FBG监测层合板低速冲击损伤研究

玻璃纤维复合材料在外界冲击载荷下发生分层损伤,对后续结构的安全使用造成影响。通过布拉格光栅传感器(FBG)对真空辅助成型的层合板在低速冲击载荷下的响应情况进行了监测,分析了不同厚度方向上层合板应变变化,并与层合板的损伤情况进行了对比。结果表明,波长的变化可以有效反映层合板的应变情况,波长差值可以反映层合板内部的损伤情况;FBG在多次冲击后仍具有良好的监测性能,可用于层合板的长期在线监测,为FBG监测层合板低速冲击损伤提供了依据。     

CFRP层合板冲击后剩余强度及黏弹性能研究

通过对制备的环氧基碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板进行低速冲击剩余压缩强度试验研究，分析了CFRP层合板的冲击后剩余性能，然后观察CFRP层合板的冲击凹坑回弹现象，分析CFRP层合板的黏弹性能，深入分析冲击过程中能量的吸收与转化。结果表明：当冲击能量越来越大时，CFRP层合板的损伤越来越严重，其剩余压缩强度越来越低；从凹坑边缘到凹坑中心处，CFRP层合板的应变能密度逐渐增大；凹坑回弹部位位于凹坑中心区域附近，呈现局部突起状，最终凹坑剖面近似于不规则“W”形。     

CFRP层合板冲击后压缩失效分析数值模拟

复合材料层合板的损伤容限是复合材料结构设计的关键因素。针对碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板低速冲击损伤和压缩破坏问题,本文基于连续损伤力学和粘结单元模型,在ABAQUS中对两种不同冲击能量下的层合板进行了低速冲击和冲击后压缩仿真分析,并对层内和层间损伤进行了研究,分析了层合板的冲击损伤与压缩失效行为,通过与试验结果进行对比,验证了该模型的有效性。研究结果表明:冲击损伤对层合板的剩余压缩强度有着重要影响,试件的破坏开始于冲击损伤区域,并逐渐扩展到层合板的边缘,压缩力快速下降,层合板最终失效。     

氧化石墨烯改性碳纤维复合材料抗冲击行为研究

使用单层纳米氧化石墨烯（NGO）粒子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工艺制备了[±45/0/90]_2S铺层角度下的纯树脂及单层NGO改性碳纤维复合材料（CFRP）层合板。通过落锤冲击试验、超声C扫描检测、冲击后压缩试验等对纯树脂及单层NGO改性CFRP进行实验研究。结果表明，纯树脂及单层NGO改性CFRP在损伤阻抗及损伤容限实验中均存在拐点现象，且拐点出现在相同深度位置，其中纯树脂CFRP拐点位置为0.51 mm，单层NGO改性CFRP拐点位置为0.43 mm；相对于纯树脂CFRP，单层NGO改性CFRP可以显著提高复合材料的抗冲击性能及冲击后的压缩性能；通过对冲击后凹坑深度及凹坑面积进行数据模拟，可以用拟合公式实现对复合材料的损伤预测。     

石墨烯增强碳纤维复合材料抗冲击性能分析

目前碳纤维复合材料存在脆性大、横向耐冲力差等问题。为了提高碳纤维复合材料的抗冲击性能，文章基于显示动力学下冲击载荷模拟的方法，以单层石墨烯和碳纤维复合材料层合板为研究对象建立冲击模型，对比分析不同石墨烯含量碳纤维板受冲击时表面应力、位移与吸能、损伤与破坏情况。结果表明：添加石墨烯提高了材料的填充率，使材料面密度增大；相同冲击载荷下，加入0.3%石墨烯的碳纤维增强复合材料（CFRP）层合板较传统CFRP位移减小10.2%，最大应力减少18.5%。且加入单层石墨烯含量越高，复合材料界面作用力越强，能够有效减小损伤破坏。     

