二维三轴编织复合材料的开孔静力学性能及失效行为

为考察典型二维三轴编织复合材料(2DTBC)在开孔条件下的静力学性能及失效机理,采用机器人辅助二维三轴编织及真空树脂灌注工艺成型制备了2DTBC试样,并分别考察了其在开孔拉伸(OHT)、开孔压缩(OHC)、单钉单剪(SBS)及单钉双剪(SBD)四种典型开孔静力测试下的力学响应及失效行为。结果表明:较传统层合板而言,2DTBC的开孔性能保持率显著提高,轴向及横向开孔拉伸强度保持率分别达到94.77%和96.88%,轴向及横向开孔压缩强度保持率分别达到93.25%和82.74%。OHT试样的失效模式表现为纤维束断裂、纤维束拉拔损伤、基体破坏和界面分层损伤。OHC试样的失效模式表现为纤维束屈曲失效、分层损伤和基体破坏。SBS及SBD试样的失效模式主要表现为螺钉连接处的分层、纤维束开裂及基体破坏,且试样在达到载荷峰值后没有立即失效,表现出了较好的能量吸收能力。

三向编织玻璃/环氧复合材料刚度性能

通过实验研究了三向编织玻璃/环氧复合材料的刚度性能,并考虑编织角和试件宽度参数的影响,探讨了拉伸和压缩刚度性能的差异。实验结果表明:在同一纤维体积分数条件下,随着编织角的增大,试件的纵向弹性模量有所减小,泊松比(在编织角约大于35°时)也有所减小;宽度为两倍和三倍单胞宽度的试件的刚度性能基本相同;试件的纵向弹性模量和泊松比远大于横向弹性模量和泊松比;拉伸和压缩时试件的弹性模量和泊松比基本接近;在横向拉伸和压缩时试件的应力-应变曲线具有明显的非线性特征。实验结果为编织复合材料结构设计提供了数据参考。

三向编织复合材料拉伸强度研究

在细、宏观结合的基础上研究了三向编织复合材料的拉伸强度。首先,对实际编织结构进行恰当的几何简化;其次,建立材料的细观力学理论分析模型;最终,借助于商用有限元分析软件成功实现了编织复合材料的拉伸强度仿真分析。计算结果得到了试验的验证。在此基础上,研究了编织几何参数(编织角和轴向纤维束与编织向纤维束大小之比)对于编织复合材料拉伸强度性能的影响。分析方法对研究编织复合材料结构力学具有重要的参考价值。

二维三轴编织复合材料强度及渐进损伤数值预测

针对二维三轴编织复合材料纤维束路径周期波动问题,给出空间周期三次样条的求解方法,基于周期三次样条曲线段,求解任意一点处单元材料主方向。建立非对称的透镜形纤维束横截面,并考虑纤维束横截面随纤维路径产生的扭曲。基于区域叠合思想,利用直接网格建模而后切割的参数化单胞网格建立方案生成二维三轴编织复合材料更为精细的参数化单胞模型。基于Murakami损伤理论建立正交各向异性损伤本构模型,利用等价位移控制实体单元相应模式下损伤的演变发展,在单胞模型中引入界面单元,考虑界面相损伤对材料损伤演变过程的影响,预测45°编织角二维三轴编织复合材料在轴向和横向拉伸载荷作用下的强度以及细观损伤起始、扩展和最终失效过程。数值预测结果与试验结果吻合较好。

二维三轴编织复合材料预压单胞模型建立及其弹性规律数值预测

针对二维三轴编织复合材料预压参数化单胞模型建立困难的问题,结合变形后的预制件模型单元离散数据,采用体素法生成了参数化的单胞模型,同时利用周期三次样条曲线构造了纤维束路径,建立了纤维束任意一点处的材料方向计算方法,以及可以描述非对称透镜形平面曲线的参数方程,然后通过单元切割程序,获得了挤压变形的编织预制件网格模型。结合变形后的预制件单元离散数据,利用体素法生成了在界面上和单胞边界面上均位移连续的参数化单胞模型,分析了不同网格尺寸下有限元模型的收敛性,并验证了模型的计算精度。实验结果表明可利用该模型对实际预压条件下二维三轴编织复合材料的弹性规律进行预测。

编织复合材料弹体和靶板偏航撞击响应分析

为研究复合材料机匣在复合材料弹体撞击过程中弹体的破坏模式与机匣吸能特性,在ANSYS/LS-DYNA软件中基于连续损伤力学模型开展了一系列的复合材料弹体偏航撞击仿真。仿真结果表明:对于偏航撞击,随着偏航角度的增加,弹体剩余动能逐渐减小,靶板吸收的能量逐渐增大,主要是因为偏航角度越大,弹体与靶板接触面积逐渐增大。同时通过仿真得到钛合金弹体冲击复合材料靶板的计算结果,发现钛合金弹体临界穿透速度比复合材料弹体小,更易击穿靶板,因此复合材料叶片的使用不仅可以减轻叶片的质量,也有助于改善机匣包容性。

二维三轴编织铺层复合材料开孔前后弯曲性能

采用普通机械方式对不同层数二维三轴编织铺层复合材料进行开孔,并对开孔前后材料的弯曲性能进行研究.结果表明：当孔直径与试样的宽度比为1∶3.88时,铺层数为一、二、三的编织复合材料开孔后最大弯曲载荷和弯曲强度较开孔前分别下降了1/3左右;弯曲弹性模量分别下降了1/2左右.开孔前后试样的最大弯曲载荷和弯曲弹性模量都随着铺层数的增加而增加,但当铺层数达到一定层数后,对弯曲性能的改变量减小.材料弯曲破坏试验中表现的主要破坏模式为压缩破坏.开孔对周围的影响主要为距孔边缘1-2mm范围.

