夹芯结构复合材料构件VARI工艺仿真计算与成型实验

对于大尺寸夹芯结构或复杂形状夹芯结构复合材料的VARI工艺成型过程的模拟仿真计算,如果采用传统的建模方法,则建模困难,模拟仿真计算量大,效率不高。针对此问题,本文提出了一种简单方便的等效建模法。以矩形泡沫夹芯结构复合材料构件的铺层设计为基础,采用等效建模法建立了实体CAD模型和有限元网格模型,并利用PAM-RTM模拟软件对夹芯结构复合材料构件的VARI工艺成型过程进行了模拟仿真计算,结合工艺成型实验进行了实验验证,并对制品的密度、树脂含量和力学性能等进行了测试与表征。结果表明:由等效建模法仿真计算所得理论充模时间与实测充模时间基本一致,且仿真计算所得树脂流动前锋位置曲线与工艺成型实验测试值也比较吻合;VARI工艺成型对夹芯结构复合材料制品性能的分布均匀性有一定影响。     

复合材料夹芯管胶接连接结构力学特性分析

针对在航空结构中广泛应用的复合材料蜂窝夹芯圆管中的接头这一最脆弱的部分,发展了一种分析复合材料蜂窝夹芯圆管胶粘接头力学特性的解析模型.该模型根据Gibson修正公式得到了蜂窝芯子的等效弹性参数,再运用经典的复合材料壳理论和线弹性理论得到管接头的控制方程,并通过状态空间法进行求解.运用本文模型,计算了管接头在扭矩和弯矩作用下胶层内的剪应力和剥离应力;同时采用有限元法对模型进行了数值模拟,并将模拟结果与模型计算结果进行了对比,最后分析了搭接长度对胶层内应力的影响.     

聚氨酯弹性体隔板夹层结构的等效参数计算

针对聚氨酯弹性体的隔板夹层结构,阐述了多种不同的等效参数计算方法,并对等效参数进行计算。首先讨论和计算了不考虑结构剪切变形时的整体结构等效参数计算方法,将整体夹层结构等效为正交各向异性薄板,给出了考虑夹芯抗弯刚度的整体刚度系数表达式。其次,在考虑夹层结构夹芯存在剪切变形的情况下,推导了由分隔隔板和聚氨酯弹性体组成的夹芯胞元的等效弹性常数;最后,使用基于应变能密度等效分析的有限元方法对夹芯胞元等效弹性常数进行计算,并与理论分析结果进行对比,二者误差在10%以内。     

四边简支新型类方形蜂窝夹层结构振动特性研究

新型类方形蜂窝是六边形蜂窝的一种过渡形式,对其等效弹性参数和振动特性的研究具有重要意义。采用改进的Gibson公式对比分析了双壁厚与等壁厚类方形蜂窝夹芯的面内等效弹性参数的差异,并应用经典层合板理论分析了不同等效弹性参数下2种壁厚类型的四边简支类方形蜂窝夹层结构的振动特性,基于有限元仿真技术分析了不同壁厚类方形蜂窝夹层结构的振动特性,并与理论分析结果进行对比。结果表明等效弹性参数的数值模拟结果与理论值基本吻合。在蜂窝基本结构参数相同的条件下,双壁厚类方形蜂窝夹芯的面内等效剪切模量、面外刚度和等效密度均比等壁厚类方形蜂窝夹芯大;在低阶振动模态下,双壁厚类方形蜂窝夹层结构的固有频率比等壁厚类方形蜂窝夹层结构的低,在高阶振动模态下,双壁厚类方形蜂窝夹层结构的固有频率比等壁厚类方形蜂窝夹层结构的高;影响夹层结构固有频率的3个主要因素所占权重由大到小依次为蜂窝夹芯yoz面等效剪切模量、蜂窝夹芯等效密度,蜂窝夹芯壁厚。研究结果表明采用经典层结构理论计算得到类方形蜂窝夹层结构的固有频率与数值仿真结果的一致性较好,这进一步证明了采用改进Gibson公式得到的类方形蜂窝夹芯等效弹性参数的正确性,同时证明了将该振动理论运用到一般蜂窝夹层结构研究的可行性,为扩展研究其他类型蜂窝夹层结构振动特性奠定了基础。     

