碳-玻纤维混杂正交三向复合材料力学性能研究

为了使混杂纤维三维机织复合材料在航空航天领域能得到更好的发展,对碳-玻混杂正交三向复合材料X向力学性能进行了数值模拟与实验研究。通过了解增强织物各项结构参数并在多种理论假设的基础上确定了材料细观结构。选取具有对称性的单胞结构,建立了有限元模型并对其进行了X向拉压工况的数值模拟,采用渐进损伤的方法预测了材料X向力学性能。使用树脂传递模塑工艺制作成型碳-玻混杂正交三向复合材料实验件,对其进行X向力学性能测试。将实验数据与理论值对比分析,验证了数值模拟方法的准确性。通过与纯玻纤正交三向复合材料力学性能的对比,讨论了碳-玻混杂材料的优势与缺陷。研究结果对该材料的实际应用提供了重要的参考依据。

三维正交机织玄武岩/芳纶混编复合材料的拉伸和剪切性能研究

本文设计和制作了两种混杂模式的三维正交机织玄武岩/芳纶混编复合材料,分别是层间混杂和层内混杂模式。对其拉伸性能和剪切性能进行了测试和分析,结果表明,层内混杂复合材料的拉伸性能和剪切性能比层间混杂复合材料的好,层内混杂复合材料的归一化强度和归一化模量分别比层间混杂复合材料的高22.12%和16.9%,层内混杂复合材料的剪切强度和剪切模量分别比层间混杂复合材料的高19.61%和26.03%;对于层间混杂复合材料,纬向的归一化强度比经向的高4.06%,但厚度方向上纱线的存在和织造工艺中经纱预加张力的影响,使纬向的归一化模量比经向的降低11.44%。

三维正交机织复合材料弹道侵彻有限元模拟

测试复合材料弹道侵彻性质,得到复合材料弹道侵彻过程中子弹的入射速度和剩余速度及冲击破坏形态。基于复合材料的真实细观结构,建立细观结构模型,运用商用有限元软件ABAQUS/Explicit计算复合材料弹道侵彻破坏过程。研究发现三维正交复合材料不同破坏机制:三维正交机织复合材料不产生冲击分层,纤维断裂和基体开裂是主要吸能模式,复合材料冲击破坏是最主要的破坏模式。

不同结构纺织复合材料准静态侵彻实验分析及有限元模拟

本文研究了两种不同结构三维结构纺织复合材料——三维正交机织玻璃纤维/不饱和树脂复合材料和双轴向纬编针织玻璃纤维/不饱和树脂复合材料在MTS材料试验机上的准静态侵彻测试。以纯铝MTS实验数据为标定,分析了准静态侵彻载荷—位移曲线及其破坏机理,比较了不同结构纺织复合材料以及纯铝的位移—载荷曲线,由此计算得到位移与吸能关系曲线。同时根据复合材料各自织物中纤维束排列及织物成型特点,分别建立了复合材料的细观结构模型和单胞模型。编写用户子程序(VUMAT),用ABAQUS软件进行了有限元模拟。结果表明:三维纺织复合材料各自损伤结果和载荷—位移曲线与实验结果吻合较好,证明有限元的有效性。三维正交结构复合材料抗侵彻能力优于双轴向纬编针织复合材料,但是破坏过程中其抗侵彻能力幅值变化差异大,没有针织复合材料抗侵彻能力稳定。

三维正交机织铜丝/玻璃纤维层间混杂复合材料的拉伸和弯曲性能研究

本文设计和制作了两种层间混杂结构的三维正交机织铜丝/玻璃纤维复合材料,分别为铜丝单面混杂和双面混杂复合材料。两种复合材料的拉伸性能和弯曲性能测试结果表明,单面铜丝/玻璃纤维混杂复合材料的归一化拉伸强度和模量分别为1 214 MPa和83 GPa;高于双面铜丝/玻纤混杂复合材料44%和51%。单面铜丝/玻璃纤维混杂复合材料的归一化弯曲强度为964 MPa,高于双面铜丝/玻纤复合材料27%。两者的弯曲模量比较接近,均为60 GPa左右。由于铜丝的混杂效应,三维正交机织铜丝/玻璃纤维层间混杂复合材料的拉伸和弯曲性能与相同结构的玻璃纤维复合材料相比有一定的下降。

三维整体织物结构的复合材料设计及弯曲性能探讨

复合材料的性能与其增强结构有关.探讨了正交结构的机织三维整体织物的设计和成型工艺.对两种正交组织的机织多层整体结构的复合材料弯曲性能试验结果表明,纤维含量高,纱线屈曲程度小,材料对疲劳载荷越不敏感.

正交三向石英/环氧复合材料的热传导性

为了探究织造过程中纱线合股数、纤维体积含量以及经纬密等工艺参数对正交三向机织复合材料导热性能的影响,文章以石英纤维和环氧树脂为原料,制备正交三向机织复合材料,采用瞬态热源法对其进行导热系数的测试。结果表明,在不同的工艺参数下,纤维体积含量对复合材料导热性能的影响最为显著;在纱线合股数和经纬密不变的情况下,纤维体积含量在45%～60%范围内,经纱方向上导热系数提高24.28%,纬纱方向上增大22.71%,法向纱方向上提升17.03%;不同的工艺参数对复合材料导热性能产生影响时,均在经纱、纬纱和法向纱3个方向上呈现出各向异性,且3个方向的导热系数皆与对应方向上的纤维体积含量相关。

