X状Z-pin增强泡沫夹层结构的剪切性能

通过不同Z-pin角度(15°和25°)和夹芯厚度(8mm和12.7mm)的X状Z-pin增强泡沫夹层材料的剪切性能试验, 与相同材料同尺寸的未增强件进行对比, 考察X状Z-pin对泡沫夹层结构的增强作用。试验结果表明, X状Z-pin增强使材料的剪切强度和刚度都有较大幅度的提高; 同时, Z-pin的加入使该结构具有与传统泡沫夹层材料不同的剪切破坏形式。在此基础上, 结合空间网架结构和等效夹杂方法, 提出了X状Z-pin增强泡沫夹层结构剪切刚度模型, 计算结果与试验值符合良好。结果表明, X状Z-pin增强不仅能大幅度提高泡沫夹层结构的剪切性能, 并具有良好的可设计性, 可以通过改变Z-pin角度和材料等改变其力学性能。      

K-cor增强泡沫夹层结构制备与力学性能

选取NHZP-1型双马树脂拉挤Z-pin, 并结合差示扫描量热法(DSC)测定及工艺参数优化来调控其固化度, 将Z-pin按70°角(Z-pin植入方向与水平方向夹角)植入Rohacell-51WF泡沫、 采用5429/HT7双马单向预浸料作为蒙皮, 成功制备K-cor夹层结构, 并展开了相应的力学性能测试。根据Z-pin在K-cor与X-cor夹层中与蒙皮结合方式差异建立微观拉伸结构简图, 并借助欧拉杆屈曲模型来估算其临界失稳载荷, 定性分析了平面压缩过程中Z-pin的破坏模式与增强机制。结果表明: Z-pin固化度为62.74%时, K-cor夹层结构的平面拉伸强度和模量分别为1.55 MPa与88.56 MPa, 平面压缩强度和模量高达3.61 MPa与128.84 MPa, 均比空白泡沫试样和具有相同Z-pin参数的X-cor夹层结构有所提高。     

X-cor夹层结构的力学性能试验研究

X-cor夹层结构比强度高,比刚度大,有望取代传统蜂窝夹层结构作为航空航天器的主承力结构材料。采用真空固化成型工艺,通过改变Z-pin的植入参数制备了X-cor夹层结构,研究了Z-pin植入角度、植入间距和直径对其平压、剪切和拉伸性能的影响。研究结果表明,Z-pin的植入参数对X-cor夹层结构的力学性能影响显著。随Z-pin植入角度的增加X-cor夹层结构的平压性能降低,剪切性能增强,拉伸模量减小,拉伸强度先增加后减小。随Z-pin植入间距和直径增加,X-cor夹层结构力学性能均增加。与泡沫夹层结构相比,X-cor夹层结构压缩、剪切和拉伸模量的测试值分别提高了1.26～5.15倍、2.50～13.56倍和1.90～2.71倍,压缩、剪切和拉伸测试值分别提高了1.63～9.20倍、1.28～2.03倍和1.01～2.30倍。     

X-cor夹层结构压缩模量有限元计算分析

通过分析X-cor夹层结构中Z-pin端部细观结构的显微镜照片,提出Z-pin端部树脂区椭圆形态的基本假设并建立X-cor夹层结构压缩模量的有限元模型,利用大型有限元软件ANSYS对其压缩模量进行数值计算,研究了Z-pin植入角度、直径和密度对X-cor夹层结构压缩模量的影响.结果表明,X-cor夹层结构的压缩模量随Z-pin植入角度的增加而减小,随Z-pin直径和密度的增加而增加.通过有限元计算,获得X-cor夹层结构参数对其压缩模量的影响规律,数值计算结果误差范围为士10％,验证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.     

斜缝与Z-pin混合增强泡沫夹层复合材料力学性能实验研究

结合斜缝合增强和Z-pin增强2种方法, 采用混合增强方法制备泡沫夹层结构, 并对这种结构材料的平压、 平拉和剪切力学性能进行了实验研究, 考察了不同混合比例对其力学性能和破坏模式的影响。结果表明, 夹层结构中, 随着Z-pin比例的增加, 压缩强度和模量增大; 随着斜缝合比例的增加, 拉伸强度、模量以及剪切强度增大; 但不同混合增强试样的剪切模量差别不大。      

X-cor夹层结构拉伸模量有限元分析

通过分析X-cor夹层结构中Z-pin端部的细观结构,提出Z-pin端部树脂区椭圆形态的基本假设并建立X-cor夹层结构拉伸模量的有限元模型,利用大型有限元软件ANSYS对其拉伸模量进行了数值计算。研究了Z-pin植入角度、直径和密度的改变对X-cor夹层结构拉伸模量的影响。结果表明:X-cor夹层结构的拉伸模量随Z-pin植入角度增加而减小,随Z-pin直径和密度增加而增加。通过有限元模型的计算,得到了X-cor夹层结构参数对其拉伸模量的影响规律,数值计算结果误差范围是±10%,验证了所提的有限元模型的合理性,说明该模型可用于预测其拉伸模量。     