基于光纤布拉格光栅的复合材料振动性能研究与损伤监测

采用光纤布拉格光栅(FBG)对碳纤维增强复合材料(CFRP)的振动性能和损伤类型进行研究。采用落球击打碳纤维增强复合材料悬臂梁自由端,使复合材料悬臂梁产生谐振。通过测量复合材料悬臂梁的谐振频率,计算其阻尼损耗因子,得到无损伤碳纤维复合材料的振动性能。在此基础上,对碳纤维增强复合材料人为引入损伤,利用FBG测量其损伤状态下的谐振频率,依据谐振频率分析判断损伤类型。研究结果可对碳纤维增强复合材料的振动性能研究和损伤监测提供参考。     

湿热环境对碳纤维/环氧复合材料的冲击破坏特性影响

为了研究湿热环境对碳纤维/环氧树脂(CFRP)复合材料抗冲击性能的影响,对碳纤维/环氧复合材料层合板进行70℃水浴处理,采用锥头圆柱形弹体对湿热饱和试样和干燥室温试样进行速度分别为45 m/s、68 m/s、86 m/s的冲击,采用激光测速仪测量冲击前后的速度,然后采用超声C扫描检测系统、超景深三维显微系统、扫描电镜(SEM)等方法对试样的冲击破坏进行检测。实验结果表明:随着冲击速度的增加,试样的破坏投影面积增加;在速度较低时,湿热环境对碳纤维/环氧树脂层合板的损伤孔洞面积影响更大;湿热处理之后的碳纤维/环氧树脂层合板层间性能明显降低。     

碳纤维复合材料的电阻-应变传感特性研究

在研究碳纤维复合材料(CFRP)的电阻-应变变化规律的基础上,本文分析了碳纤维织物形式、电极种类对电阻变化的影响.并对单向碳纤维布复合材料的导电模型进行了推导.结果表明,单向碳纤维布复合材料电阻变化具有较好的应变相关性,可作为应变传感器使用,达到预警及智能监测的效果.     

干燥温度对CFRP力学性能的影响及作用机理

采用2种环境温度(70、85℃)对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板进行干燥处理,并对CFRP层合板分别进行拉伸、压缩和剪切实验,研究了中温干燥条件对CFRP层合板力学性能的影响,通过扫描电子显微镜和红外光谱,分析了中温干燥环境对CFRP层板的影响机理;通过最小二乘法拟合方法,提出了干燥环境下CFRP层合板力学性能的预测公式。研究结果表明:与未经干燥的试样相比,经中温干燥环境处理的CFRP层板的90°拉伸强度增加24. 99%,±45°剪切强度下降12. 92%;中温干燥环境对CFRP层合板力学性能的影响是由后固化作用和复合材料内部的热应力共同决定的,在中温干燥环境下,CFRP层合板未发生化学结构变化,CFRP层合板中的环氧基发生了进一步交联,环氧基树脂被后固化增强;拟合建立的不同干燥条件下的力学性能预测公式与实验结果基本一致。     

基于光纤光栅的碳纤维复合材料高温振动性能的研究

采用光纤布拉格光栅(FBG)作为动应变传感器,基于实验应变模态测试方法,研究了碳纤维复合材料(CFRP)板从室温(25℃)到190℃范围内的振动特性。运用有限元法分析了室温下CFRP悬臂梁的一、二阶振动频率和振型;采用脉冲锤敲击对CFRP悬臂梁在不同温度下进行了弯曲振动测试,并通过快速傅里叶变换(FFT)得到碳纤维板在每个温度下的一、二阶固有频率。结果表明:随着温度的升高,碳纤维复合材料板的一、二阶频率下降,表明其刚度下降,并较未加热之前发生了永久变化。     

