复合材料层合板端部压溃试验研究EI北大核心CSCD

通过对T800复合材料层合板进行一系列的端部压溃试验,重点研究了长度、厚度、铺层顺序、触发角以及胶结压力等因素对复合材料层合板破坏模式和力学性能的影响。分析复合材料板在端部压溃过程中的载荷-位移曲线和观察试验样件端部破坏形貌,揭示其破坏机理。结果表明:复合材料平板的端部压溃过程为非稳态脆性断裂模式,而含45°触发角的复合材料层合板的端部压溃过程为层束弯曲破坏模式;在端部压溃试验中复合材料平板压缩强度随着厚度的增加逐渐上升,而长度的增加会减少其压缩强度,同时[45°/0°/-45°/0°]_(3s)铺层比[45°/90°/-45°/0°]_(3s)铺层拥有更好的抗轴向承载能力;触发角的加入会改变试件在压溃过程中的破坏模式并极大降低试件压溃时的压缩强度,是影响复合材料结构吸能能力的关键因素;研究还发现不同胶结压力下,复合材料层板的力学性能随着胶结压力的增加逐渐提高,但达到一定胶结压力值后,继续增加胶结压力力学性能反而下降。     

表面带金属层的复合材料层合板低速冲击数值模拟

使用Abaqus/Explicit建立表面带金属层的复合材料层合板和复合材料裸板低速冲击有限元模型,与已有文献对比验证结果的可靠性,研究结果对复合抗弹结构有很好的借鉴和参考价值.采用Johnson-Cook本构关系模拟铝合金和钛合金层的力学行为,选用Hashin准则对复合材料层内损伤进行失效判断,用二次应力准则来模拟粘结层Cohesive单元的层间失效.结果表明,相同铺层与冲击能量下,表面带铝合金层合板对内部纤维的保护性能优于表面带钛合金层合板,表面带钛合金层合板的抗冲击性能优于复合材料裸板;[§/0°/90°/0°/90°/0°]s铺层层合板的抗冲击性能优于[§/-45°/90°/0°/45°/-45°]s铺层层合板的抗冲击性能;在子弹刚冲破层合板与子弹完全离开层合板阶段,表面带铝合金层合板对子弹动能吸收率最大.     

阶梯型对接层合板复合材料力学性能的试验研究

为了确定采用2D机织物叠层方式制备复杂曲面结构复合材料制件过程中的增强织物对接缝间隔长度与其拉伸、弯曲性能的关系,基于对称铺层顺序[0°/0°/+45°/90°/-45°/90°]S,制备了连续铺层和对接间隔长度分别为4,8,12mm的四种环氧树脂基玻璃纤维2D机织物叠层结构RTM复合材料层合板试件,测定了2D玻璃纤维机织物层合板复合材料的拉伸和弯曲强度。试验结果表明,连续铺层的抗拉强度大约为357MPa,与对接铺层相比,其强度要高出35%左右,当对接间隔长度大于8mm时,拉伸应力不再随对接间隔长度的增加而变大,其拉伸强度基本保持在220MPa左右。另外,对接铺层的试验试件基本都在接口处断裂,这是由对接缝处应力集中造成的。由此实验结果可为复杂曲面结构复合材料提供一定的数据参考,使材料性能达到最优设计。     

聚酰亚胺树脂基MT300/KH420复合材料高温力学性能(Ⅱ)——弯曲性能

从宏、微观的角度研究了碳纤维增强聚酰亚胺树脂基MT300/KH420复合材料的高温力学性能,重点揭示了MT300/KH420复合材料[0°]14和[±45°/0°/90°/+45°/0°2]s层合板在常温~500℃的弯曲性能变化规律。研究表明:MT300/KH420复合材料高温力学性能优异,[0°]14层合板在420℃的弯曲强度保持在51%以上,弯曲模量在500℃以内变化很小。[0°]14层合板在常温下断口粗糙,且贯穿厚度,表现为脆性破坏;随温度升高,树脂流动性增强,呈现出黏弹效应,破坏逐渐集中在加载点处,在500℃,部分树脂热解,纤维束脱离基体并氧化。[±45°/0°/90°/+45°/0°2]s层合板高温弯曲性能较为稳定,主要破坏为上、下表面沿45°方向开裂,并伴有层间分离,在500℃出现严重分层破坏;相比于受基体控制的层合板弯曲性能,温度对受纤维控制的层合板弯曲性能影响较小。     