基于重复子结构的缝合式夹芯板动态特性计算

根据复合材料具有可重复单胞的特征,提出一种基于重复子结构的缝合式夹芯板动力学建模方法。利用复合材料精细化单胞有限元模型构造初始子结构和残余结构,通过空间位置关系映射得到重复子结构,将所有子结构组装到残余结构上,实现复合材料重复子结构动力学建模及分析。以缝合式夹芯板为例,对其进行重复子结构建模及动态特性分析,并与精细化实体有限元模型进行对比,验证方法的计算精度和效率。研究了初始子结构外部节点选取、残余结构位置选取、初始子结构尺寸选取对重复子结构建模及分析结果的影响。结果表明:针对具有重复性单胞的缝合式夹芯板结构,利用重复子结构进行动力学建模,残余结构的选取具有不唯一性,且初始子结构外部节点数量越多,重复映射过程越少,计算精度和计算效率越高;当初始子结构外部节点选取比例为50%时,相比较复合材料结构的精细化建模方法,可以提高结构动态分析效率。      

缝合泡沫夹芯复合材料低速冲击的多尺度数值方法

为了发展缝合泡沫夹芯复合材料低速冲击损伤的多尺度分析方法, 建立了缝合泡沫简化力学模型, 将缝合泡沫等效为缝线树脂柱增强的正交各向异性芯材, 其材料参数由各组分性能及所占体积分数根据均一化理论计算得出; 同时, 建立冲击试验有限元模型, 通过界面元模拟面板与芯材之间的层间分层。采用GENOA渐进损伤分析模块对缝合结构冲击动态响应过程进行数值模拟, 并将计算结果与试验记录进行对比分析。结果表明: 缝合可以减小面板破坏面积, 抑制面板与泡沫分层的扩展; 但缝纫会对结构造成初始损伤, 较高的缝合密度使芯材刚度增加, 不利于泡沫结构的缓冲吸能。数值模拟结果与试验记录吻合良好, 验证了多尺度分析方法的正确性。     

典型夹芯结构复合材料VARI工艺成型仿真计算研究

对于大尺寸夹芯结构或复杂形状夹芯结构复合材料的VARI工艺成型过程的模拟仿真计算,如果采用传统的建模方法,则建模困难,模拟仿真计算量大,效率不高。针对此问题,提出了一种简单方便的等效建模法。以弧形和带加强筋的夹芯结构复合材料构件为基础模型,采用等效建模法建立了实体CAD模型和有限元网格模型,并利用PAM-RTM软件对两种夹芯结构复合材料构件的VARI工艺成型过程进行了仿真计算,并结合工艺成型实验进行了实验验证。     

多层次等效的Mori-Tanaka法预测含空腔点阵增强芯层的等效弹性模量

提出了兼具力学和声学性能的夹层吸声复合材料-含空腔点阵增强夹芯结构;为了预测含空腔点阵增强结构芯层的等效弹性模量,建立了包含空腔、点阵增强柱和泡沫基体的三相复合材料的细观力学多层次等效数理模型,结合点阵增强柱和空腔周期性分布的特点建立代表性体积单元,利用Mori-Tanaka方法进行两次单相夹杂等效处理,获取了含空腔点阵增强芯层等效弹性模量的解析解,与试验数据和细观力学有限元法结果对比均吻合较好。采用有限元软件ANSYS建立了含空腔点阵增强夹芯结构的实际模型和等效模型,并将芯层等效模量解析结果作为等效模型芯层的材料参数,计算弯曲变形和固有频率并进行对比分析,弯曲变形位移和中低频固有频率的相对误差不超过2%,满足工程精度要求。进一步利用该等效方法,分别探讨了点阵增强柱和空腔体积比对芯层等效弹性模量的影响规律。结果表明,上述方法能较准确地预测含空腔点阵增强结构芯层的等效弹性模量,且数理模型清晰,公式简单,计算快速。     

