考虑纤维损伤的大孔口层合板缝合补强等效力学模型

针对含大孔口层合板（层合板宽度D与开孔半径R的比例D/R<6）缝合补强,考虑缝合线对面内纤维造成弯曲、断裂及针脚处夹杂和富树脂区的影响,利用有限元软件建立了大孔口层合板缝合补强模型。在拉伸载荷作用下,计算了不同缝合参数（针距、行距、边距、缝合线直径、缝合线张力）对层合板力学性能的影响。并将不同缝合参数对面内纤维造成的损伤等效为孔径的扩展,建立其等效开孔无边缘效应层合板有限元模型,得出了缝合补强时不同缝合参数对层合板整体承载能力的影响规律。针距越小,层合板承载能力越低;当针距小于3.14 mm时,随着边距的增大,层合板承载能力单调减小;当针距介于3.14 mm与6 mm之间时,随着边距的增大,层合板承载能力呈现出类似于正弦函数的变化形式,且整体趋势增大;当针距大于6 mm时,随着边距的增大,层合板承载能力单调增大;当中心圆孔的0°与90°位置存在针脚缺陷时,易造成层合板提前破坏。      

缝合密度对缝合/VARI成型复合材料力学性能的影响EI北大核心CSCD

采用改进锁式缝合和真空辅助树脂注射(VARI)成型工艺制备不同缝合密度的碳纤维/环氧树脂复合材料,研究缝合行距和缝合针距对复合材料力学性能的影响,得出最佳缝合密度。结果表明:随着缝合行距的增大,拉伸性能和弯曲性能均有所提升,层间剪切强度先增大后减小;随着缝合针距的增大,拉伸性能和弯曲性能均有提高的趋势;当缝合密度为5 mm×8 mm时,缝合复合材料具有最佳的综合力学性能,与未缝合复合材料相比,拉伸强度和模量分别下降了13.3%和12.7%,弯曲强度和模量分别下降了23.0%和25.2%,层间剪切强度提高了11.3%。     

缝合参数对缝合泡沫夹芯结构复合材料VARTM工艺树脂充模的影响

对不同缝合参数的缝合泡沫夹芯结构复合材料真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺进行数值模拟,研究了针距、行距、缝针直径、芯板厚度及纤维面板厚度等缝合参数对缝合泡沫夹芯结构复合材料VARTM工艺树脂流动充填的影响。结果表明,改变缝合行距对树脂的流动充填速度影响不大,缝合行距越大,树脂在下层纤维面板流动的同步性越差,制品出现空隙及干斑的可能性越大;缝合针距越小,树脂完成充填的时间越长;分别增加缝针直径和泡沫芯板的厚度,树脂完成充填时间呈线性增长,缝针直径越大,下层纤维面板树脂浸润效果越好;纤维面板厚度增加,树脂完成充填的时间变长,且相对于其他缝合参数,纤维面板厚度对树脂流动充填时间影响最大;缝合针距、泡沫芯板的厚度及纤维面板的厚度都不影响树脂在下层纤维面板的浸润效果。     

含孔层合板孔口缝合补强的数值模拟

提出一种缝合线计算模型, 通过数值模拟计算和实验结果比较, 得到缝合线计算模型中相关的弹性参数。对复合材料开口缝合补强结构进行了有限元模拟计算, 分析讨论了孔边及邻近区域应变的分布规律, 并计算出应变集中因子。研究了不同缝合参数(针距、 行距、 边距、 缝合线直径、 缝合线模量)对孔边应变集中的影响, 给出了合理的孔口缝合参数设计方法。      

缝合复合材料可用性--环境条件下层合板的冲击后压缩性能

为了解决缝合复合材料在航空航天结构中的应用问题,对国内生产的缝合/树脂膜渗透成型工艺复合材料层合板在三种不同环境条件下的低速冲击后压缩性能进行试验研究.结果表明,缝合改变了含冲击损伤层合板的压缩破坏机理,可以大幅度提高层合板在干态常温下的冲击后剩余压缩强度,但是对湿态高温下层合板的冲击后剩余压缩强度影响不大;缝合方向对冲击损伤面积和剩余压缩强度的影响较小,其中以0°缝合较为有利.     