非对称夹芯结构低速冲击响应

为研究非对称夹芯结构的低速冲击响应，以环氧树脂/碳纤维复合材料层合板为面板，以Nomex蜂窝为芯材制备蜂窝夹芯板，通过落锤冲击试验研究了不同上下面板厚度比对夹芯结构抗低速冲击性能的影响。同时，基于Hashin失效准则、渐进损伤模型、内聚力模型、理想弹塑性模型，在有限元仿真软件ABAQUS中建立了碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)面板/Nomex蜂窝夹芯板精细化低速冲击仿真模型，仿真结果与试验结果吻合较好。结果表明，当上下面板总厚度不变时，增大上下面板的厚度比，有助于提高夹芯结构的抗低速冲击性能，且建立的有限元模型可以有效地预测蜂窝夹芯板的低速冲击响应和冲击损伤。通过提出的仿真模型，观察并讨论了低速冲击响应下的结构内部损伤及演化过程。     

电热耦合作用对含预置损伤CFRP层合板剩余强度的影响

基于实验室自制电热耦合测试平台,获得含预置分层与预置纤维断裂碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板的表面电热温度场分布,并对不同电热耦合作用后的复合材料层合板试样进行了弯曲性能测试,结合失效模式分析,探究了电热耦合作用对含预置损伤CFRP层合板剩余强度的影响及作用机制。研究结果表明：不同的损伤形式对电热响应温度场存在明显影响;相比于完好试样,分层试样与纤维断裂试样的弯曲性能和树脂基体的性能更为相关,电热耦合作用导致的后固化效应对两类预置损伤试样的性能提升效果更为明显,缓解了由预置损伤导致的性能劣化。     

基于协同优化的CFRP层合板设计

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板是碳纤维复合材料产品设计过程中常用的一种结构形式,其弹性性质很大程度依赖于铺层方式和芯材厚度。基于经典层合板理论,提出了多层次协同优化的方法,利用Matlab数学软件寻优求解和Abaqus有限元软件模拟仿真的方法对层合板进行优化设计,最后通过物理实验对层合板优化结果进行分析验证。结果表明,增加铝蜂窝夹芯厚度可以大幅提升层合板弯曲刚度,有效减少碳纤维层的铺层数,降低制造成本;将0°层尽可能置于远离中面的位置可在不改变层合板质量的同时有效提升层合板弯曲刚度,使材料利用率达到最大化。     

预埋FBG传感器的CFRP螺旋桨成型工艺研究

设计了一种预埋FBG传感器的分体式金属预埋件桨叶结构的CFRP螺旋桨,该结构桨叶为金属预埋件和碳纤维材料复合而成,相较于纯复合材料螺旋桨叶片,其根部强度更高,后续对该CFRP螺旋桨制作时容易铺放碳纤维预浸布。使用ANSYS ICEM软件和3D打印技术得到11个不同铺层厚度的桨叶三维实体模型,并由此得到不同碳纤维铺层的铺层模板,其形状尺寸与理论设计的更为接近。采用模压成型工艺完成预埋FBG传感器的制备,并对预埋的FBG传感器损坏的原因进行分析,可知使用模压成型工艺制备复合材料结构件,需要采用开槽方式对光纤进行引出、保护,同时对于光纤可能受弯或受较大剪切力的地方,增大其倒角或圆角,防止光纤损坏。     

基于FBG传感技术的复合材料T型加筋板低速冲击在线监测研究

将布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating,简称"FBG")埋植在复合材料加筋板结构三角填充区,在线监测复合材料加筋板冲击过程及压缩过程的应变信号。研究了冲击点位置、冲击能量对FBG传感器应变监测性能的影响,分析了FBG传感器对复合材料T型加筋板冲击及压缩过程监测的精确性。结果表明:在相同冲击能量条件下,随着冲击点位置与FBG传感器距离的增加,FBG传感器测得的复合材料T型加筋板应变值呈下降趋势;当复合材料T型加筋板出现较为明显的损伤时,FBG传感器未发生断裂失效。将FBG传感器埋植于加筋板的三角填充区内,在压缩过程中,FBG传感器反射波谱保持单个波峰且形状未发生变化,初步实现了对复合材料T型加筋板冲击及冲击后压缩过程应变信号的在线监测。     