二维三轴向编织混杂层合复合材料的冲击性能

为探讨混杂结构与破坏机制关系,本文研究了在铺层数目相同时,4组二维三轴向编织碳纤维/玻璃纤维混杂层合复合材料受到低速冲击后的冲击性能。实验结果表明:编织混杂层合复合材料受冲击后表面产生的裂纹均比纯碳纤维或纯玻璃纤维编织层合复合材料多,且正面裂纹纵向扩展范围较大,背面裂纹横向扩展范围较大;碳纤维+玻璃纤维+碳纤维编织层合复合材料单位厚度吸收的能量比纯碳纤维编织层合复合材料提高7.61%;玻璃纤维+碳纤维+玻璃纤维编织层合复合材料单位厚度吸收的能量比纯玻璃纤维编织片层合复合材料提高2.21%;混杂层合复合材料受冲击后在厚度方向产生的损伤扩展较少;层合复合材料在低速冲击作用下不易分层,通过合适的铺层方式及纤维组合能够实现正的混杂效应,并能有效改善材料的抗冲击性能。

混杂编织层合复合材料低速冲击性能研究

主要研究三组二维三轴混杂编织层合复合材料在铺层数目相同时,不同混杂编织方式对低速冲击性能的影响,为其在航空航天等领域的应用研究提供一定的设计依据和理论基础。由低速冲击以及三点弯曲实验的对比和分析研究表明,编织纱是玻纤、轴纱是碳纤的二维三轴编织片层合制得的复合材料,冲击后其表面产生裂纹较少、单位厚度吸收能量较低、在厚度方向产生损伤范围较小,冲击后弯曲损伤较小,抗冲击性能较好;通过合适的碳纤/玻纤混杂编织方式可实现正的混杂效应,进而增强其层合复合材料的抗冲击性能。

三向编织复合材料弹性性能研究

基于均匀应变假设和界面连续性条件,并考虑到编织向纤维束波动周期在特定区域沿着自身横向的渐变,建立了一种分析三向编织复合材料弹性性能的理论预测方法。对比理论分析和实验研究结果,验证了理论预测方法的正确性。参数研究表明:在同一纤维体积分数条件下,随着编织角的增大,纵向弹性模量逐渐减小而横向弹性模量逐渐增大,面内剪切弹性模量和泊松比先增大后减小(分别在约50°和35°时达到最大值);随着轴向纤维束与编织向纤维束大小之比的增大,纵向弹性模量逐渐增大,而横向弹性模量、面内剪切弹性模量和泊松比逐渐减小。

二维三轴编织复合材料的弹性性能分析

提出了二维三轴编织复合材料的几何模型,模型考虑了纤维束的弯曲扭转状态及空间交错特性等几何元素.基于体积平均法,建立了预测二维三轴编织复合材料弹性性能的理论分析模型;通过引入更普遍适用的周期性位移边界条件,结合二维三轴编织复合材料的细观实体结构,建立了分析其力学性能的有限元模型.两种模型预测结果均与试验结果吻合,证明了方法的合理有效性.分析了材料受载下的细观应力分布,并讨论了编织参数对材料性能的影响.研究表明,二维三轴编织复合材料轴向性能得到了增强,应力分布更均匀,编织角以及纤维体积含量对材料弹性性能影响较大.

二维三轴编织复合材料压缩失效行为的细观有限元模拟

为研究典型二维三轴编织复合材料(2DTBC)的压缩破坏机理,建立了细观有限元模拟方法体系。提出了反映编织复合材料真实几何特性的单胞模型建模策略,根据Murakami-Ohno损伤理论建立了各向异性损伤模型来模拟纤维束中的损伤起始和扩展行为,通过引入波动系数描述了纤维束的起伏状态,并采用内聚力单元来模拟界面分层。在此基础上,分析得到了二维三轴编织复合材料在压缩载荷下的破坏过程,研究了压缩载荷下纤维束和界面层的损伤演化,探讨了纤维束波动对压缩性能的影响规律。通过与相关试验结果对比,该模型能够准确预测二维三轴编织复合材料在面内压缩载荷下的力学响应和主要失效行为,以及自由边效应。细观失效过程分析结果表明,二维三轴编织复合材料轴向压缩的破坏是由轴向纤维束的纤维压缩失效主导的;横向压缩破坏则是由偏轴纤维束的纤维压缩失效引起的。