不同粒子改性环氧树脂基碳纤维复合材料低速冲击及冲击后压缩性能

使用单层纳米氧化石墨烯(GO)、纳米SiO2、陶瓷粉对环氧树脂进行改性处理,采用真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺分别制备了[±45/0/90]S、[908]T、[08]T三种铺层角度下的碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板.通过落锤冲击实验、超声C扫描检测、冲击后压缩实验等对不同粒子改性CFRP进行实验研究.结果表明:纳米粒子改性可以显著提升CFRP的抗冲击性能及冲击后压缩性能,与其他铺层角度相比,[±45/0/90]S铺层CFRP有效抑制了冲击裂纹的扩展,且单层纳米GO改性下的[±45/0/90]S铺层层合板最大冲击载荷及冲击后压缩强度分别达到3470 N、124.8 MPa,冲击损伤面积仅有580 mm2.与无粒子改性同种铺层层合板相比,最大冲击载荷及冲击后压缩强度相应提高了30％、47.3％,冲击损伤面积减小了15.5％.     

碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料MT300/KH420高温力学性能(Ⅰ)——拉伸和层间剪切性能

研究了碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料MT300/KH420的高温力学性能,重点揭示了MT300/KH420的[0°]_7、[0°]_(14)和[±45°/0°/90°/+45°/0°_2]_s层合板在常温~500℃的拉伸和层间剪切性能的变化规律。结果表明:在350℃以内,[0°]_7层合板拉伸强度随温度升高有所提高,拉伸模量几乎不变,在420℃时拉伸强度和模量均出现明显下降,在500℃时分别保持在65%和83%以上,表现出优异的高温拉伸性能。MT300/KH420的[0°]_(14)层合板层间剪切强度在常温~420℃随温度升高不断降低至52.8%,在高温下呈现出黏弹效应,且在420℃时最为明显。相比于单向层合板,[±45°/0°/90°/+45°/0°_2]_s多向层合板高温力学性能较为稳定,且由纤维控制的纵向试件力学性能受温度影响较小。     

CFRP防撞梁低速碰撞渐进损伤及优化

为预测和控制低速碰撞中碳纤维增强树脂复合材料（CFRP）防撞梁损伤程度,建立了含CFRP防撞梁的有限元显式动力学碰撞模型,防撞梁层内采用实体复合材料模拟其力学特性,采用Cohesive单元模拟CFRP层间相互作用。发展了基于Tsai-Wu张量理论的VUSDFLD子程序用于判定碰撞过程中复合材料单元6个方向损伤,失效单元按照突降退化模型进行刚度折减,利用Johnson-Cook本构模型模拟铝合金强化层碰撞损伤,其失效单元采用线性连续退化模型进行刚度折减。通过[±45°/45°/0°/0°/90°/-45°/0°/0°/90°]_s和[±45°/45°/0°/0°/0°/-45°/90°/-45°/0°/0°/90°]_s两种CFRP防撞梁铺层结构碰撞结果与含铝合金强化层CFRP防撞梁碰撞结果对比可知,在层内单元数相同的情况下,CFRP防撞梁增设4层复合材料铺层后,失效单元数量降低明显;碰撞过程中含铝合金强化层的多材料混合防撞梁结构在质量基本不变的情况下,失效单元数显著降低。结果表明,所开发的VUSDFLD子程序能够用于复合材料防撞梁的显式动力学碰撞...     

低速冲击下复合材料层板压缩许用值

为评估航空结构中常用的T300级和T800级2种碳纤维/环氧树脂复合材料层压板的冲击后压缩许用值,对2种材料体系下具有不同厚度及铺层的层板进行了低速冲击和冲击后压缩试验;讨论了冲击能量、凹坑深度、损伤面积及冲击后剩余压缩强度等之间的关系,以及厚度、铺层、表面防护等因素对其造成的影响;重点关注了2种材料体系下各组层板的目视勉强可见冲击损伤(BVID)形成条件以及含BVID层板的剩余强度.结果表明:厚度及铺层对层板的凹坑深度-冲击能量关系影响较大,而对冲击后压缩强度-凹坑深度及冲击后压缩破坏应变-凹坑深度关系影响较小,且在相同铺层比例下,BVID对应的冲击能量随厚度近似呈线性增长.X850层板的损伤阻抗性能明显优于CCF300/5228层板的,但二者损伤容限性能相当.加铜网、涂漆等表面处理显著提高了层板的损伤阻抗,但对损伤容限性能影响不大;在损伤不超过BVID时,所有CCF300/5228试件的压缩破坏应变均大于4 000 με,而X850材料体系下压缩破坏应变均在3 000 με之上.     

碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料MT300/KH420高温力学性能(I)——拉伸和层间剪切性能

研究了碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料MT300/KH420的高温力学性能, 重点揭示了MT300/KH420的[0°]₇、[0°]₁₄ 和[±45°/0°/90°/+45°/0°₂]_s层合板在常温~500 ℃的拉伸和层间剪切性能的变化规律。结果表明:在350 ℃以内,[0°]₇层合板拉伸强度随温度升高有所提高, 拉伸模量几乎不变, 在420 ℃时拉伸强度和模量均出现明显下降, 在500 ℃时分别保持在65%和83%以上, 表现出优异的高温拉伸性能。MT300/KH420的[0°]₁₄层合板层间剪切强度在常温~420 ℃随温度升高不断降低至52.8%, 在高温下呈现出黏弹效应, 且在420 ℃时最为明显。相比于单向层合板, [±45°/0°/90°/+45°/0°₂]_s多向层合板高温力学性能较为稳定, 且由纤维控制的纵向试件力学性能受温度影响较小。      

复合材料层板低速冲击后剩余压缩强度

对两种材料体系和铺层的复合材料层合板进行低速冲击后压缩强度试验 , 以研究低速冲击后层合板的压缩破坏机理。讨论了表面凹坑深度、 背面基体裂纹长度、 损伤面积以及剩余压缩强度与冲击能量的关系。在试验研究的基础上 , 建立了复合材料低速冲击后剩余强度估算的一种椭圆形弹性核模型。该模型将冲击损伤等效为一刚度折减的椭圆形弹性核 , 采用含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元分析含损伤层合板的应力应变状态 ,并应用点应力判据预测层板的压缩(或压、 剪)剩余强度。理论分析与试验结果对比表明 , 该模型简单有效。      

碳纤维复合材料层合板低速冲击损伤应力分析

目的 为掌握碳纤维复合材料板在低速冲击载荷作用下的损伤规律,延缓失效破坏,对其冲击损伤的应力状态进行研究。方法 基于ABAQUS平台,建立碳纤维复合材料层合板低速冲击有限元模型,采用Hashin失效准则和VUMAT用户子程序,对碳纤维复合材料层合板的冲击过程进行数值模拟,同时考虑层合板层内与层间失效,以此来研究低速冲击条件下复合材料的损伤机理,分析冲击损伤过程中的应力变化趋势,讨论应力的分布状态。重点研究铺层角度及铺层距离冲头远近对应力的影响。结果 不同角度铺层的应力传播轨迹均沿着纤维方向和垂直于纤维方向同时扩展,应力均先增加至极限值而后迅速下降;铺层角度越大,板料的承载能力越弱,0°铺层的极限应力为1 432 MPa,而90°铺层的极限应力降至1 206 MPa;离冲头越远的铺层应力越小,达到峰值的时间更早且率先下降,说明远离冲头的铺层更早发生失效。结论 揭示了碳纤维层合板在低速冲击载荷作用下的应力状态及其对损伤的影响规律,能够为复合材料层合板零件设计提供参考。     

复合材料层合板低速冲击逐渐累积损伤预测方法

针对复合材料层板在冲击载荷下,各种损伤的产生和扩展是一个随载荷、时间和空间而演变的过程,发展了复合材料层合板低速冲击逐渐累积损伤预测方法.采用刚度退化技术和改进的Chang-Chang失效准则、显式有限元法来模拟复合材料层合板受到低速冲击下逐渐损伤过程.使用所发展的方法分析了[0m/90n/0m]铺层的复合材料层合板在低速冲击过程中的逐渐损伤扩展,结果表明本文的方法能较好地模拟复合材料层板在低速冲击下的损伤扩展及变形过程,计算结果与实验结果吻合较好;对不同冲击能量下层合板损伤扩展研究表明,冲击能量与分层损伤面积成线性关系.     