缝纫泡沫夹芯复合材料的刚度预测与试验验证

基于材料细观结构,建立了缝纫泡沫夹芯复合材料的刚度预测模型,并进行了刚度性能的相关试验验证。其中,对缝纫复合材料层合面板部分,考虑了缝纫角对单胞尺寸和富脂区大小的影响,以及缝纫前后层合面板厚度的变化对复合材料面板纤维体积含量的影响,采用改进的纤维弯曲模型计算了缝纫复合材料层合面板的刚度;对缝纫增强的泡沫夹芯部分,把缝线树脂柱看作是泡沫基体中的增强相,将其简化为特殊的单向增强复合材料,提出了用串并联组合模型来预测其刚度。试验测试了缝纫泡沫夹芯复合材料板试件的刚度。应用本文模型对缝纫层合面板和缝纫泡沫夹芯复合材料板的刚度进行预测,结果均与试验结果吻合较好。采用理论模型系统研究了缝纫参数和结构参数对缝纫泡沫夹芯复合材料刚度的影响。     

斜入射下水中隐身夹芯复合材料附体结构声学设计

摘 要：将隐身夹芯复合材料代替附体结构钢质壳板,建立了斜入射条件下水中隐身夹芯复合材料结构的声学模型;从水声波动方程出发,推导了二维空间声波斜入射时的传递矩阵,及带空腔水附体结构的声反射系数和吸声系数表达式;对带空腔水附体结构模型进行了垂直入射声学试验,试验结果与传递矩阵法数值计算吻合较好;对试验模型进行了斜入射下声学性能数值计算,分析了入射角对反射系数和吸声系数的影响;考虑斜入射下夹芯层厚度、密度、损耗因子、及水层厚度等对隐身附体结构声学性能的影响,应用数值方法对水中隐身夹芯复合材料附体结构进行了声学设计,分析了各层材料参数和几何参数对隐身结构反射系数和吸声系数的影响规律。     

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。      

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。      

夹芯复合材料结构阻尼特性研究

从粘弹性材料的本构关系出发,应用复特征值理论推导了夹芯复合材料结构阻尼的计算方法;同时基于能量损耗原理和阻尼的产生机理,研究了夹芯复合材料结构阻尼计算的模态应变能方法;提出了两种承载/减振夹芯复合材料结构模型,应用动态力学热分析方法测量了芯材的阻尼参数;应用两种阻尼计算理论和有限元数值分析相结合的方法研究了两种夹芯结构模型的损耗因子,并与试验结果进行了比较;分析了夹芯厚度对结构损耗因子的影响.     

Z向增强泡沫夹芯阻燃复合材料力学性能

研制了一种Z向玻璃纤维增强酚醛泡沫的高阻燃性复合材料, 并试验分析了承力柱高度、 分布密度、 排布方式及缝编纱细度、 缝合面板层数等结构参数对复合材料力学性能的影响。结果表明: 与普通泡沫夹芯复合材料相比, Z向增强泡沫夹芯复合材料的力学性能得到了大幅度提升; 在承力柱分布密度相同的条件下, Z向增强泡沫夹芯复合材料的力学性能基本不随承力柱排布方式而变化; 承力柱高度、 分布密度及缝编纱细度、 缝合面板层数等结构参数对Z向增强泡沫夹芯复合材料的力学性能有重要影响。     

嵌入加强筋的缝合泡沫夹芯结构复合材料VARTM工艺树脂充填模拟及验证

在缝合泡沫夹芯结构复合材料的泡沫中嵌入轻质的加强筋板,可以在不增加缝合密度并且在只增加较少质量的前提下,增强复合材料制品整体的强度和刚性。文中对真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺树脂在嵌入加强筋的缝合泡沫夹芯结构复合材料预成型体中充填过程进行模拟和验证研究。采用一种矩形流道模型代替沿加强筋与泡沫空隙间的树脂流动,并对其等效渗透率及孔隙率进行计算;通过PAM-RTM软件模拟了嵌入加强筋板的缝合泡沫夹芯结构VARTM工艺的树脂充填过程,并建立了流动可视化实验装置与模拟对比,结果表明模拟与实验相当吻合。而模拟与实验的结果均表明加强筋的引入可以在局部加强树脂沿厚度方向的流动,但是会延缓树脂对整个预成型体的充填。     