缝纫层合板的本构关系研究(I)——缝纫单层板有效弹性常数分析

建立了缝纫单层板的有效弹性常数分析模型。通过考虑缝纫引起的铺层纤维的面内弯曲和非均匀分布,分析了缝纫参数(如缝纫行距、针距和缝线半径)对等效弹性常数的影响。结果表明,当缝纫方向垂直于铺层纤维方向时,随缝纫行距的减小或缝线半径的增大,纵向模量逐渐下降,而横向模量和剪切模量则逐渐提高;缝纫针距对纵向模量影响很小。     

开口层板孔口缝合补强的有限元研究

为了研究复合材料开口缝合补强结构的不同缝合参数(针距、行距、边距、缝合线模量等)对孔边应力、应变分布的影响, 提出了一种缝合线计算模型。通过有限元模拟计算, 并结合实验结果, 分析讨论了孔边及邻近区域应力、应变的分布规律, 给出了孔口缝合参数合理的设计方法及相关结论。研究表明, 不同缝合参数对于孔边附近应力及应变集中有明显的影响。     

缝合复合材料单向板的拉压性能

缝合复合材料改善了层合复合材料易分层的缺陷,其力学性能研究具有重要意义。建立缝合复合材料单向板的三维有限元分析模型,考虑了缝合针脚造成的纤维面内和面外弯曲,分析了纤维弯曲对拉伸和压缩性能的影响。结果表明,模型能很好预测缝合单向板拉伸和压缩性能,同时考虑纤维面内和面外弯曲对预测更为有利,纤维面内和面外弯曲是影响强度的主要因素,纤维面内弯曲对模量影响较大,而纤维面外弯曲对模量的影响可以忽略不计。     

缝合复合材料可用性——一般层合板的基本性能

通过试验研究了缝合T300帘子布/QY9512常用层合板的拉伸和压缩性能,考察了缝合方向、铺层顺序和环境因素对层合板拉、压性能的影响,得到了3种常用层合板及其孔板的拉伸、压缩强度与模量。研究结构表明:缝合与缝合方向对常用层合板的拉伸强度与模量的影响不大;不同铺层顺序层合板的拉伸强度和模量受缝合与缝合方向的影响程度不同。缝合方向与铺层形式对孔板的缝合效果均有影响,层合板的最佳缝合方向随铺层形式不同而发生变化。缝合对层合板湿热状态下压缩性能的影响与铺层顺序有很大关系。缝合使含孔层合板的干态常温压缩强度明显提高,使湿热时的强度明显降低。      

整体缝合夹芯结构复合材料压缩性能

设计了一种新型整体缝合夹芯结构。采用真空导入模塑工艺(VIMP)制备整体缝合夹芯结构复合材料, 研究其在平压载荷作用下的力学性能和破坏模式, 建立其有限元模型, 研究缝合纱线用量对整体缝合夹芯结构复合材料平压力学性能的影响。结果表明:该新型整体缝合夹芯结构复合材料能够在提高缝合纱线数量的同时避免一般斜缝方式引起纤维交叉损坏的弊端。整体缝合夹芯结构复合材料的压缩强度和压缩模量随着缝合纱线数量的增加而增大, 但缝合纱线含量较高时, 比压缩强度有所下降。数值计算结果与试验结果对比分析, 验证了所建立有限元模型的合理性, 说明该模型可用于预测其压缩模量。      

Effect of stitch density and stitch thread thickness on compression after impact strength and response of stitched composites

In this paper, the damage failure and behaviour of stitched composites under compression after impact (CAI) loading are experimentally investigated. This study focuses on the effect of stitch density and stitch thread thickness on the CAI strength and response of laminated composites reinforced by through-thickness stitching. Experimental findings show that stitched composites have higher CAI failure load and displacement, which corresponds to higher energy absorption during CAI damage, mainly attributed to greater energy consumption by stitch fibre rupture. The coupling relationships between CAI strength, impact energy, stitch density and stitch thread thickness are also revealed. It is understood that the effectiveness of stitching has high dependency on the applied impact energy. At low impact energy range, CAI strength is found to be solely dependent on stitch density, showing no influence of stitch thread thickness. It is however observed that stitch fibre bridging is rendered ineffective in moderately stitched laminates during compressive failure, as local buckling occurs between stitch threads, resulting in unstitched and moderately stitched laminates have similar CAI strength. The CAI strength of densely stitched laminates is much higher due to effective stitch fibre bridging and numerous stitch thread breakages. At high impact energy level, CAI strength is discovered to be intimately related to both stitch density and stitch thread thickness. Since CAI failure initiates from impact-induced delamination area, stitch fibre bridging is considerable for all specimens due to the relatively large delamination area present. Stitch threads effectively bridge the delaminated area, inhibit local buckling and suppress delamination propagation, thus leading to increased CAI strength for laminates stitched with higher stitch density and larger stitch thread thickness. Fracture mechanisms and crack bridging phenomenon, elucidated by X-ray radiography are also presented and discussed. This study reveals novel understanding on the effectiveness of stitch parameters for improving impact tolerance of stitched composites.     

