三维角联锁结构复合材料弹性性能的细观设计探讨

基于对三维角联锁结构复合材料真实细观结构的图像分析,建立了几何分析模型,在该模型中假设经纱的横截面呈矩形,纬纱的横截面呈凸透镜形,并运用刚度平均原理,推导出了以角联锁结构复合材料预制件的7个宏观设计参数和纤维、树脂的弹性性能指标为参数变量的弹性性能计算公式,在此基础上编制了能提供三种选择的计算机预测软件,即选择组织结构、力学模型和任意一个偏轴角,从而初步实现了角联锁结构复合材料弹性性能的细观设计.实验结果表明,依据本研究提出的几何分析模型并采用刚度平均理论预测的等效工程弹性常数与实际测得的值之间总体趋势相同,数据基本相符.     

三维五向编织复合材料中纱线截面形状实验分析

采用CCD显微摄像仪获取了树脂基三维五向编织复合材料的一系列截面图像, 分析了编织复合材料内纱线的排列规律及其截面形状的变化。实验结果显示: 沿编织成型方向, 三维五向编织复合材料的不同横截面内纱线的排列方式不同, 且呈周期性变化; 编织纱线的截面形状近似为扁平的凸透镜形; 第5向不动纱的轴线基本保持伸直, 其截面形状沿其轴向近似为扇形和三角形相互过渡变化; 表面编织纱线的排列方式与内部编织纱线的排列有关, 其截面形状近似为椭圆形。     

2. 5维机织结构复合材料的几何模型

基于经纱矩形截面及纬纱双凸透镜截面假设 , 分析了 2. 5 维机织复合材料的细观几何结构 , 重点考虑了该结构表层经纱与内部经纱密度的不同及相同机织结构合成不同厚度和纤维束截面的情况 , 建立了 2. 5 维机织复合材料的单胞几何模型。该几何模型可以计算各种 2. 5 维机织结构单胞内各纱线系统的形态 , 包括取向角和纤维体积分数。通过对 8种结构 28 个试件纤维体积分数的测定 , 与计算预测结果的对比表明本文中建立的几何模型较好地反映了 2. 5维机织复合材料的内部结构。此外 , 利用本模型计算分析了 3 种不同结构的纤维体积分数和取向角。结果表明 : 单胞内经纬纱交织的次数是决定纤维体积含量的一个关键因素 ; 直联结构相比弯联结构 , 其经纱取向角明显降低。      

二维二轴编织复合材料几何模型及弹性性能预测

提出了二维二轴1×1和2×2编织复合材料的几何模型,模型考虑了纤维束的相互挤压及横截面的变化。基于细观分析和体积平均法,建立了预测二维二轴编织复合材料弹性性能的理论分析方法。数值结果与试验结果吻合,表明该方法行之有效,且具有运算快、精度高、适合工程分析等优点。分析了编织角、纤维体积含量和纤维束横截面形状对材料弹性常数的影响。研究表明,编织角对弹性常数的影响具有互补性,材料弹性模量与纤维体积含量成正比,纤维束截面形状变化对材料弹性常数影响不大。     

基于细观结构的2.5维机织复合材料强度预测模型

采用经纱矩形截面及纬纱六边形截面假设,将经纱的屈曲轨迹简化为折线形式,建立了2.5维机织复合材料单胞几何模型。以单胞为研究对象,引入改进的三维Hashin失效准则和Mises准则作为组分材料的失效判据,采用不同的刚度退化方式来表征不同的失效模式,建立了基于逐渐损伤理论的强度预测模型。利用有限元分析（FEA）技术,开发了相应的参数化2.5维机织复合材料逐渐损伤分析程序,预测了浅交弯联结构不同机织参数2.5维机织复合材料的拉伸强度,并模拟了经向拉伸和纬向拉伸的损伤扩展过程。与静拉伸试验结果相比,拉伸强度的预测误差在10%以内;模拟的失效模式与试验结果吻合较好。     

电磁流量计异径管道的流场仿真研究

采用Fluent软件对圆形截面渐变为矩形截面的异径管道流场进行三维建模和数值仿真,分析了横截面收缩异径管的速度分布和流线,建立了矩形截面部分的长度、宽度、高度与进出口压力损失和中心截面平均速度之间的关系.研究表明,中间矩形截面部分的宽度和高度对进出口压损和中心截面平均速度影响较大,同时横截面积收缩比例太大会导致流场紊乱和回流现象,从而为合理设计局部横截面积收缩的电磁流量测量管道提供了理论依据.     

