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。     

缝纫泡沫夹芯复合材料细观纤维柱破坏行为

缝纫泡沫夹芯复合材料中的纤维柱在拔出过程中的破坏行为复杂导致结构承载性能难以预测。采用真空辅助树脂注射(VARI)工艺制备了缝纫泡沫夹芯复合材料,并使用层间拉伸试验(ITT)研究了缝纫泡沫夹芯复合材料中含有单根缝线纤维柱细观试件的破坏过程。讨论了不同破坏现象对缝线纤维柱拔出摩擦过程的影响,并分析了缝纫泡沫夹芯复合材料的破坏模式。分析了缝线粗细的变化对试件破坏过程中关键的力、位移等参数及能量吸收性能的影响。研究了由于成型工艺所导致的缺胶现象对缝纫泡沫夹芯复合材料性能的影响。结果表明:缝纫泡沫夹芯复合材料的能量吸收性能、关键位移参数及最大载荷都随着缝线变粗而增大。但是缝纫泡沫夹芯复合材料的破坏模式对其也有一定的影响,导致了变化趋势的波动;缺胶缝纫泡沫夹芯复合材料由于缺陷的存在,最大破坏载荷和能量吸收性能均有所下降。     

缝纫泡沫夹芯复合材料失效强度的理论预测与试验验证

基于经典层板理论和细观力学桥联模型, 提出了缝纫泡沫夹芯复合材料失效强度的理论预测方法, 并进行了失效强度的相关试验验证。其中, 将缝纫复合材料面板看作单层组成的准层状结构, 采用经典层板理论进行逐层失效分析, 并同时考虑了局部皱曲的面板失效模式; 而对缝纫泡沫夹芯, 引入桥联模型计算其各组分材料中的应力, 并通过对各组分材料选取适当失效准则来建立失效判据; 对于缝纫泡沫夹芯复合材料采取逐级加载方式, 当面板或者夹芯失效时, 则认为其发生整体失效, 由此可以确定其在不同载荷形式下的失效强度。此外, 通过试验得到了缝纫泡沫夹芯复合材料板试件在平压、 侧压、 横向剪切及三点弯曲载荷形式下的失效模式及其失效强度, 并利用本文方法对缝纫泡沫夹芯复合材料的失效强度进行了理论预测, 所得结果与试验吻合, 证明了本文方法的有效性。      

Kevlar纤维缝纫泡沫芯材复合材料力学性能研究

基于热压罐成型工艺,制备了kevlar纤维缝纫泡沫芯材复合材料夹层板,并通过扫描电镜观察了胶膜中的树脂在kevlar纤维束之间的浸润状态,为工程化应用提供参考.选取未缝纫泡沫夹芯复合材料和碳纤维预浸料缝线缝纫泡沫芯材复合材料夹层板为对比试样,实验研究了kevlar纤维缝纫泡沫芯材复合材料夹层板的平压、剪切和侧压力学性能,并考察了缝纫针距、行距的变化对其力学性能和破坏模式的影响.研究表明:在真空压力下,胶膜中的树脂与kevlar纤维浸润良好;对泡沫芯材进行kevlar纤维缝纫增强后,其力学性能显著提高,并改变了夹层板的破坏机理.实验范围内,随着缝纫密度的提高,平压强度和模量增大;夹层板剪切性能和侧压性能受缝纫密度的影响较大,在缝纫参数(缝纫行距×针距)为10 mm×10 mm时,增强效果较佳,其剪切强度和侧压强度分别提高了44%和21%,剪切模量和侧压模量分别提高了34%和127%.     

基于精确板理论的复合材料格栅/波纹夹芯结构屈曲特性

提供了一种分析全复合材料格栅/波纹夹芯板屈曲特性的解析模型.将格栅、波纹芯子视为连续性单层,基于精确板理论推导了全复合材料波纹/格栅夹芯板的内力-应变关系;在考虑复合材料芯子壁板各向异性和横向剪切变形的基础上,基于均质化理论分别推导了复合材料正交格栅和梯形波纹芯子的等效弹性常数;利用最小势能原理得到了全复合材料格栅/波...     