Z-pin增强树脂基复合材料单搭接头弯曲性能

为了研究Z-pin对单搭接头弯曲性能的影响,制备了不同参数Z-pin增强单搭接头试样,研究了Z-pin单搭接头在三点弯曲载荷下连接性能.结果表明:Z-pin(直径0.5mm)体积分数从0％～1.5％时,弯曲载荷随Z-pin体积分数的增加而增加,体积分数在1.5％～3.0％范围内时,试样的弯曲载荷随Z-pin体积分数的增加而下降,Z-pin体积分数为1.5％时达到最大值1303.2N;Z-pin直径为0.3～0.7mm时(体积分数1.5％),峰值载荷随着直径的增加而增加,0.7mm增强接头的弯曲载荷比0.3mm增强接头高出27.9％.Z-pin植入角度对单搭接头弯曲性能影响不大.另外,随着搭接长度的增加,单搭接头的弯曲性能提高.     

X-cor夹层结构压缩模量有限元分析

通过两种有限元模型的对比,提出了符合实际的X-cor夹层结构压缩模量有限元计算模型,利用大型有限元软件ANSYS对其压缩模量进行了数值计算,得到了X-cor夹层结构的应力场和压缩模量.研究了Z-pin半径、密度、植入角度和体积分数的改变对模型压缩模量的影响.结果表明:X-cor夹层结构压缩模量随Z-pin植入角度增加而减小,随Z-pin半径、密度和体积分数增加而增加,且与Z-pin体积分数呈线性关系,改变Z-pin半径与改变Z-pin密度对X-cor夹层结构压缩模量影响是等效的.通过有限元模型的计算,得到了X-cor夹层结构参数对其压缩模量的影响规律,验证了所提有限元模型的合理性.     

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%.     

K-cor夹层结构的平压性能

采用欧拉杆屈曲模型,以端部约束系数 μ 定量表征夹层结构Z-pin端部结合程度, μ 取值越小,Z-pin端部和面板结合程度越高,压缩载荷下更不易失稳。以不同参数K/X-cor结构的压缩试验为背景,分别研究了Z-pin直径和折弯长度对压缩试验性能的影响。通过显微观察并利用"混合法则"比较了Z-pin直径对K/X-cor结构的增强效率。从减重方面考虑,探讨了折弯长度对K-cor结构比强度和比刚度的影响,并得到最优折弯长度半解析表达式。结果表明: K-cor结构中Z-pin增强效率高且对结构损伤小,远优于X-cor结构;其比强度和比刚度随折弯长度的增加呈先增加后降低的趋势,不同参数的K-cor结构折弯长度存在最佳值。     

Indentation study of Z-pin reinforced polymer foam core sandwich structures

Z-pin reinforced foam core sandwich panels with composite face sheets, supported on a rigid base and subjected to quasi-static indentation using spherical indenter was studied in this paper. The effects of configurations of Z-pin, including inclination angle and pinning density, on the load–indentation response were studied, and the resulting damage modes were investigated. The effect of inclination angle of pin on the load–indentation behavior is not notable compared with those of Z-pinning density and Z-pin configuration. The collapse of Z-pinned foam core is due to the buckling of pin, and the pin buckling is significantly dependent on the location of indenter. An approximate solution was developed based on the principle of minimum potential energy to simulate the indentation damage response of Z-pin reinforced foam core sandwich. The analytical predictions compare well with the experimental results.     

Z-pin参数对复合材料T型接头拉脱承载能力的影响

利用二维平面应变模型对Z-pin增强T型接头试样进行失效分析,采用内聚力模型模拟界面的破坏情况,通过在分层的上下界面加入非线性弹簧元模拟Z-pin的增强作用,非线性弹簧元的力学性能(桥联律)由细观力学方法获得,数值结果与试验值吻合较好。在已验证有限元方法的基础上,研究了Z-pin直径、密度及植入角度等对T型接头拉脱承载能力的影响。结果表明:Z-pin增强可显著提高T型接头的拉脱承载能力,与未Z-pin增强的T型接头相比,Z-pin增强明显延缓了掉载;T型接头的拉脱承载能力随Z-pin直径和密度的增加而增大,随植入角度的增大而减小;在所研究的角度范围内,当植入角度为60°时,T型接头的拉脱承载能力最好;Z-pin直径和密度对拉脱承载能力的影响远比植入角度的影响显著。     

