的结果会更加偏于激进。通过对2.5D封装结构回流焊过程进行热应力分析,对比分析了计算模拟方法和参考温度的选择对最终计算结果的影响。该方法同样可用于指导其他同类2.5D封装结构应力的计算和分析。

碳纤维织物结构对摩擦材料温度分布的影响

为研究碳纤维织物增强树脂基摩擦材料在摩擦过程中的温度分布规律,以评价此类材料的耐热性能。采用有限元分析与单胞模型相结合的方法,分别建立浅交弯联、浅交直联和深交联3种结构的碳纤维织物增强树脂基摩擦材料有限元模型,模拟特定工况下的摩擦副热传导过程,分析织物结构和编织密度对温度分布的影响规律。结果表明:在摩擦副接合过程中,摩擦温度先升高后降低,摩擦结束时刻的最高温度出现在对偶片中心对称面处;相同编织密度时,浅交弯联织物结构导热性能最优,其摩擦温度峰值最低(仅为168.5℃,其他两种结构摩擦材料的摩擦峰值温度分别为178.0℃和172.1℃);随纬纱编织密度的增加,浅交弯联碳纤维织物增强树脂基摩擦材料中碳纤维体积分数增大,导热性能变优,摩擦峰值温度降低。

2.5D机织SiC_(f)/SiC复合材料制备与吸波性能

为满足高温吸波结构复合材料要求,选用SiC纤维(SiC_(f)),设计并制备了2.5D机织SiC_(f)/SiC复合材料,采用实验与仿真相结合的方法研究了吸波性能。利用弓形法开展了反射损耗测试,采用X射线计算机断层扫描(Micro-CT)技术提取材料几何结构参数,建立了全厚度细观模型,在CST电磁仿真软件上模拟计算了材料的反射损耗,并与实验结果进行对比分析。通过等效电磁参数理论和场分布图分析了吸波机制,并研究了几何结构参数、电磁参数、电磁波电场极化方向和入射角度对材料吸波特性的影响规律。实验结果表明:在1~18 GHz频率范围内,本文所制备的2.5D机织SiC_(f)/SiC复合材料具有3 GHz的有效吸波带宽,在吸收峰9.3 GHz处,最大反射损耗达到-17 dB,这与仿真结果基本一致。该复合材料主要通过电损耗的方式吸收电磁波,其良好的吸波性能是结构设计和材料特性协同作用的结果,材料整体厚度和纤维介电常数是影响2.5D机织SiC_(f)/SiC复合材料吸波性能的关键因素。

编织复合材料在高温热结构中的应用

通过对使用2.5D编织工艺生产的复合材料发动机支撑结构的高温热传导分析,得到了薄壁回转体构件承受高温作用后的传导特性;通过地面富氧状态下的考核试验,验证了该结构能够满足壁面950℃高温长时间使用要求;有限元分析与考核试验结果一致,验证了有限元计算的正确性和地面试验各项热流补偿参数的合理性,对此类产品在工程应用中的分析与预示具有很强的指导意义。

2.5D石英纤维增强硼酚醛树脂可陶瓷化复合材料的制备与烧蚀性能

通过预浸料模压工艺制备了2.5D石英纤维增强硼酚醛树脂可陶瓷化复合材料,采用TG测试、马弗炉静态烧蚀测试、力学测试、氧-乙炔试验、场发射扫描电镜等方法对2.5D纤维增强硼酚醛树脂可陶瓷化复合材料的热稳定性、力学性能、耐烧蚀性能进行分析测试,并与2D纤维增强硼酚醛树脂可陶瓷化复合材料进行对比。结果表明,陶瓷填料对复合材料的热性能有显著改善,失重第一阶段温度和残碳率明显增加;马弗炉热解后2D结构样品缺陷多,层间出现破坏,弯曲强度为14~20 MPa, 2.5D结构样品热解后保持了良好的整体结构,弯曲强度为16~24 MPa;通过氧乙炔烧蚀试验, 2.5D结构样品烧蚀30 s质量烧蚀率为0.0413 g/s,线烧蚀率为0.032 mm/s,烧蚀60 s质量烧蚀率为0.0218 g/s,线烧蚀率为0.023 mm/s,测试结果均优于与之对比的2D结构样品,通过SEM和EDS分析, 2.5D结构样品优异的抗热应力分层性能和纤维表面结构对复相陶瓷的稳定性是其低烧蚀率的主要原因。

静强度/耐久性初步结构优化设计方法

由于有限元模型精度的限制,在以往初步结构设计中难于开展耐久性分析,这样会在结构设计中埋下疲劳寿命不足的问题,增加结构细节设计的难度,甚至引发结构超重问题。针对这一问题,在飞机结构的变精度模型技术和细节疲劳额定值方法的基础上,提出了静强度与耐久性综合约束下的初步结构设计方法,将耐久性设计分析工作从详细结构设计后期提前到初步结构设计阶段,并以某一折叠机翼为研究对象,在其结构选型与布置中就对关键结构(内外翼连接耳片)中的应力进行控制,通过多工况优化设计保证了连接耳片的疲劳裕度大于零,这样可以有效地减少详细结构设计中由于疲劳寿命不足而引起的多次迭代设计,并有助于获得更轻量化的结构设计。