基于纱线真实形态的三维机织复合材料细观结构及其厚度计算

如何确定预制件的结构参数与复合材料厚度之间的数量关系是设计人员面临的一个难题。对三维机织复合材料横截面图像细观结构进行观察分析。结果表明,决定三维机织复合材料厚度的部位在沿纬纱的中心线横截面处;经纱的横截面呈长方形;纬纱的纵向轨迹呈直线形。基于细观结构导出了用预制件结构设计参数表示的复合材料厚度计算公式,用算例验证了公式的正确性。验证结果表明,复合材料厚度计算公式正确,具有实用性。     

碳纤维截面特性对碳纤维/环氧树脂复合材料压缩强度的影响

基于压拉平衡为特征的新一代先进复合材料的需求,开展了碳纤维截面形状和尺寸对碳纤维/环氧树脂复合材料压缩强度的影响研究。有限元模拟和试验结果均表明,增大碳纤维直径可以提高复合材料压缩强度。另外碳纤维截面形状也对复合材料压缩强度有影响,圆形截面优于椭圆形截面。      

电磁水表的异径管道流场仿真研究

采用Fluent软件对圆形截面渐变为小圆形截面和矩形截面的异径管道流场进行三维建模和数值仿真,在中间截面面积基本相同的情况下,模拟了异径管中的流场分布,并分析了中间横截面的速度分布,中心截面的平均速度及进出水口的压力损失。研究表明,圆形截面和矩形截面的速度分布在两端管道为10倍直管段时都是呈中线对称分布的,而当水表两端直接为弯管时,圆形截面呈偏离分布,矩形截面呈中线对称分布。另外,中间截面为矩形的中心面的平均速度比中间截面为圆形的平均速度增幅大,在压力损失方面,矩形截面和圆形截面都没有超出国家标准。由上述分析可知,利用Fluent软件可对电磁水表的结构设计起到指导作用。     

不同暴露条件下海工混凝土耐久性几何效应分析

基于氯离子扩散传输机理,利用有限体积法(FVM)推导了二维矩形和圆形截面混凝土氯离子扩散传输离散方程。根据FVM的数值模拟计算结果,研究了暴露条件及混凝土组成材料对具有不同截面形状的混凝土构件中氯离子含量及使用寿命的影响。数值模拟计算表明,不仅暴露条件、混凝土组成材料等对海工混凝土结构的耐久性有重要影响,而且其影响程度与混凝土构件截面的几何形状有关,有比较明显的几何形状效应。圆形截面由于有近似的一维扩散传输特征,在相同条件下,混凝土中的氯离子含量小于矩形截面,其使用寿命比矩形截面的大,但两种截面的差别在不同暴露条件和混凝土组成材料时又有显著的不同,大气区以及掺矿渣时更为明显。     

典型多向2.5D机织预制体近净形编织结构设计

针对多向异型复合材料构件用3D整体预制体,基于衬经2.5D机织结构,提出5种近净形转向仿形编织工艺,设计并制备了具有典型引纱加纱结构的板条状预制体试样。采用计算机断层扫描法(Micro-CT),观测各系统纱线横截面形态变化和纱线取向分布规律,发现引出加入的纱线沿织物厚度方向挤紧状态发生改变,其横截面从椭圆形变成梯形,又变为三角形,经纱被引出和加入会造成与其接触的纬纱横截面变化。结合复合材料构件的实际承载工况,对具有5种引纱加纱结构的复合材料试样进行了经向抗弯性能测试,结果表明,复合材料的弯曲强度和弯曲模量保持率分别达到82.6%~95.7%和89.1%~97.9%。可见,立足于满足复合材料力学性能要求,发展预制体的三维整体仿形编织技术,是实现复杂形状复合材料构件材料/结构一体化制造的有效途径。      

非正交二维平纹编织树脂基复合材料的弹性性能

二维编织布在铺设形状复杂的复合材料结构时,如果边缘受到拉剪,经纬纱之间的夹角会发生变化;在固化过程中,原本正交的经纬纱走向也可能发生偏转。经纬纱之间夹角的变化会增加材料的各向异性,进而影响结构的力学性能。本文通过试验研究了纤维束偏转对二维编织复合材料弹性性能的影响,分别进行了三种典型试验件面内拉伸弹性模量的测试。基于刚度体平均方法,提出了一种非正交二维编织树脂基复合材料的刚度预测模型,并在此基础上分析了纤维束偏转对材料有效性能的影响规律。计算结果与试验数据符合良好。     

双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料弯曲性能

经纬纱和针织纱分别选用不同线密度的高模高强玄武岩纤维, 以不同衬纱方式编织出机织针织复合(CWK)织物和多层双轴向纬编(MBWK)织物, 并以其作为增强体, 采用真空辅助树脂传递模塑工艺制备了玄武岩纤维/乙烯复合材料。对两种复合材料0°、 90°和45°方向的弯曲性能进行测试, 分析比较了弯曲应力-应变特征曲线及纱线强度。结果表明: 两种复合材料具有较好的弯曲性能, 0°和90°方向的弯曲性能均优于各自45°方向的, 弯曲应力-应变曲线均表现出一定的塑性破坏特征; MBWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能又分别高于CWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能; 复合材料中经纱和纬纱的屈曲程度不同, 致使MBWK织物增强复合材料的比模量和纱线强度均高于CWK织物增强复合材料, 两种复合材料的弯曲性能受不同衬纱方式的影响, 而两种复合材料试样的弯曲破坏形态相近。研究结果为双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料的应用提供了参考。     