结构参数对树脂基纤维编织复合材料折叠夹芯结构力学性能的影响

折叠夹芯结构是一种新型的复合材料夹芯结构,其结构参数对力学性能有重要的影响。文中以碳纤维和Kevlar平纹编织预浸料为芯材原料,采用热压工艺,制备了复合材料折叠夹芯结构试样。通过压缩试验得到不同条件下折叠夹芯结构在静态压缩载荷作用下的力-位移变化曲线。构建了复合材料折叠夹芯结构有限元模型,对不同结构参数复合材料折叠夹芯的力学性能进行了数值模拟分析,并将模拟结果与实验结果进行对比验证了模型的可靠性。实验及数值模拟的分析结果表明,随着芯材厚度的增加,折叠夹芯层的压缩强度呈线性增加,其破坏形式由假塑性变形逐渐向脆性破坏转化;面板对夹芯层的约束作用能够极大地提高压缩模量和强度,而且上下面板对压缩性能曲线有着不同的影响;折叠夹芯单元的高度、长度、折叠夹角等参数对其力学性能具有不同程度的影响。     

铝蜂窝胞元结构参数对其宏观等效表征性能的影响

将均匀化理论与有限元方法相结合,建立了预测铝蜂窝宏观等效特征参数的细观力学模型,研究铝蜂窝胞元结构参数对其宏观等效表征性能的影响,并采用MATLAB语言编程,计算了不同高长比、不同厚长比及不同胞璧夹角的不规则正交各向异性蜂窝铝芯的等效弹性参数,得到了胞元结构参数对铝蜂窝宏观力学性能的影响规律,所得结果对蜂窝铝芯的结构设...     

缝合对泡沫夹芯复合材料低速冲击性能的影响

为了研究缝合对泡沫夹芯复合材料抗低速冲击的影响,以未缝合、全厚度缝合和冲击面纤维面板三类缝合碳纤维泡沫夹芯复合材料板为研究对象,采用落锤冲击试验机对泡沫夹芯复合材料板进行10J能量的冲击试验。然后使用水浸超声波扫描成像系统对冲击后的复合材料板进行损伤检测,得出泡沫夹芯复合材料板内部不同深度层的损伤情况。采用ABAQUS有限元软件对上述三类泡沫夹芯复合材料板进行有限元模拟,得出了低速冲击响应过程及面板的损伤情况,并进行了实验与数值模拟结果对比分析。研究结果表明,缝合会使得各铺层的损伤趋向均匀化,能够大幅提高层合板的整体性使各铺层之间的衔接更加紧密。在较小冲击能量下,全厚度缝合与冲击面纤维面板缝合都能够抑制分层的破坏,并且抑制分层的效果相差不大,且靠近冲击面的层与层之间更加容易产生分层的破坏。     

缝合对泡沫夹芯复合材料低速冲击性能的影响EI北大核心CSCD

为了研究缝合对泡沫夹芯复合材料抗低速冲击的影响,以未缝合、全厚度缝合和冲击面纤维面板三类缝合碳纤维泡沫夹芯复合材料板为研究对象,采用落锤冲击试验机对泡沫夹芯复合材料板进行10J能量的冲击试验。然后使用水浸超声波扫描成像系统对冲击后的复合材料板进行损伤检测,得出泡沫夹芯复合材料板内部不同深度层的损伤情况。采用ABAQUS有限元软件对上述三类泡沫夹芯复合材料板进行有限元模拟,得出了低速冲击响应过程及面板的损伤情况,并进行了实验与数值模拟结果对比分析。研究结果表明,缝合会使得各铺层的损伤趋向均匀化,能够大幅提高层合板的整体性使各铺层之间的衔接更加紧密。在较小冲击能量下,全厚度缝合与冲击面纤维面板缝合都能够抑制分层的破坏,并且抑制分层的效果相差不大,且靠近冲击面的层与层之间更加容易产生分层的破坏。     

缝纫泡沫夹芯复合材料板的稳定性分析

整体屈曲是缝纫复合材料夹芯板的一种重要失效模式。考虑到缝纫夹芯复合材料板一般较厚且面板与芯层厚度相差较大, 缝纫工艺对夹芯板刚度影响较大的特点, 基于高阶剪切理论, 编制了缝纫泡沫夹芯复合材料板稳定性分析的有限元程序。利用该程序对多个算例进行了计算, 所得临界屈曲应力与文献及试验结果吻合很好。同时, 讨论了不同边界条件下缝纫泡沫夹芯复合材料板稳定性随缝纫参数(包括针距、 行距和缝纫针半径)以及结构参数(包括面板铺层角、 芯层厚度和缝纫夹芯板边长)的变化规律。