复合材料褶皱夹芯结构的制备及压缩性能研究

目的 探究复合材料褶皱芯子的一次性成型工艺,并研究浸胶量对褶皱夹芯结构压缩性能的影响。方法 以V型褶皱夹芯结构为研究对象,首先采用真空吸附成型工艺制备V型复合材料褶皱芯子,然后通过黏接工艺将碳纤维复合材料层合板与褶皱芯子进行复合,得到复合材料褶皱夹芯结构,最后通过实验测试,研究该结构在压缩载荷作用下的力学性能和失效模式,以及不同浸胶量对其压缩性能的影响。结果 采用真空吸附成型工艺能够一次性制备出褶皱芯子,其成型精度有待提高;由压缩实验可知,褶皱夹芯结构先从壁面开始失效,后逐步扩散至棱线处,最终导致芯子的整体失效;由压缩实验测试结果可知,浸胶量(质量分数)为11%、17%、22%的褶皱夹芯结构的破坏载荷分别为362.853、420.521、471.389 N。结论 采用真空吸附成型工艺可一次性成型出褶皱芯子,其制备效率较高,但存在成型尺寸精度不高问题,后续需要进一步改进;在一定范围内,复合材料褶皱夹芯结构的压缩破坏载荷与芯子的浸胶量近似成正比例线性关系。     

复合材料褶皱夹芯结构研究进展

复合材料褶皱夹芯结构是通过二维材料折叠而成的三维周期性空间结构,作为一种新型的夹芯结构,具有轻质、高比强度、高比刚度、芯子空间贯通及多功能潜力等优势。本文结合飞行器结构轻量化和多功能化要求,对近年来复合材料褶皱夹芯结构的主要研究成果与特点进行了总结和分析。阐述了复合材料褶皱夹芯结构的构型优化方案及制备工艺,重点归纳了复合材料褶皱夹芯结构的力学性能及多功能的研究现状,包括结构的准静态力学性能、抗冲击性能及隔声、热防护、隐身性能等。基于国内外研究现状,对未来复合材料褶皱夹芯结构的重点研究方向进行了展望。      

碳纤维增强金字塔点阵夹芯结构的抗压缩性能

提出了一种碳纤维增强复合材料点阵夹芯结构的一体化成型工艺方法。该方法克服了传统夹芯结构面板与芯子之间因需要二次粘接或焊接的方法所带来弱界面的缺点。将纤维杆两端埋入面板内,使面板与芯子成为一体而不存在明显的界面。对用该方法制备的碳纤维增强金字塔点阵夹芯板进行平压试验,研究发现随着载荷的增加,纤维杆发生弹性屈曲并在中间部位出现断裂。理论分析了点阵夹芯结构平压载荷下的弹性模量和纤维杆极限屈曲载荷。通过与传统夹芯材料相比较发现,这种新型复合材料点阵夹芯结构具有密度低、比强度和比刚度高等优点。      

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。     

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。      

Z向点阵增强泡沫夹芯复合材料平压性能

设计了一种新型Z向点阵增强泡沫夹芯复合材料,以复合材料柱作为Z向点阵增强材料,并对不同分布密度Z向点阵增强材料的泡沫夹芯复合材料试验件进行了平压试验,探究了其平压力学性能和破坏方式。研究结果表明,当点阵间距为30 mm时,试样密度增加了2.8%,压缩强度和压缩模量分别提高了6.2倍和7.4倍。基于ABAQUS有限元软件建立了Z向点阵增强泡沫夹芯复合材料平压试验仿真模型,对其平压力学性能和破坏模式进行了模拟与分析。试验件平压强度有限元计算结果与试验结果偏差为10%左右,破坏方式与试验基本相同,验证了有限元模型的合理性和可靠性。     

复合材料夹芯梁屈曲破坏模式及极限承载

为研究复合材料夹芯梁在轴压作用下的屈曲、后屈曲特性及承载能力,进行了试验研究与有限元仿真。首先,开展了系列复合材料夹芯梁屈曲特性试验,研究了铺层比例、梁长度、表层厚度及芯层厚度等因素对其屈曲、后屈曲破坏模式及极限承载的影响;然后,基于非线性屈曲理论,采用三维内聚力界面单元模拟面芯脱粘,并引入初始预变形及材料损伤准则对复合材料夹芯梁在轴压下的屈曲特性及极限承载进行仿真研究。结果显示:界面脱粘是屈曲破坏的重要模式;仿真计算的极限承载与试验结果相比,误差控制在10%以内。所得结论表明该方法可有效预报复合材料夹芯梁的后屈曲路径、破坏模式及极限承载。      