2.5D机织复合材料的渐进损伤与失效模拟

为了研究典型2.5D机织复合材料的压缩性能,开展了复合材料单胞结构的经向和纬向压缩实验,并通过对材料编织结构的细观表征,建立了细观尺度的单胞有限元模型来模拟压缩载荷下单胞内部的变形及渐进失效过程。结果表明,2.5D机织复合材料在受压时表现出明显的非线性力学响应,材料沿经向的压缩模量和强度均高于纬向;经向压缩时材料的主要破坏模式有经纱的横向开裂、纤维束间的界面分层破坏、纬纱的压溃及基体的开裂,纬向压缩时出现的主要破坏模式是纬纱的压溃、纬纱纤维束的断裂及基体开裂;通过对比试验与有限元结果,认为所建立的细观有限元模型能够准确预测材料单胞在压缩载荷下的应力-应变响应,并且能够模拟编织结构中的损伤起始和演化过程。      

三向正交纤维增强铝基复合材料经向拉伸渐进损伤及其断裂力学行为

用真空压力浸渗法制备了新型三向正交碳纤维增强铝基(CF/Al)复合材料,根据其内部纱线截面形状和机织结构特征建立了考虑界面作用的细观力学有限元模型,并将数值模拟与实验相结合研究了复合材料在经向拉伸载荷作用下的渐进损伤与断裂力学行为。结果表明,铝基复合材料拉伸弹性模量、极限强度与断裂应变的实验结果,分别为120.7 GPa、771.75 MPa和0.83%。数值模拟的计算误差分别为-3.21%、1.75%和-9.63%,宏观应力-应变曲线的计算结果与实验曲线吻合得较好。在经向拉伸载荷作用下复合材料的基体合金与Z向纱之间的界面先发生失效,随着拉伸应变量的增大纱线交织处基体合金的损伤逐渐累积并先后发生Z纱和纬纱的局部开裂失效,在拉伸变形后期基体合金的失效和经纱断裂最终使复合材料失去承载能力。铝基复合材料的拉伸断口呈现出经纱轴向断裂以及纬纱和Z向纱横向开裂的形貌,起主要承载作用的经纱其轴向断口较为平齐且纤维拔出长度较短,复合材料经向拉伸时表现出一定的脆性断裂特征。     

三维编织复合材料面内刚度和强度性能研究

以修正的经典层合板理论为基础, 分析三维编织复合材料的力学性能。在单胞的长度方向积分和平均, 预测编织结构复合材料的有效弹性模量; 采用蔡-胡多项式失效准则, 得到三维编织复合材料的强度性能。另外, 进行编织结构复合材料的力学性能实验, 探讨纺织工艺参数, 如纤维编织角、横向编织角、轴向纱数与编织纱数之比、纤维体积含量等对力学性能的影响, 理论预报和试验结果进行对比, 发现该力学模型能较好地预报三维编织复合材料的刚度和强度性能。      

三维四向编织陶瓷基复合材料改进模型及刚度预报

基于对三维四向编织陶瓷基复合材料CT扫描结果的观察和理论分析, 参考现有交织模型, 建立了改进的胞元三维实体模型, 较为真实地反映了材料内部的细观结构。模型内部纤维束横截面沿纤维束轴向不断发生形状和面积的周期性变化, 纤维束横截面呈平行四边形、五边形交替变化, 不同纤维束轴线间呈交织关系, 接近材料内部纤维束间打紧后的挤压变形规律。通过测算平均纱线填充因子并配合有限元法获得了纤维束及材料的弹性性能, 与试验结果符合较好。有限元仿真显示在材料单胞内, 纤维束承担主要载荷, 纤维束与基体的某些交界处往往会出现应力集中现象, 可能是发生裂纹扩展及局部破坏的主要区域。该细观应力场的获得也为分析材料破坏机理和强度提供了基础。      

热氧老化对纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料力学性能的影响

通过改变预制体结构衬纱取向的方法制备了几种含不同剪切角的纬编双轴向多层衬纱(Multilayered biaxial weft knitted,MBWK)织物增强复合材料。基于Arrhenius模型和Ozawa法设计了热氧老化试验,采用力学性能测试、DSC、FTIR和DMA测试对老化前后的试样热-物理性能进行了表征。实验结果表明：预制体的纱线剪切角不同,其复合材料受热氧老化后力学性能的保留率也显著不同,由于乙烯基酯树脂在热氧老化环境中会发生后固化现象,因此复合材料的弯曲模量在老化过程中呈现先增加后下降的趋势,而拉伸性能则受到增强体结构的影响,纤维/基体界面的结合力退化使拉伸模量在老化过程中持续下降;随着老化时间的延长,树脂的固化度逐渐增加,玻璃化转变温度T_g逐渐升高,储能模量峰值在老化初期由于分子链交联上升,老化后期分子链断裂占据主导作用致使峰值逐渐下降。