复合材料开孔层板压缩渐进损伤试验

为研究碳纤维增强树脂基复合材料开孔层板在压缩加载过程中的损伤起始、演化方式和损伤特点,采用微距拍摄、逐级加载超声C扫描、X光扫描和扫描电子显微镜观测4种观测手段对国产CCF300/5228A[45/0/-45/90]4s、[452/02/-452/902]2s、[454/04/-454/904]s3种铺层方式的开孔层板进行了压缩试验研究。对压缩载荷作用下开孔层板的损伤起始和损伤演化进行了观察和对比。对试验中观测到的纤维微屈曲、纤维挤出、孔边开裂和分层扩展等现象之间的关系进行了分析和说明。试验结果表明:压缩载荷下45°和90°铺层相邻位置为层板易分层位置,含45°和90°铺层相邻位置的开孔层板渐进损伤过程较为明显:开孔层板在压缩载荷下较早出现损伤,损伤的起始和演化缓解了孔边应力集中,促使压缩应变能在孔边逐步释放,推迟开孔层板压缩破坏的发生,提高层板压缩承载能力。研究结果可为材料结构损伤容限设计提供依据。     

压缩载荷下碳/环氧复合材料的动力学响应行为

以铺层顺序为[45/0/-45/00-45/90/0]s的新型碳纤维增强改性环氧树脂复合材料为研究对象,采用分离式Hopkinson(SHPB)压杆装置为加载手段,在高速冲击载荷条件下,对复合材料层合板在厚度方向和平面内纵向的动态压缩性能进行实验研究,分别得到在四种不同应变率下的应力一应变关系;并借助SEM对复合材料断口损伤形貌进行表征.结果表明:在高应变率条件下,层合板厚度方向的动态压缩强度及失效应变明显大于平面内加载方向;基体开裂、分层及剪切断裂是复合材料在动态压缩条件下的主要损伤及断裂模式.     

铺陈角度对芳纶/玻璃纤维层合板抗冲击性能的影响

采用Abaqus软件建立了圆锥形子弹正冲击芳纶/玻璃纤维复合材料层合板的有限元模型,将模拟结果与文献中的实验结果相比较验证了模型的可靠性,进而研究子弹以不同的速度对不同铺陈角度下的复合材料层合板冲击后初始速度与剩余速度的关系以及层合板的破坏特征。结果表明:当层合板铺陈角度不变且子弹击穿层合板时,子弹初始速度与剩余速度接近于线性关系;在子弹未穿透层合板时,[0/90°]铺陈角度的层合板抗弹性能最好,在子弹以600~900 m/s的较高速度穿透层合板时,[45/-45°]铺陈角度的层合板吸能效果最好;由破坏特征图表明铺陈角度对层合板的损伤面积和破坏机制影响不大。该研究可为防护装备的设计和优化提供参考。     

HF30F-24K碳纤维经编织物性能分析

对国产HF30F-24K碳纤维的力学性能、表截面形貌、单向和0°/90°经编织物性能及其复合材料性能进行了测试分析，结果表明：HF30F-24K碳纤维拉伸强度达到5000MPa以上，拉伸模量超过250GPa,且拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率的离散系数即C_v值全部低于5%,该产品具有较好的力学性能和稳定性，并具有典型的湿法纺丝工艺特点；HF30F-24K碳纤维单向织物经向断裂强力达到了3800N/25mm以上，0°/90°经编织物经向断裂强力超过了2800N/25mm,纬向断裂强力大于2600N/25mm; HF30F-24K碳纤维单向和0°/90°经编织物复合材料层间剪切强度分别为125.8MPa和77.2MPa,体现了湿法纺丝工艺碳纤维的界面结合优势，HF30F-24K碳纤维的单向和0°/90°经编织物预浸料复合材料也因此表现出较好的拉伸、压缩、弯曲性能。     

单螺栓修复对含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力的影响

开展了单钉修复对含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力影响的试验研究。测试了三种不同能量冲击后碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的压缩承载能力及失效模式,测定了单螺栓对碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力的修复效率,并借助数字图像相关技术(DIC)表征手段揭示了单螺栓修复对含冲击损伤结构失效行为的影响。结果表明:冲击后碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的压缩承载能力随着冲击能量的增加而降低,冲击损伤破坏了碳纤维/环氧树脂复合材料层合板结构的对称性,并导致结构在加载初期呈非对称的局部屈曲变形特征,局部屈曲诱发并加剧分层损伤扩展;单螺栓修复能有效恢复结构的整体对称性,在一定程度上抑制含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的局部屈曲,达到可观的修复效率。该研究为复合材料紧固件修理方案的制订及修理损伤容限的定义提供一定的指导意义。      