十字嵌锁型格栅夹芯结构设计及低速冲击性能

针对传统复合材料格栅夹芯结构极限承载能力较低、单胞封闭易造成水汽凝结的问题,在分析管胞微观结构和功能性的基础上,提出一种新型十字嵌锁型格栅夹芯结构。首先选取最小体积(最小质量)和最小变形(最大刚度)为优化目标,利用第二代非支配遗传算法(NSGA-Ⅱ)完成多目标优化,采用三维Hashin失效准则和改进的刚度退化方法建立格栅夹芯板的冲击渐进损伤有限元分析模型,研究多种低速冲击载荷对不同相对密度夹芯结构的不同位置的破坏机制及力学响应。结果表明：新型格栅夹芯结构表现出良好的低速冲击阻抗,其随芯子的空间分布存在差异,格栅间隙处的抗冲击性能较弱,芯子密度的提高不能有效增强该位置处的冲击强度,夹芯结构所受到的破坏远远大于冲击器撞击格栅交点处的情况;受不同冲击位置和冲击速度的影响,载荷-时间和位移-时间曲线呈现出不同的典型模式,芯子出现屈曲、分层、粘接剥离、折弯变形等失效形式,复合材料上面板发生混合损伤,随着冲击速度的增加,芯子和面板的损伤程度也愈严重。     

V型折叠式夹层板横向压皱吸能特性研究

金属夹层板具有优越的力学性能,良好的吸能特性可用于船舶耐撞、抗爆防护结构设计。以V型折叠式夹芯结构为研究对象,通过试验分析夹芯层结构变形模式、压皱力历程曲线等,得到了夹芯层结构横向压皱力学性能,采用有限元软件Abaqus对其在横向受压时的力学行为进行数值仿真分析,分析结构压皱动态渐进屈曲过程、变形模式、吸能效率、平均压皱强度等。对比分析表明,V型夹芯层结构在横向压皱载荷下发生屈曲、褶皱变形模式,变形模式决定了压皱力学行为及其性能,其中单元变形模式I的吸能效率较高。采用合理的模型化技术得到的有限元计算结果与试验结果两者吻合较好,验证了有限元数值仿真的计算精度。     

波纹腹板增强泡沫夹芯复合材料结构准静态压缩吸能特性

随着车船运输量与日俱增,由此引发的车船撞击结构物的事故频发,造成严重的生命财产损失与结构破坏,亟需为桥梁等结构物设置防护吸能装置。该文提出了一种新型波纹腹板增强泡沫夹芯复合材料吸能结构。该复合结构以聚氨酯泡沫为芯材,玻璃纤维增强复合材料(Glass fiber reinforced polymer,简称GFRP)为面板,在波纹型泡沫的间隙铺设双轴向玻璃纤维布,利用真空导入工艺成型。通过波纹腹板增强泡沫夹芯复合材料结构的准静态压缩试验,研究了波纹腹板与面板壁厚以及波长对夹芯结构破坏模式、承载能力以及吸能特性的影响。试验结果表明：腹板壁厚较大、波长较短的试件吸能效果最优。此外,对试验工况进行了有限元数值模拟,分析了腹板壁厚与泡沫密度因素对试件承载力的影响,为其在防撞领域的应用提供一定依据。     

