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。      

基于细观力学的大开孔层合板缝合补强力学性能计算的新方法基于细观力学的大开孔层合板缝合补强力学性能计算的新方法

从细观力学的角度出发,考虑了面内纤维弯曲及富树脂缺陷,建立了大开孔层合板缝合补强孔边针脚损伤的单胞模型。建立了纤维弯曲函数,推导了纤维弯曲区域的纤维体积分数及纤维弯曲角度。基于复合材料力学分析方法,计算得出了单胞的材料弹性常数。研究表明:缝合导致单胞面内纤维最大弯曲角不超过20°,单层板纵向杨氏模量减小,横向杨氏模量、剪切模量及泊松比均增大,变化幅度均在-8%~20%之间;且对于大开孔层合板缝合补强而言,针距变化引起的材料性能变化相对边距大许多。由上述计算结果,建立了一种缝合补强大开孔层合板力学性能计算的新方法,同时引入针孔模拟针脚处的应力集中现象,结果表明:缝合会造成层合板面内力学性能降低,并且对面内的压缩性能影响大于对面内拉伸性能的影响。      

基于三维流场模型的含孔隙复合材料弹性常数有限元预测模型

为预测含孔隙复合材料单向层合板的有效弹性常数, 基于孔隙周边纤维分布和形态与三维Rankine椭圆体绕流流场的相似性, 提出了一种基于三维Rankine椭圆体绕流流场比拟的含孔隙复合材料弹性常数计算模型与方法。建立了含孔隙复合材料的有限元单胞计算模型, 用流场的速度变化比拟单胞内纤维体积分数的变化, 用流线形状比拟孔隙周边纤维的形态。通过对单胞施加周期性边界条件, 结合孔隙形态的概率分布模型和刚度平均法, 计算了含孔隙复合材料单向层合板的弹性常数。计算结果与实验数据有较好的一致性, 数值计算可以有效反映孔隙对复合材料单向层合板弹性常数的影响。      

复合材料性能反演单向板弹性常数的方法

通过对复合材料层合板等效弹性模量的反演推算,得到单向板的弹性常数。当层合板中0°和90°铺层比例不等时,通过直接反推法得到唯一解,即单向板的弹性常数;但是当层合板中0°和90°铺层比例相等时,运用反推法得到无穷多组解,此时添加额外已知条件可确定唯一解。由算例分析得出:对于均衡层合板该方法预测结果较准确;但对于非均衡层合板预测结果误差偏大。复合材料弹性模量的反演推算充分考虑了材料因加工缺陷引起的随机性,所得结果能更真实地反映单向板的弹性常数。     

缝合复合材料面内刚度和强度的神经网络预测

基于神经网络的BP算法,建立了预测缝合复合材料刚度和强度性能的模型。根据试验所得的缝合复合材料的性能参数,训练人工神经网络,拟合出输入参数 (各种缝纫参数与等效未缝纫层合板性能参数)与输出参数(缝合层合板性能参数) 之间的非线性关系,设计完成了缝合复合材料弹性性能与强度分析软件,并以此软件分析计算在新的缝纫参数和等效未缝纫层合板性能参数情况下的缝合复合材料性能。与实验结果对比,两者符合较好。为缝合复合材料刚度强度预测开辟了一条新的有效途径。      

基于均匀化的缝合夹芯复合材料建模方法研究

针对缝合式夹芯复合材料结构动力学建模问题开展研究,通过对复合材料代表性单元中上下面板、芯层分别施加周期性位移边界条件,根据应力平均获得相应的等效弹性参数,将夹芯结构等效为3层均质的正交各向异性层合板模型。将根据所提方法建立的层合板模型频率计算结果与精细化模型、单层板模型计算结果进行对比,验证了基于均匀化方法的缝合式夹芯复合材料动态建模精度。基于该建模方法,进一步研究缝合密度对宏观弹性参数的影响。结果表明,缝合密度对夹芯复合材料面内等效性能影响较小;随着缝合密度的增大,厚度方向等效弹性模量显著提高。     

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。      

缝合复合材料的细观力学分析

采用三维细观有限元模型,研究了缝合复合材料的力学性能.模型中引入了保证单胞边界面的应力和位移周期连续的边界条件,分析了缝合对层合板面内力学性能的影响,着重考察了缝合区域内细观应力和应变的分布,以及缝合对材料弹性常数的影响,并分析了缝线附近和富树脂区应力集中的规律.算例结果表明本文方法可以有效地预测缝合复合材料的弹性性能.研究还发现,受面内剪切作用时原来单胞的平面边界不再保持平面,各层间铺设角度相差越大,单向拉伸时应力集中现象越显著.     