基于多尺度数值模型的复合材料各向异性热膨胀系数预测

依据复合材料内部纤维在基体内的排布规律及层合板铺层特性,基于多尺度方法,建立单层板和层合板代表性体积单元(RVE)模型,施加相应的边界条件,预测单层板的热膨胀系数和工程常数,进而预测复合材料层合板各向异性的等效热膨胀系数。通过与实验数据对比发现,基于正六边形单层板RVE模型预测的热膨胀系数,相比理论预测值,整体更接近实验值,其中预测的单向T300/5208碳纤维增强环氧树脂基复合材料、P75/934碳纤维增强环氧树脂基复合材料和C6000/Pi碳纤维增强环氧树脂基复合材料的横向热膨胀系数与实验结果的误差分别只有3%、1%和2%;采用单层板RVE预测的单向ECR/Derakane 510C玻璃纤维增强乙烯基酯树脂基复合材料的工程常数与实验值最大相差7.5%;层合板RVE模型预测的正交AS4/8552碳纤维增强环氧树脂基复合材料厚度方向的热膨胀系数与实验结果误差可以忽略,只有0.08%。最后以大型复合结构常用的正交铺层结构为研究对象,基于给出的单层板和层合板RVE模型预测了不同铺层复合材料烟道层合板的等效热膨胀系数,环向铺层比例对厚度方向的热膨胀系数影响较小。      

无机微纳米粒子改性对碳纤维复合材料力学性能的影响

为评价无机微/纳米粒子改性对碳纤维复合材料力学性能的影响,采用真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺分别制备了[±45/0/90]_S铺层角度下纳米SiO_2、纳米Al_2O_3、微米SiO_2、微米Al_2O_3改性碳纤维环氧树脂基复合材料(CFRP)。对其横向拉伸、损伤阻抗及损伤容限性能进行测试,通过扫描电镜和水浸超声C扫描检测观察试件内部损伤状态,对比分析无机微/纳米粒子对复合材料的增韧机理。实验结果表明,相比未改性CFRP,无机微/纳米粒子改性CFRP的冲击损伤初始阈值能量显著提高,冲击损伤面积明显减小,纳米SiO_2改性碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CF/EP/NSI)试件的横向拉伸断裂模式由单一的脆性断裂转为韧性断裂,最大冲击载荷和低速冲击后压缩强度(CAI)值达到了3484 N,62.4 MPa,相比未改性CFRP分别提升了30.4%,48.2%。[±45/0/90]_S铺层角度下试件的冲击损伤形状为花生状,冲击后压缩破坏模式为穿过中间损伤区域的压缩破坏(LDM)。     

铺层方式对CFRP-铝合金单搭接胶接接头低速冲击损伤及剩余拉伸性能的影响

采用热压罐成型方法制备铺层方式为[+45/-45]_4s、[0/+45/-45/90]_2s和[0/90]_4s的碳纤维复合材料层合板,通过胶黏剂与铝合金板进行粘接获得异质材料单搭接胶接接头。利用落锤冲击试验机和万能电子试验机分别对三种接头进行低速冲击与冲击后静态拉伸测试,获得接头接触力-时间曲线和拉伸强度。通过CT扫描技术和数字图像相关(DIC)方法表征接头冲击损伤模式及表面应变演化过程,研究了铺层方式对接头抗冲击性能、冲击损伤模式以及剩余拉伸性能的影响。结果表明,复合材料铺层方式为[+45/-45]_4s时,接头在冲击载荷作用下具有较高的抗冲击性能,但胶层界面脱粘损伤较为严重。与胶层界面脱粘相比,接头剩余强度对层合板分层损伤更为敏感。相较于[+45/-45]_4s,[0/+45/-45/90]_2s和[0/90]_4s铺层方式接头的胶层界面脱粘范围与冲击后失效载荷退化程度较小,同时接头冲击后拉伸载荷主要集中于临近胶层的0°铺层且失效模式较为复杂...