缝合复合材料层板低速冲击及冲击后压缩实验研究

通过对缝合复合材料层板进行低速冲击和冲击后压缩实验, 研究了不同类型的缝合复合材料层板的冲击损伤特性及冲击后压缩的剩余强度。实验研究表明: 基体损伤和分层是缝合层板与未缝合层板低速冲击的主要损伤模式, 缝合层板具有更好的抗冲击性能, 更高的冲击后压缩强度。缝合密度越大的层板其抗冲击性能越好, 冲击后压缩强度越高。缝合方向为0°的缝合层板较缝合方向为90°的缝合层板具有更好的抗冲击性能和更高的冲击后压缩强度。增加0°方向铺层, 减少45°、-45°方向铺层, 可以提高缝合层板的抗冲击性能和冲击后压缩强度。     

含分层损伤缝合复合材料层板的剩余压缩强度

基于渐进损伤方法,研究了含单脱层缝合复合材料层板在压缩载荷下的剩余强度。通过商用软件ABAQUS建立了含单脱层缝合复合材料层板剩余压缩强度计算模型,考虑了子层屈曲和分层扩展对剩余强度的影响。通过UMAT子程序实现了层板失效、层间失效和缝线失效的模拟。通过嵌入式杆单元结构模拟了缝线桥联作用及失效。采用Hashin准则及刚度折减法对纤维拉压、基体拉压失效进行了模拟。通过渐进损伤分析,揭示了缝合情况下含单脱层复合材料层板的失效机理,讨论了缝合参数对剩余压缩强度的影响。所预测的破坏模式和剩余强度结果与实验能较好地吻合。分析表明缝合可以明显提高含分层损伤复合材料层板的子层屈曲载荷,抑制分层扩展,并提高层板的剩余压缩强度。     

缝合参数对复合材料板面内刚度和强度影响研究

通过数值计算和对37组158个试件的实验测试与分析,研究了四种缝合参数对缝合复合材料板面内刚度和强度的影响。结果表明:1)缝合密度越大,缝合所产生的损伤就越大,对面内刚度的影响也就越大。几种常用缝合密度下的面内刚度差最大为纵向6%,横向11%,剪切9%;2)缝合密度和缝合工艺水平对面内拉伸强度和剪切强度有很大影响,缝合引起的拉伸强度和剪切强度降低分别达14%和17%,而对面内压缩强度的影响很小,最大强度降不到4%。3)当缝线方向与测试方向垂直时,可以得到较高的面内刚度值和较低的面内强度值。反之,当缝线方向与测试方向平行时,可以得到较低的面内刚度值和较高的面内强度值。最大变化幅值分别为21%和18%。     

缝合复合材料弹性性能分析的新方法———流场模型Ⅰ: 缝合单层板弹性常数计算

为了求解缝合层合板中单层的弹性常数, 基于单层面内纤维走向与绕流流场中流线形状的相似性, 建立了与缝合单胞相对应的有限空间定常二维无粘性不可压理想流体的无旋绕流流场模型, 流场的几何边界与单胞的边界一致, 绕流物面与缝线截面形状一致。用该流场的速度变化描述单胞面内纤维体积含量的变化, 用流线形状描述缝线周围面内纤维的变形。以流场模型为基础, 用细观力学方法和均匀化方法求得缝合单层的弹性常数,结果与实验值吻合。最后用流场模型分析了缝合参数对缝合单层弹性常数的影响。      

Thickness effects on the compressive stiffness and strength of stitched composite laminates

A finite element unit cell model for predicting the 3-D mechanical properties of laminates with through-thickness reinforcement has been developed using a unique voxel mesh approach. As part of its development, the model is being verified to other models and validated with experimental data. The model has been validated to tensile experimental data with much success. For further validation of the model and its assumptions, an experimental program was conducted to investigate the compressive properties of stitched laminates for three different thicknesses. It was found that the unstitched modulus remained independent of thickness, while the stitched modulus increased with thickness due to spreading and kinking of the outer surface plies during the stitch formation process. The model predicted the change in modulus well, however did not capture the thickness effect observed in the experimental results. While it was found that stitching did have an influence on the in-plane compressive properties of the test specimens, the known damage tolerance and manufacturing advantages of stitched laminates are considered to outweigh any penalties for certain critical applications.     

缝合层合板的I型层间断裂韧性研究

通过缝合的方法改善织物增强复合材料层合板的层间断裂韧性.采用双悬臂梁(DCB)试验测试和研究了缝合层合板的层间断裂韧性与断裂行为.为了评价缝合工艺参数(缝合密度)对层间断裂韧性的影响, 用改进的插入型夹具在实测不同缝合工艺层合板的I型层间断裂韧性值(GIC)的基础上, 分析和阐明了缝合工艺参数(缝合密度)与GIC间的关系; 以提高层合板的平均层间断裂韧性值为目标, 以拉伸和弯曲强度为约束条件优化了缝合工艺; 采用摄影显微镜对分层断裂面进行了观察, 分析和考察了缝合对其它性能的影响.结果表明 改进的插入型夹具可方便地完成缝合层合板的I型层间断裂韧性测试; 缝合后裂纹不连续扩展, 缝合密度对裂纹扩展行为有较大影响; 随着缝合密度的增大, 层间断裂韧性值增大, 但拉伸和弯曲强度降低, 缝合密度存在最佳值.