苎麻纤维布和玻璃纤维布混杂铺层复合材料的力学性能

利用真空吸注成型(vacuum resin absorbable molding,VRAM)工艺制备苎麻纤维布与玻璃纤维布混杂铺层的环氧树脂基复合材料。测定复合材料的损耗因子、储能模量的温度谱和力学性能;利用单悬臂梁共振实验测量复合材料的共振频率和自由振动衰减曲线并计算出了阻尼因子。用有限元软件对其共振频率和自由振动衰减实验进行仿真分析。结果表明:通过苎麻纤维布/玻璃纤维布的混杂铺层,能够实现材料阻尼性能和力学性能的可控调节,充分发挥复合材料可设计性强的优势。其中RGR铺层的复合材料的损耗因子比纯玻璃纤维板提高了1.4倍,而拉伸强度比纯苎麻纤维板提高了3倍多;自由振动的有限元模拟曲线和实验曲线基本吻合,表明可以通过模拟软件实现复合材料的虚拟振动测试,从而为材料性能预测和设计提供方便。     

考虑双拉耦合的复合材料编织物各向异性超弹性本构模型

为了准确描述复合材料编织物的各向异性力学特性,首先,基于纤维增强复合材料连续介质力学理论提出了一种考虑纤维双拉耦合的复合材料编织物各向异性超弹性本构模型,该模型中单位体积的应变能被解耦为便于参数识别的纤维拉伸变形能、双拉耦合引起的挤压变形能和纤维间角度变化产生的剪切变形能;然后,给出了模型参数的确定方法,并通过拟合单轴拉伸、双轴拉伸和镜框剪切实验数据得到了本构模型参数;最后,利用该模型对双轴拉伸和镜框剪切实验进行了数值仿真,并将模拟结果与实验结果对比分析。结果表明:提出的本构模型适用于表征复合材料编织物在成型过程中由于大变形引起的非线性各向异性力学行为。所得结论表明提出的本构模型具有简单、实用的优点,且材料参数容易确定,可为复合材料编织物成型的数值模拟和工艺优化奠定理论基础。      

抗破片侵彻钢/芳纶纤维叠层复合结构优化设计方法

针对抗破片侵彻用新型钢/芳纶纤维叠层复合结构优化设计,基于4 mm钢板+12 mm芳纶纤维叠层复合结构、5 mm钢板+10 mm芳纶纤维叠层复合结构抗7.5 g FSP型破片弹道极限速度试验分析,进行了同工况下破片侵彻叠层复合结构的数值仿真计算;在验证数值仿真模型基础上,开展了7.5 g与10.0 g破片对4 mm、5 mm钢板叠加6~16mm芳纶纤维板组合成复合结构侵彻数值仿真,获得了相应的弹道极限速度;根据试验现象和数值仿真结果进行了钢/芳纶纤维叠层复合结构抗破片侵彻机理分析;根据此类复合结构的防护特点,以结构最小面密度为目标函数,建立了适用一定破片质量和撞击速度范围的结构参数优化设计模型;采用所提方法进行了抗撞击速度为1100 m/s的10.0 g破片侵彻的钢/芳纶纤维复合结构实例设计,通过试验验证了优化设计方法的合理性和实用性。     

复合材料斜削结构试验和损伤模拟研究

本文对复合材料斜削结构进行拉伸试验和相应的有限元模拟分析,编制损伤子程序模拟结构内部的损伤.通过对试验数据和数值结果进行对比,数值模拟和试验结果吻合较好.试验和模拟结果显示,由于削层的存在,使得结构更复杂,尤其在过渡段内,各截面的性能不同.通过损伤模拟,预测了三种损伤形式的萌生位置和扩展方向,得出结构首先发生基体损伤,然后是纤维-基体剪切和纤维断裂损伤,基体开裂损伤对斜削结构的影响很小,而纤维-基体剪切和纤维断裂损伤对结构是灾难性的.     

基于多尺度方法的纤维织物增强柔性复合材料拉伸模量预测

以超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）纤维织物增强-聚乙烯（PE）涂层柔性复合材料作为研究对象,首先,通过离子抛光仪对复合材料横截面进行处理;然后,使用SEM和光学显微镜测量复合材料细观结构,获得复合材料细观几何参数;最后,基于均匀化方法和连续介质假设,建立单胞力学模型,计算单胞的拉伸载荷-应变曲线,将理论值与实验值进行比较。结果表明:基于多尺度方法的复合材料单胞力学模型所得拉伸载荷-应变曲线与实验所得曲线能较好吻合,该理论模型能够较好地预报纤维织物增强柔性复合材料的拉伸模量。      

