不同铺层方式的复合材料层合板弯曲性能的研究

以碳纤维缠绕电动节能车车架为研究对象,采用有限元分析和力学试验对比的方式研究碳纤维铺层角及铺层层数对碳纤维复合材料层合板弯曲性能的影响。以层合板铺层角度、铺层层数为变量设置试验对比组,在ANSYS Composite Prep/Post复合材料分析模块中创建层合板的有限元模型研究层合板在承受弯曲载荷时的抗弯表现。结合弯曲试验结果,分析不同铺层方式对碳纤维复合材料层合板弯曲性能的影响。结果表明:在铺设一定数量的±45°铺层的基础上,增加0°/90°正交铺层可提高层合板的静承载强度;增加铺层层数,可提高层合板的弯曲强度。     

碳纤维层压板复合材料拉伸性能的有限元分析

利用有限元软件Abaqus分别对[0°]8和[0°/45°/90°/-45°]S两种铺层结构的碳纤维层压板复合材料建模,模拟得到层压板拉伸时的应力-应变曲线,并与试验结果进行了比较;同时,基于Cohesive界面单元模拟了层压板在拉伸载荷作用下的层间力学性能及失效模式。结果表明:模拟得到的应力-应变曲线与试样结果具有较好的一致性;[0°/45°/90°/-45°]S结构层压板因纤维铺层方向的差异而具有明显的界面破坏现象,而[0°]8结构层压板的分层现象不明显。     

碳纤维复合材料汽车引擎盖的设计

树脂基碳纤维复合材料具有比强度和比刚度高、密度小、耐高温、耐腐蚀等优良性能.将其应用于汽车引擎盖,在保证刚度等力学性能要求的前提下,能够有效地减轻重量,实现汽车轻量化的目的.文中选择了合适的铺层顺序和铺层角度[90°/45°/0°/-45°/90°],优化了铺层方案,满足了汽车引擎盖的性能要求.从结构方面对碳纤维复合材料汽车引擎盖进行分析,指出其优势和不足,对包括引擎盖在内的汽车覆盖件的设计具有积极的参考意义.     

复合材料铺层方向对扑翼动力与静力性能的影响

利用Solid Works Simulation和ANSYS APDL对同一实例进行模态分析,验证了ANSYS的准确性和可靠性。在ANSYS中建立了仿生扑翼复合材料模型,分别进行模态和静力分析,探索复合材料不同铺层角度(0°,90°,45°和-45°)对仿生扑翼模型前三阶自然频率和最大应力的影响。在单、双层板中不同铺层角的组合中,得出了前三阶自然频率各自对应的最大和最小固有频率值。在单层板的四个铺层角度中,90°时可得到最小的等效应力和最小的结构变形,最大应力区域集中于前缘梁中部,因此拥有最好的结构性能,为复合材料机翼的优化提供了方法和依据。     

纤维增强复合材料低压涡轮轴强度分析设计

研究连续纤维增强复合材料低压涡轮轴结构在扭转载荷作用下的静强度分析设计问题。以Ti-6-4/SC6为有限元模型结构材料,以复合材料层合板理论为基本力学理论基础,以蔡-吴强度失效准则为判定依据。对不同复合材料轴结构进行强度分析及失效判定。以某型航空发动机低压涡轮轴为基础模型进行有限元建模。通过"复材轴"和"分段轴"两种复合材料轴结构模型对复合材料铺层、铺角对轴结构力学性能及强度影响规律进行研究。以"复材轴"模型结构研究±45°与+45°两种普遍铺层方案的优劣,在研究"复材轴"铺层方案的基础上,以±45°铺层方案研究"复材轴"和"分段轴"及传统钛合金轴静强度性能对比。最后从工程实际角度针对"分段轴"给出提高强度的两种措施。     

铺层参数对碳纤维复合材料板的隔振性能影响研究

碳纤维复合材料铺层参数对其振动特性影响很大。以碳纤维复合材料板为研究对象,从理论上分析了碳纤维复合材料板在自由振动下的模态特性,并运用有限元模型分析了铺层参数(铺层角度,铺层厚度,铺层顺序)对碳纤维复合材料板隔振性能影响特点。结果表明,在单一铺层中,±45°的铺层隔振性能更好;铺层厚度对碳纤维复合材料板隔振性能影响不大;与循环铺层方式相比,对称铺层方式更有利于提升碳纤维复合材料板的隔振性能。     