泡沫夹芯复合材料水声性能预测研究

针对泡沫夹芯复合材料声学测试的实际情况,建立了耦合声学有限元法的计算模型,针对计算模型进行了算例验证。结果表明,模型的预测值与试验值趋势吻合较好,计算方法是有效且可行的,可以用于预测泡沫夹芯复合材料的声学性能。同时,研究了与面板和芯材有关的四个参数对夹芯复合材料声学性能的影响规律。     

复合材料夹层板屈曲强度的分散性分析

将面板单层及芯层厚度、 面板纤维方向角和材料参数作为随机变量, 通过编制基于高阶剪切理论的随机有限元程序, 对复合材料夹层板的屈曲强度分散性进行了分析, 得到了不同铺层方式下夹层板屈曲强度分散系数随纤维方向角及夹层板长厚比的变化规律。并通过对屈曲强度的分散系数进行灵敏度分析, 确定了影响分散系数大小的主要因素, 从而为材料设计、 制造工艺改进和夹层板结构可靠度的提高提供了理论依据。      

缝纫泡沫夹层结构弯曲性能研究

本文对缝纫泡沫夹层复合材料进行了理论分析和三点弯曲实验研究.讨论了缝纫夹芯剪切模量的计算方法和计算公式.实验表明缝纫提高了泡沫夹层板三点弯曲破坏载荷.针对实验结果研究了材料性能和试件几何的关系,给出了缝纫泡沫夹层板破坏模式的判别公式并基于经典夹层梁理论建立了初始破坏载荷预估方法,预估值和实验值符合较好.     

泡沫夹芯结构复合材料VARI工艺模拟仿真技术研究

采用模拟仿真软件对聚氯乙烯泡沫夹芯结构复合材料矩形平板成型工艺进行了模拟分析.考察了芯材厚度、芯材的开槽方式及开槽尺寸等对树脂充模过程的影响,确定了适于工程应用的开槽方式及尺寸.     

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。     

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。     

温度对缝合气凝胶夹芯复合材料面内压缩性能的影响

分别开展缝合气凝胶夹芯复合材料在不同温度下的面内压缩试验,研究材料在室温、300℃、600℃和800℃下的面内压缩力学性能,并采用微焦点工业CT扫描的方法对试样内部结构进行分析,结合有限元分析方法,探究其结构破坏机制。结果表明:在面内压缩载荷作用下,材料存在极限载荷,面板的局部屈曲、芯层的剪切破坏以及缝线柱的断裂是材料破坏的主要方式。随着温度的升高,材料的面内压缩模量和极限载荷也逐渐升高,面板破坏处的断口逐渐呈现出类似脆性的断裂。300℃、600℃和800℃下材料的面内压缩模量分别为室温的1.05倍、1.57倍和1.65倍;极限载荷分别为室温的1.14倍、1.46倍和1.67倍。室温下有限元分析结果和试验结果的对比,验证了缝合气凝胶夹芯复合材料面内压缩破坏模式的合理性。     

VARI成型泡沫夹芯壁板结构界面性能

针对真空辅助成型工艺(VARI)制备的泡沫夹芯壁板面-芯界面粘接强度较低的问题, 提出铺放本体树脂胶膜和对芯材进行打孔两种解决方案。通过无损检测、三点弯曲力学性能测试、计算机模拟树脂充模流动以及微观界面结构观察, 探究两种方案的可行性及改善效果, 分析了胶膜的有无和厚度、打孔工艺参数对界面性能的影响。结果表明, 在不加入胶膜时界面强度最高, 胶膜厚度在0.5 mm时, 无损检测显示的界面缺陷最少, 胶膜厚度达到2 mm后界面质量下降; 合理设计芯材的打孔行、间距可以促进树脂充模流动, 形成质量好的连续界面, 同时还能提高结构刚度。     