玻纤增强注塑件的均匀化弹性力学参数研究

基于均匀化方法,根据长玻纤增强聚丙烯(LGFR-PP)的微观特征,建立了非连续长玻纤增强复合材料的代表性体积单元(RVE),通过有限元方法模拟预测了复合材料的宏观等效弹性力学参数,与注塑样条拉伸性能测试结果进行了比较。研究表明,通过在玻纤两侧增加聚丙烯(PP)分布,所采用的RVE较传统连续纤维的有限元模型更为合理;当玻纤成单一取向时,玻纤增强聚丙烯为一种横观各向同性材料;改变玻纤取向与拉伸方向之间的角度,拉伸方向的等效模量先微幅减小,再迅速降低,而后趋于稳定。利用均匀化方法预测非连续长玻纤增强注塑件的等效弹性力学性能具有较高的工程可行性,能进一步为玻纤增强注塑件的结构服役性能分析提供科学依据。     

基于3D打印的木材细胞壁仿生设计

木材中起骨架作用的纤维素是以不同螺旋结构的微纤丝形式存在于细胞壁中。本文通过将3D打印技术与仿真模拟相结合,研究木材细胞壁的纤维螺旋增强结构。使用微晶纤维素(MCC)/聚乳酸(PLA)复合材料,在对MCC/PLA复合材料各项性能进行测试的基础上,借助3D打印技术构建木材细胞壁螺旋结构,通过改变纤维取向和纤维孔状结构编程合成结构的力学功能。有限元仿真则用于强调纤维在刚性单元之间的载荷传递机制中的关键作用。结果表明：通过编程纤维的取向和结构可以宏观调控结构的性能,其中纤维的交叉结构作为一种优化设计可以用于提高结构成型制品的力学性能。这些结构可以被组装成更大的系统,用于构建具有优化特定功能的模块化复合材料;在异质结构设计和新型复合材料制造领域中均具有潜在的应用价值。     

High temperature simulation of short carbon fiber-reinforced nickel base composite

The short carbon fiber-reinforced nickel base composite and 20CrNi alloy were prepared by the powder metallurgy method for comparison studies. High temperature simulation for mechanical properties was carried out based on the Larson–Miller equation. The experiment suggested that the Vicker’s hardness was approximately proportional to the heat treatment parameter P after the simulation, which indicated that the Larson–Miller equation is applicable for the lifespan design of C/Ni composite. The experiment also indicated that the C/Ni composite containing 5% volume fraction of carbon fiber was superior to 20CrNi alloy in high temperature mechanical performance.     

二维机织复合材料弹性常数的有限元法预测

为了预测二维机织复合材料的弹性性能,建立了有限元力学分析模型。基于二维机织复合材料的几何特征,建立了参数化的单胞模型;考虑了织物纤维束呈现出的各向异性材料特征,将有限元中材料主方向转化到纤维屈曲方向,建立其力学分析有限元模型;分析了单胞边界面保持平面假设的不足,提出了对于二维机织复合材料通用的周期边界条件,获得了更为准确的二维机织复合材料的工程弹性常数。结果表明:织物衬垫单胞边界面,在单向拉伸载荷和纯剪切载荷下,呈凹凸翘曲变形,即为周期边界;应用给出的织物参数化几何建模方法与有限元求解方法,可以精确地获得工程弹性常数,数值计算结果与实验值吻合较好。      

考虑纤维方向分布的玻纤增强PP复合材料拉伸性能

纤维方向及其分布对玻纤增强PP复合材料的力学特性具有至为关键的影响。提出了一种快速获取纤维数量及每根纤维方向的方法。通过引入方向张量, 利用Moldflow软件进行玻纤增强PP树脂注塑成型模拟获得纤维方向的平均分布, 结合显微方法观察判断特定点的纤维沿厚度方向的分层情况及定量判断纤维方向的分布。对轿车玻璃纤维增强注塑仪表板的纤维方向相对一致处取与纤维方向呈0°、45°、90°的样条, 通过拉伸实验测得拉伸模量, 利用所提出的方法研究了仪表板内玻纤方向的分布及其对拉伸模量的影响。研究结果表明: 玻纤增强注塑仪表板的力学性能是各向异性的, 其沿厚度方向纤维按方向大致可分为三层。