预制体结构对C/C复合材料力学性能、断裂行为以及热物性能的影响

采用电耦合化学气相渗(Electric-coupling chemical vapor infiltration,E-CVI)工艺制备了C/C复合材料,系统研究了增强体类型、铺层方向对C/C复合材料力学性能、断裂行为和热物理性能的影响。结果表明,以碳毡作为增强体的C/C复合材料具有最差的力学性能;无纬布C/C和斜纹布C/C随着铺层秩序从0°/0°、0°/90°变化到0°/45°,其拉伸强度、弯曲强度和模量依次降低。在拉伸载荷下,0°/0°无纬布C/C的断裂行为主要表现为0°纤维束的拔出和断裂;0°/90°无纬布C/C表现为90°纤维层的界面脱粘和基体开裂,以及0°纤维束的拔出与断裂;0°/45°无纬布C/C表现为纤维与基体沿着±45°和90°纤维层的界面脱粘与基体开裂,以及±45°和0°纤维束的拔出。纤维预制体对C/C复合材料力学性能的影响主要取决于加载方向的纤维含量和取向、孔隙分布以及纤维束之间的界面结合。对于热物理性能,0°/90°无纬布C/C具有最小的热膨胀系数,碳毡C/C最大;0°/45°无纬布C/C具有最高的热导率,碳毡C/C最小;0°/90°无纬布C/C具有最大的TSR值。纤维预制体对C/C复合材料热物理性能的影响主要依赖于测量方向上纤维含量和取向,以及热解炭片层的取向。     

基于ANSYS的碳纤维复合材料传动轴失效分析

为了研究铺层角度、厚度以及顺序对碳纤维复合材料失效模式的影响规律,本论文运用有限元软件ANSYS模拟复合材料在不同铺层方案下的失效模式。研究发现铺层角度和铺层顺序均对复合材料的失效具有较大的影响。在铺层角度为60°—70°之间出现应力最小值,其失效可能性比较低;在铺层顺序上,采用45°在复合材料底层比其他方案更减少其失效性。将运用此有限元方法能更有效,更直观的分析碳纤维复合材料的失效模式,并能给某型号风机传动轴铺层方案提供参考价值,从而提高传动轴的使用寿命。     

一种机翼前缘抗鸟撞结构设计与分析

针对某型民机机冀前缘抗鸟撞设计,提出一种内嵌铝合金科支板的抗鸟撞结构.采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,在不同鸟撞速度下,分析了斜支板角度、蒙皮与支板的连接方式对机翼前缘抗鸟撞性能的影响.分析结果表明:在不显著增加结构重量的情况下,采用30°单斜板结构可有效提高机翼前缘抗鸟撞特性.     

大型望远镜主镜室碳纤维桁架单元的优化

为适应光学红外望远镜口径不断增大的需求,降低驱动功率,应用碳纤维复合材料对望远镜主镜室桁架进行轻量化设计。对望远镜主镜室碳纤维复合材料桁架单元铺层进行优化设计,利用进化算法选取最优铺层方案。对望远镜主镜室桁架单元建模,并利用敏感性分析及进化算法选取最佳铺层方案,设计另外3种典型铺层方案进行对比,对桁架杆单元进行静力学分析和加载实验,对桁架杆组装成的六杆三棱锥单元进行模态分析和振动测试。有限元分析和实验结果对比表明:最优铺层方案为[±45°/90°/0°/90°/0°]s。有限元分析得到该方案桁架杆单元的等效轴向刚度为8.306×106N/m,实验测得为7.463×106N/m;有限元分析得到的等效径向刚度为3 968.3 N/m,实验测得为3 344.5 N/m。该方案六杆三棱锥单元模态分析得到一阶频率为93.699 Hz,振动测试测得一阶频率为84.683 Hz。复合材料桁架杆质量比同尺寸的钢结构杆减轻了77.6%,静力学性能与动力学性能均优于同质量钢杆。最佳铺层方案的有限元分析结果和实验结果表明其静力学性能及动力学性能均优于其他方案。     