缝合参数对泡沫夹层结构复合材料力学性能的影响

采用真空辅助树脂注射(VARI)成型工艺制备不同缝合方式和缝合密度的缝合泡沫夹层复合材料,研究缝合参数对平面拉伸、三点弯曲、芯子剪切以及滚筒剥离性能的影响。结果表明:缝合使泡沫夹层复合材料的平面拉伸强度和芯子剪切强度明显降低,可以改善弯曲性能并大幅提高滚筒剥离性能,改进锁式缝合方式优于临缝式缝合方式;适当地增加缝合行距对力学性能有一定的积极作用,但不利于滚筒剥离性能的提高;与未缝合泡沫夹层复合材料相比,当缝合密度为30 mm×10 mm时,改进锁式缝合泡沫夹层复合材料的平拉强度和芯子剪切强度分别降低了14.75%和24.79%,弯曲强度和平均剥离强度分别提高了7.96%和80.78%。     

Stability analysis of FGM sandwich plates by using variable-kinematics Ritz models

Abstract

A linearized buckling analysis of functionally graded material (FGM) isotropic and sandwich plates is carried out by virtue of the Hierarchical Trigonometric Ritz Formulation (HTRF). Quasi-3D Ritz models based on equivalent single layer (ESL) and zig zag (ZZ) plate theories are developed within the framework of the Carrera Unified Formulation (CUF). Several in-plane loading conditions accounting for axial, biaxial, and shear loadings are taken into account. Parametric studies are carried out in order to evaluate the effects of significant parameters, such as volume fraction index, length-to-thickness ratio, sandwich plate type, and loading type, on the critical buckling loads.     

缝合夹层结构复合材料树脂传递模塑成型工艺充模仿真

对复合材料与金属经缝合连接形成的夹层结构板的树脂传递模塑成型（RTM）工艺进行了充模模拟研究。首先通过实验和数值计算的方法,分别获得缝合夹层结构织物和芯层孔洞的渗透率;随后,建立能够反映缝孔内流动情况的二维和三维简化模型,进行RTM充模仿真,讨论不同工艺参数对成型流动的影响;最后通过成型实验验证工艺的可行性。缝线与孔洞直径之比为0.3~0.8时,孔洞渗透率随缝线直径的增大而减小,预制体织物渗透率与孔洞渗透率相差两个数量级;缝孔内容易产生缺陷,没有缺陷的区域随着注射压力的增加、孔洞密度和芯层厚度的减小而增大,在芯层表面沿每排孔洞单向开槽能够改善树脂在孔洞内的浸润;线注射时,树脂整体流动情况优于点注射,而点注射时,将进胶口设置在一角,能够减少表面干斑。     

Thermal buckling of cross-ply laminated composite and sandwich plates according to a global higher-order deformation theory

A two-dimensional global higher-order deformation theory is presented for thermal buckling of cross-ply laminated composite and sandwich plates. By using the method of power series expansion of continuous displacement components, a set of fundamental governing equations which can take into account the effects of both transverse shear and normal stresses is derived through the principle of virtual work. Several sets of truncated Mth-order approximate theories are applied to solve the eigenvalue problems of a simply supported multilayered plate. Modal transverse shear and normal stresses can be calculated by integrating the three-dimensional equations of equilibrium in the thickness direction, and satisfying the continuity conditions at the interface between layers and stress boundary conditions at the external surfaces. Numerical results are compared with those of the published three-dimensional layerwise theory in which both in-plane and normal displacements are assumed to be C⁰ continuous in the continuity conditions at the interface between layers. Effects of the difference of displacement continuity conditions between the three-dimensional layerwise theory and the global higher-order theory are clarified in thermal buckling problems of multilayered composite plates.