缝合/RTM复合材料层合板的力学性能研究

分别采用高强玻璃纱、Kevlar-29纤维和T300 3K纤维为缝合线对玻璃纤维方格布进行缝合,研究了缝合/RTM复合材料层合板的面内拉伸性能和层间剪切性能.研究结果表明,与未缝合复合材料层合板相比,缝合复合材料层合板面内拉伸性能有所降低(碳纤维缝合复合材料除外),在给定缝合密度下最大降幅为14%;缝合复合材料层合板的层间剪切性能较未缝合层合板都有不同程度的提高,在给定缝合密度下最大达到了40%,缝合可显著提高复合材料层合板的层间性能.     

多元多层平纹机织CMC-SiC弹性常数的多尺度均匀化高效预测方法

多元多层碳化硅陶瓷基复合材料(Silicon carbide ceramic matrix composites,CMC-SiC)等效弹性常数的准确、高效预测是实现材料性能优化与结构计算分析的重要基础.本文以多元多层平纹机织CMC-SiC为研究对象,建立了其多尺度微结构有限元模型,采用均匀化方法依次在纤维丝和纤维束尺度上进行了弹性性能常数的计算.通过合理的等效,简化了多元多层微结构有限元模型的复杂性,提高了等效性能的均匀化计算效率.数值计算结果与实验结果证实吻合较好,验证了本文提出的微结构模型以及预测方法的有效性.     

孔口缝合补强复合材料层合板渐进损伤分析

针对孔口缝合补强复合材料层合板,通过有限元软件建立了含孔口缝合补强复合材料的渐进损伤模型。利用该模型预测了不同缝合参数情况下的破坏载荷,数值结果和实验吻合较好,证明了模型的有效性。在拉伸载荷情况下,模拟不同缝合参数下不同铺层的孔边损伤情况,发现不同缝合参数对层合板纤维损伤的影响与铺层角度密切相关。结果显示缝合补强后,层合板的损伤过程有明显的推迟,特别是双缝合情形下推迟的程度尤为显著。     

平面编织复合材料层板弹性性能的预测

本文在平面编织纤维增强树脂复合材料的单方向直波纹模型的基础上,分别采用经典层合板理论和有限元应变能等效方法,预测了平面编织复合材料层合板迭层对其弹性性能的影响。根据经典层合板理论,由对平面织物复合材料的单向直纹模型的上、下表面施加不同的约束条件,得出层板弹性常数变化范围。用有限元能量法,则预测出不同铺层数的编织复合材料层板的弹性性能。与实验结果比较,表明纵向模量的预测是可靠的。     

周边固支缝合复合材料层板的小波配置精细积分法

建立了缝合复合材料面内纤维弯曲几何描述模型,将拟Shannon小波配置法和缝合单层板的刚度矩阵应用到缝合层合板的Hamilton正则方程中,构造了缝合板平面方向离散、而厚度方向解析的Hamilton正则方程,然后用精细积分法求解。用拟Shannon尺度函数表示的近似解很适于求解固支边界问题。数值算例结果表明,小波配置精细积分法在缝合复合材料层板位移、应力分析方面,较低网格密度下即可获得较精确的结果。从而为缝合层合板静力学问题分析提供了一种方法。     

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.     

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.     

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(G_IC)的基础上,分析和阐明了缝合工艺参数(缝合密度)与G_IC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.     

缝合复合材料II型层间断裂特性研究

分别采用测量ENF试样加载点位移与测量其端部剪切位移CSD(Crack Shear Displacement)的试验方法,研究了缝合复合材料层合板的II型层间断裂韧性以及缝合密度,缝合线的直径等缝合参数对于缝合复合材料层合板II型层间断裂韧性和分层模式的影响。结果表明,缝合降低了层合板初始分层韧性G_IIi,但对于分层的扩展有良好的抑制作用。缝合参数对此有较大影响。      

复合材料开口缝合补强试验及模拟

缝纫能够明显改善层合板的层间力学性能,但缝纫的引入造成了层合板面内的损伤,导致了面内性能的下降.开口的损伤也主要是由孔边的层间失效引发的,开口缝合补强的引入,可以改善孔边的层间力学性能.本文对缝合补强前后开口层合板的静力学拉伸性能进行了试验和有限元的模拟,发现补强后层合板的面内力学性能并没有明显的降低.     

短纤维增强注塑制品的力学性能分析

将短纤维增强注塑制品看作多层板并分析了注塑制品的有效弹性性能.采用Tandon-Weng模型计算了单取向短纤维增强复合材料的弹性性能,采用取向平均法计算了具有任意平面取向的单层板材料弹性常数,运用层合板理论建立了短纤维增强注塑材料的有效弹性模量计算模型.测定了特制试样中的纤维取向分布,计算了有效弹性模量,并与实验结果对比证明这种方法是有效的.