风力机叶片铺层参数多目标优化设计

叶片铺层设计为一个多参数、多目标的复杂耦合作用过程,其性能主要取决于铺层参数。通过推导正轴刚度不变量和弯扭刚度矩阵间的关系,构建层合板刚度等效模型与铺层顺序表征参数之间的数学关系,实现铺层顺序的量化;应用均匀试验设计、有限元分析和和多元非线性回归法,构建铺层参数和叶片性能间的耦合数学模型,分析单参数和两两参数对叶片刚强度的影响;为实现叶片刚强度的多目标优化,应用层次分析法计算各目标函数权重,建立叶片多目标优化数学模型;基于模拟退火算法进行求解,得到叶片综合性能最优的铺层参数组合为铺层角度45°、±x°铺层厚度比例为58%、铺层顺序为[±x°/0°/90°/±x°]TN。结果表明优化后叶片的最大位移和Tsai-wu失效因子分别降低了2.79%和5.87%,性能得以提高,验证所提出多目标优化方法的有效性和可行性。     

受力状态下的复合材料传动轴变形分析

以受力条件下复合材料传动轴变形为研究对象。首先,采用理论分析和有限元建模两种方法对复合材料传动轴单向受力变形规律进行了计算和比较。然后,采用有限元方法对复合材料传动轴在多重受力情况下不同材料对称铺层模式下不同铺层角的变形规律进行了求解。单向受力分析结果表明,对称铺层角为45°时有利于提高抗扭刚度,对称铺层角为0°时有利于提高复合材料轴的抗弯及轴压刚度。多重受力结果表明,对称铺层角在(0～19)°区间变形主要受扭矩影响,对称铺层角在(19～90)°区间变形主要受弯矩影响,此外还受选用的复合材料的影响。     

含双向布复合材料开孔薄板拉伸性能研究

对含有双向布的三种不同铺层厚度的中心开孔复合材料薄板拉伸性能进行研究,分别得到三种复合材料带孔板的孔边应变分布规律以及试件的损伤演化和失效行为,并得到其断裂强度值。试验结果表明,试件的铺层对试件的刚度和强度影响较大,相对于[45/0/45]的铺层,[45/(0)/0/(0)/45]增加了两个0°单向布层,其刚度及强度得到大幅改善;[45/90/0/0/0/90]s增加了多个0°双向布层,使得其刚度最大,强度也有明显提升。用Abaqus软件对三种薄板的拉伸行为进行渐进损伤模拟分析,分析中采用Hashin准则作为材料的失效准则获得薄板的断裂载荷、应力分布及渐进损伤失效过程,得到的模拟结果与试验结果吻合较好。     

某型民机复合材料机翼下壁板开口补强及优化研究

根据机翼结构设计要求,下壁板的层合板上开口是不可避免的。主要对民用飞机的机翼蒙皮下壁板开口补强结构进行分析,利用有限元分析软件MSC.PatranNastran建立二维复合材料有限元模型,模型采用壳单元。通过计算分析,对比了未补强壁板、补片补强和加强筋补强三种不同的方案情况下,机翼蒙皮下壁板在外载荷下的位移以及应力变化,及不同角度铺层的各层应力变化,研究了补强方式及铺层角度对机翼下壁板应力分布的影响。结果表明加强筋补强能较好减小位移和最大应力,避免应力集中;在采用加强筋补强方案时,-45°的铺层方向上应力最大;在设计机翼下壁板开口补强方案时应尽量选用加强筋补强,并尽量减少-45°方向的铺层。     