复合材料层合板冲击损伤剩余强度分析

民用飞机复合材料结构设计时必须考虑复合材料层合板的冲击损伤。通过试验测量和数值模拟两种方法分析碳纤维增强复合材料层合板低速冲击损伤后的剩余压缩强度,试验采用标准试验规范进行测量,数值模拟分析采用层内渐进损伤模型和层间Cohesive模型模拟分析层合板冲击损伤以及剩余压缩强度。数值模拟与试验结果对比表明,该数值模拟分析方法的有效性,为民用飞机复合材料结构设计时预测和计算复合材料层合板的剩余强度提供方法。     

CFRP层合板力学性能影响因素研究

碳纤维增强复合材料是一种轻量化材料,在汽车工业具有广泛的应用前景。CFRP层合板作为碳纤维增强复合材料的一种常用形式,其力学性能与铺层设计息息相关。采用有限元仿真与物理实验相结合的方法,研究了碳纤维蒙皮与芯材对CFRP层合板力学性能的影响规律。结果表明,有限元仿真与三点弯曲实验结果吻合度较高;蒙皮对层合板性能的影响主要表现为:增加蒙皮厚度可减小层合板受载时的变形量,采用非对称铺层方式可提升层合板的承载能力;芯材对层合板性能的影响主要表现为,选用竖直方向上压缩强度高的铝蜂窝,并在一定范围内增加芯材厚度,可提高层合板的刚度。     

碳纤维树脂基复合板料的铺层方式对低速冲击性能的影响

为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)板铺层方式对低速冲击性能的影响,设计了一系列CFRP板的冲击试验。对CFRP板的铺层方式、冲击能量的形式进行调节和改变,获取CFRP板在各种条件下的低速冲击行为;再通过冲击实验和超声波扫描的方法研究冲击过程中CFRP板的铺层方式和冲头质量对碳纤维树脂基复合材料板冲击性能的影响。结果表明,在15 J的低能量作用下冲击CFRP板时,冲头的质量越大,该板对能量的吸收率越大,损伤面积也越大;相同能量和相同冲头质量的冲击情况下,铺层方式为[0°/45°/90°/-45°]_2的抗冲击性能最好。CFRP板的冲击载荷、能量吸收和损伤形态与冲击能量的大小以及冲头动量密切相关。     

含预置分层复合材料层合板低速冲击损伤分析

以T300/QY8911碳纤维复合材料层合板为研究对象，利用三维Hashin失效准则对层内损伤进行预测，引入Cohesive界面单元模拟层间分层破坏，使用Camanho刚度退化准则确定材料参数退化方案，并编写了用户材料子程序Vumat，利用ABAQUS软件对预置不同分层损伤复合材料层合板低速冲击过程进行了数值仿真模拟。在冲击载荷作用下研究层合板的动力学响应，得到不同预置分层对层合板总分层损伤面积的影响，同时分析了冲击过程中冲击点位移随时间变化的规律。结果表明：预置分层位置离层合板中间层越远，层合板抵抗冲击承载能力越弱。预置分层的分层数目越多，层合板的刚度越低，层合板抵抗冲击承载能力越弱。在预置分层的两侧，层间分层损伤面积呈塔状分布。含预置分层层合板受到冲击时，预置分层对分层损伤的扩展具有一定的抑制作用。     

复合材料层合板裂纹诊断的实验研究

裂纹是复合材料层合板的主要损伤类型之一,也是造成复合材料层合板失效的主要原因。复合材料层合板发生裂纹损伤时,其内部能量结构发生变化,这些变化对外可表现为动态特性发生显著变化。因此,分别研究层合板在健康状态下和裂纹损伤状态下的动态特性,就可以分析建立裂纹损伤的诊断知识规则。