不同结构厚截面三维机织碳纤维复合材料的弯曲性能对比

为准确分析不同结构厚截面复合材料不同方向上的弯曲性能差异,通过设计织造三向正交、浅交直联、浅交弯联3种典型机织结构的厚截面碳纤维三维机织物,并采用真空辅助树脂成型工艺制备了近似纤维体积含量的碳纤维复合材料板,对其进行了XYZ方向的弯曲实验。结果表明:三向正交结构由于内部纤维束近似平直,碳纤维束自身性能得到最大利用,对应复合材料经向弯曲强度最好;浅交直联结构复合材料的Z经和Z纬弯曲强度累加值最大,其厚度截面上的综合弯曲性能最好,且其他各方向的弯曲强度较为均衡;浅交弯联结构内部纱线交织摩擦损伤严重,且经纱屈曲程度最大,对应复合材料经纬向弯曲性能均为最差。

三维正交机织复合材料翼子板多尺度可靠性优化设计

三维正交机织复合材料具有优异的力学性能和抗分层能力,在汽车轻量化应用方面前景广阔.以三维正交机织复合材料汽车翼子板为研究对象,基于多尺度仿真预测方法,建立复合材料弹性性能解析预测模型和翼子板宏观有限元模型.同时针对材料和结构设计变量的不确定性,结合蒙特卡洛可靠性分析方法、Kriging代理模型和粒子群优化算法,实现复合材料翼子板多尺度可靠性优化设计.结果表明:优化后的翼子板在满足结构刚度和可靠性要求的同时,达到了21.93%的轻量化效果.

三维正交机织复合材料准静态侵彻实验和有限元模拟

用钢制侵彻体对三维正交机织复合材料在MTS材料试验机上作准静态侵彻测试,得到的准静态侵彻位移-载荷曲线用来研究材料的能量吸收和破坏模式。根据三维机织复合材料的细观结构建立单胞模型,结合应力更新原理编写用户子程序(VUMAT)。利用ABAQUS有限元软件及用户子程序模拟实验过程,得到的位移-载荷曲线与实验对比,可以看出有限元计算得到的结果与真实实验比较吻合,表明单胞的建立和用户子程序的编写是正确的。

基于均匀化方法的三维正交机织复合材料弹性性能预测

根据三维正交机织复合材料中纤维束的空间几何特征,提出了改进的单胞模型,此模型包含经纬纱正交单胞、接结经单胞与接触单胞3种结构。考虑到各个单胞中的纤维束空间结构与变形特点,对纤维束截面尤其是对挤压处的纤维束进行了合理等效,以达到模型通用和简化计算目的。基于均匀化方法分别求得各单胞弹性常数,进一步运用刚度平均化方法获得三维机织复合材料的工程弹性常数。数值结果与实验结果对比表明新建模型的预测精度较好,且相同纤维体积含量情况下,横向弹性模量随机织角的逐渐增大而增大但纵向弹性模量减小。

基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模

为了反映织物内部纱线的空间构型和微观几何结构,针对在织物建模过程中,因忽略纤维间的相互作用而引起的纱线截面形状变化的问题,基于数字单元法理论,提出了一种计算纤维间摩擦力的方法。通过纱线纤维化离散,用数值模拟和仿真方法模拟三维正交织物成型过程,建立了5种精度递进的微观几何结构数值模型。5种模型中的每根纱线分别由4、7、12、19和37根数字纤维表征。研究结果表明:随着纱线纤维化离散程度的提高,仿真时间延长,织物厚度减小,纤维体积分数增大,节点平均作用力下降速度变缓,势能变小;当每根纱线由19根数字纤维组成时,所建织物的微观几何结构数值模型与真实织物样本在显微镜下的内部切片图像较为吻合。

三向正交机织碳/玻璃纤维混杂复合材料的模态分析

通过有限元法预测三向正交机织碳/玻璃纤维混杂复合材料的模态性能。为对比三向正交机织碳/玻璃纤维混杂复合材料的模态性能,制备了其他三种总体纤维体积含量相同但结构和纤维组分不同的复合材料(层合碳/玻璃纤维混杂复合材料、三向正交碳纤维复合材料、三向正交玻璃纤维复合材料)。首先建立了四种复合材料的单胞模型,基于均质化理论方法计算每种单胞模型模量;随后采用有限元软件建模输入单胞模型模量参数求得四种复合材料的固有频率;最后将有限元模拟得到的固有频率与试验固有频率进行比较,验证了有限元模型的有效性。研究发现,用数值试验方法来研究复杂纺织复合材料的模态行为是可行的。

三维机织玄武岩纤维热塑性复合材料的制备及其力学性能

为探究三维机织玄武岩纤维热塑性复合材料的结构对力学性能的影响,通过合理设计,以玄武岩长丝纱为经纱、聚酰胺长丝纱包缠玄武岩长丝纱为纬纱,在普通小样织机上织造正交结构、分层结构和贯穿角联锁结构的三维机织物;再采用热压成型工艺分别制备三种三维机织玄武岩纤维热塑性复合材料;然后对三维机织玄武岩纤维热塑性复合材料的拉伸、压缩、耐冲击性能进行测试和分析。结果表明正交结构的三维机织玄武岩纤维热塑性复合材料的拉伸性能最好;贯穿角联锁结构的三维机织玄武岩纤维热塑性复合材料的压缩性能最好;三维机织玄武岩纤维热塑性复合材料纬向承受的冲击强度高于经向,且分层结构的三维机织玄武岩纤维热塑性复合材料的耐冲击性能最好。