铺层角度对复合材料C型柱轴向压溃吸能特性影响分析

针对3组不同铺层角度的复合材料T700/MTM28 C型柱试件,进行轴向压溃试验获得其载荷-位移曲线。基于初始峰值载荷、平均压溃载荷、比吸能及载荷效率,研究铺层角度对其压溃变形模式及吸能特性的影响。结果表明:C型柱试件发生渐进式压溃破坏,呈现层间开裂、弯曲折断、局部屈曲以及剪切破坏等多种宏观失效方式。[0/90]_(3s)铺层试件的吸能量最高,[45/90/-45/0]_3铺层试件的吸能量次之,[45/-45]_(3s)铺层试件的吸能量最低,通过合理设计铺层,在±45°铺层中加入0°与90°铺层能够有效提升吸能特性。     

泡沫夹层复合材料与复合材料层合板低速冲击性能的比较

采用[0°]8,[0°,90°]2s方式铺成的碳纤维增强环氧树脂预浸料作为泡沫夹层复合材料的面板,PMI(聚甲基丙烯酰亚胺)泡沫作为芯材,制得泡沫夹层复合材料(12mm厚);采用相同预浸料和[0°]16,[0°,90°]4s的铺层方式制备了复合材料层合板(2mm厚),对比研究了两种复合材料的低速冲击性能。结果表明:无论是泡沫夹层复合材料还是复合材料层合板,正交铺层结构比单向铺层结构的冲击载荷峰值高,冲击损伤程度小,抗冲击能力好;在两种铺层方式下,泡沫夹层复合材料的抗冲击能力明显优于复合材料层合板的。     

层间短纤维增韧复合材料层板横向裂纹扩展的试验研究

对于Zylon短纤维层间增韧层板和普通碳纤维树脂复合材料层板,利用自制小型弯曲试验器和90o铺层缺口试件进行四点弯曲和三点弯曲试验,研究和比较两种层板中基体横向裂纹的发生与扩展规律。结果表明,两种层板基体横向开裂应力基本相同,而裂纹扩展有明显差别。普通层板基体裂纹贯穿90o铺层、不稳定扩展,平均速度约为17.7m/s;而层间增韧层板发生短纤维桥联,使基体横向裂纹的不稳定扩展停止,因而层间短纤维可显著提高基体横向裂纹扩展阻力。试验应用表明,小型弯曲试验器是有效的,尤其便于在光学显微镜下进行实时细观观测。     

基于非线性接触的修理后层合板鸟撞损伤特性研究

基于有限元方法,利用商用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran,研究修理后层合板鸟撞问题。冲击后的复合材料层合板模型采用阶梯式挖补修理的方式进行修理,通过改变挖补修理的方式,如改变铺层顺序及阶梯数,研究修理后的模型受到冲击的损伤区域及损伤应力规律。     

纤维增强复合材料离心风机叶轮强度分析与对比

针对钢制、玻璃纤维、碳纤维等不同材料和铺层的离心风机叶轮,使用有限元方法对离心叶轮进行强度和固有频率计算分析,钢制叶轮采用Von-Mises等效应力作为失效判定,复合材料叶轮失效判定采用Tasi-Wu失效准则,并计算安全裕度。结果表明,叶轮材料对强度和固有频率存在较大影响,碳纤维离心叶轮相对于钢制和玻璃纤维离心叶轮在强度方面具有明显优势,且有足够的安全裕度,对离心叶轮的轻量化和提高风机性能具重要意义;铺层角度对复合材料叶轮强度影响较大,而对固有频率影响较小,最优方案为采用[60°/0°/-60°]铺层角度。     

复合材料层合板低速冲击后压缩破坏的数值模拟

采用软化夹杂法来模拟低速冲击后层合板的压缩破坏。笔者用ABAQUS软件建立冲击损伤的有限元模型,模型将损伤区等效成一个圆形的软化夹杂,研究了不同的损伤深度对冲击后剩余压缩强度的影响;分析了层合板在压缩过程中,各单层的载荷分配情况;并且模拟了复合材料层合板从损伤开始到完全失去承载能力的压缩破坏全过程。计算结果表明:复合材料层合板冲击后的压缩破坏,损伤最早发生在冲击损伤区周围的±45°铺层,主要发生基体压缩损伤;在压缩载荷下,0°铺层主要的损伤形式是纤维的屈曲;90°铺层发生的主要损伤形式也是基体压缩损伤,但损伤的面积较小。