Z-pin增强复合材料Ⅰ型断裂韧性数值分析

采用细观力学方法以及虚拟裂纹闭合法(VCCT)对含有Z-pin增强复合材料双悬臂梁(DCB)结构Ⅰ型断裂韧性进行了研究。利用有限元法建立了结构模型,采用实体单元模拟复合材料层压板结构和非线性弹簧元模拟Z-pin。通过计算应变能释放率对含有不同体积分数Z-pin的复合材料层压板Ⅰ型断裂韧性与不含Z-pin的复合材料层压板Ⅰ型断裂韧性进行了对比分析。研究表明,含有Z-pin增强复合材料双悬臂梁(DCB)结构Ⅰ型断裂韧性在裂纹扩展过程中受到Z-pin桥联作用的影响而显著增强,且其增强效果与Z-pin的体积分数、处在桥联区的Z-pin数目均相关,这表明Z-pin增强方法能够有效提高复合材料层压板的分层扩展阻力。     

新型复式连通SiC/390Al复合材料的制备和性能

以空心多孔SiC泡沫陶瓷为增强体,用挤压铸造法制备了新型复式连通双连续相SiC/390Al复合材料,研究了泡沫陶瓷骨架筋的结构对复合材料的影响,以及复合材料中的界面对力学性能的影响.结果表明,SiC空心多孔泡沫陶瓷与390Al复合后形成了复式连通双连续相复合材料,具有独特的互穿式界面结构,材料界面的结合优异.随着复合材料界面结合的加强和泡沫增强体的复合韧化,复合材料的屈服强度、压缩强度和弯曲强度明显提高,韧性显著增强.     

Z-pin/缝合对复合材料T型接头剪切承载能力的影响

利用三维有限元模型对Z-pin/缝合增强试验件进行有限元分析,采用内聚力模型模拟界面的破坏情况,通过在分层的上下界面加入非线性弹簧元来模拟Z-pin/缝合的增强机制,非线性弹簧元的力学性能（桥联律）由细观力学方法获得。通过与试验结果的对比发现,由于未进行界面增强的T型结构的剪切承载能力已较高,Z-pin/缝合增强较难提高T型接头的剪切承载能力。从少数几种可提高T型接头的剪切承载能力的增强方案中可看到,应选择拉伸强度较高而拉伸模量较低的缝线来进行T型接头剪切界面增强设计。     

界面过渡层对SiC/Al双连续相复合材料性能的影响

研究了界面过渡层对SiC/Al双连续相复合材料性能的影响.结果表明,界面过渡层降低了复合材料中的残余应力,改善了界面的结合,提高了复合材料的压缩性能.当界面过渡层中SiC的体积分数接近50%时,复合材料的压缩强度最高,塑性最好,但弹性模量较低.界面过渡层的存在改变了复合材料的弯曲断裂机制.SiC原始泡沫增强的复合材料在断裂时,增强体SiC泡沫先断裂,基体后破坏,断裂表面凹凸不平;含界面过渡层的复合材料断裂时,过渡层的外侧界面先被撕开,内侧界面结合良好,基体与增强体同时断裂,断口平整.     

Mechanical repair of timber beams fractured in flexure using bonded-in reinforcements

The flexural properties of strength class C16 spruce beams have been compared to the flexural properties of the same beams repaired with bonded-in reinforcements in the form of steel or composite pultruded rods. Reinforcing materials included rectangular sections of mild steel, pultruded carbon fibre reinforced plastic (CFRP), glass fibre reinforced plastic (GFRP) and a thermoplastic matrix glass fibre reinforced polyurethane (FULCRUM). Grooves were routed into the faces of the fractured beams following straightening and the reinforcements adhesively bonded into the top, bottom or both faces of the beams. The steel and CFRP reinforcements are most effective in restoring the flexural strength which often exceeds its original value. These reinforcements are also effective in enhancing flexural strength but the CFRP reinforcement endows the greatest transformed flexural strength. The fracture mechanisms in the repaired beams depend on the placement of reinforcement and the quality of the adhesive to reinforcement bond. All properties are optimised by bonding reinforcement into both faces of the fractured beams.     

Mechanical characterization of short fiber reinforced phenolic foam

The mechanical performance of fiber-reinforced phenolic foam is characterized and compared with unreinforced foam in terms of friability, compression and shear properties, and flexural behavior of simple sandwich beams. Compared with conventional phenolic foam, foam reinforced with aramid fibers exhibits significantly lower friability, higher resistance to cracking, and more isotropic behavior, while glass fiber-reinforced foam is significantly stiffer and stronger. Sandwich structures with reinforced phenolic foam cores show unique failure behavior, in which catastrophic collapse of the structure is not only delayed, but avoided altogether. The findings in this paper, coupled with earlier results, demonstrate the potential of reinforced phenolic foam as a fire-resistant, tough and low-cost engineering material.