三维机织复合材料在拉压循环载荷下的疲劳性能

为研究三维机织复合材料在拉伸-压缩循环载荷下的疲劳性能,对材料进行了应力比R=-1的疲劳试验。在不同的载荷水平下,分别进行了纬向和经向两类拉压疲劳试验。试验获得了试样在疲劳载荷下的滞回曲线和全过程中剩余刚度比随寿命的变化曲线。结果表明,在拉伸-压缩循环载荷下,三维机织复合材料的疲劳损伤过程主要包含3个阶段,分别发生基体破坏、纱线横向裂纹扩展和纱线的最终断裂。基体的破碎和开胶、垂直于载荷方向排布的纱线撕裂和沿载荷方向排布的纱线断裂是试样内部的主要失效模式。试验还获得了纬向和经向拉压疲劳的拟合S-N曲线,可应用于工程中对该型材料进行疲劳寿命估算。该型材料的疲劳寿命在低应力区和高应力区均显示出较小的分散性,双对数坐标系下的拟合S-N曲线具有较好的线性度。     

2.5D机织石英纤维增强树脂复合材料不同方向力学性能测试与模量预测2.5D机织石英纤维增强树脂复合材料不同方向力学性能测试与模量预测

石英纤维增强树脂复合材料常用于多物理场耦合环境下,为保证足够的层间性能,常采用2.5D机织的结构形式。本文对一种浅交弯联2.5D机织石英纤维增强双马树脂复合材料的三维力学性能进行全面测试,对比分析了材料在不同方向的拉伸性能和压缩性能,以及面内、面外剪切性能。测试结果表明,该复合材料的纬向拉伸、压缩模量略高于经向,而拉伸、压缩强度远高于经向,导致经向和纬向拉、压破坏模式差异显著,拉伸时弯曲的经向纤维被拉断,平直的纬向纤维劈裂,压缩时平直的纬向纤维压断,弯曲的经向纤维屈曲。同时,该种材料具有较高的面内、面外剪切变形能力。此外,本文基于混合定律,提出了一个2.5D机织复合材料经、纬向模量估算公式。基于材料微观结构特征,以包含经纱和纬纱的一个单胞作为代表性体积单元,建立有限元模型,预测该2.5D机织复合材料经向模量,预测结果与试验结果吻合很好。本文的研究对2.5D机织石英纤维/双马树脂复合材料的研发具有一定的指导意义。      

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。      

碳纤维三维角联锁机织复合材料弯曲作用下力阻响应

电阻法在碳纤维复合材料结构健康监测(SHM)中具有巨大应用前景。本文研究了碳纤维三维角联锁机织复合材料经向和纬向试件在弯曲作用下力-电阻响应,探究电阻变化与复合材料结构损伤的相关性。试验结果表明：经向和纬向试件在弯曲作用下电阻变化与试件主要承载纱线损伤情况具有相关性。准静态三点弯曲加载下,试件电阻变化可以反映试件承载能力变化：在最大载荷点之前,试件电阻基本不变;主要承载纱线发生断裂损伤时,电阻增加。弯曲疲劳加载下,试件电阻变化可以反映试件承载能力退化情况：在弯曲疲劳加载前期,三维角联锁机织复合材料呈现负压阻效应;随着循环次数增加,基体裂纹、界面脱粘等不可逆损伤不断累积,电阻缓慢增大;在弯曲疲劳加载后期,主要承载纱线断裂,电阻显著增加;试件最终疲劳失效时,电阻急剧增加。     

横向载荷下复合材料层合板疲劳分析

疲劳破坏是结构失效的主要原因之一。基于复合材料各向异性层合板的宏观力学理论,分析在横向交变载荷作用下层合板的应力场。结合材料的S-N曲线和累积损伤原理,建立局部名义应力与结构整体寿命相关联的疲劳寿命预测模型,计算层合板的疲劳损伤和寿命。采用名义应力的方法估算复合材料层合板的疲劳寿命较为便捷和直观。     

2.5D机织复合材料压缩性能实验与数值模拟

为了研究2.5D机织复合材料的压缩损伤和失效机制,验证双尺度渐进损伤有限元数值模拟方法的有效性,对这类复合材料分别沿经纱方向和纬纱方向进行了准静态压缩实验,获得了其相应的应力-应变曲线,并测定了材料的初始弹性模量和极限强度。在此基础上,利用双尺度渐进损伤有限元数值方法模拟分析了材料的压缩应力-应变响应和损伤演化行为,取得了与实验吻合较好的模拟结果。结果表明:2.5D机织复合材料在纬向压缩下的主要失效模式是纬纱的轴向压溃与断裂,可获得相对较高的压缩强度;但在经向压缩下,经纱因弯曲会承受附加弯矩作用,从而对周围基体造成挤压,故在经纱轴向断裂之前容易出现经纱之间基体的压溃和纱线之间的分层开裂,使强度降低,不利于发挥纤维的承载优势。     

2.5维机织复合材料经向拉伸弹性模量预测与试验验证

采用沿经向切片积分的方法计算2.5维机织复合材料的宏观经向拉伸弹性模量, 与试验结果和传统的体积平均合成方法进行了对比, 分析表明, 本文中的方法能够有效提高传统体积平均法的预测精度。利用文中的方法分析了2.5维机织复合材料沿在机织循环过程中的经向拉伸弹性模量分布情况, 并且对相关机织结构的2.5维机织复合材料进行了试验研究。研究发现, 经纱弯曲程度较小的直联结构和添加平直经纱的衬经结构能够有效提高2.5维机织复合材料的经向拉伸弹性模量, 并且能够改善经向拉伸应力-应变曲线的非线性。     

2.5维机织复合材料经向拉伸弹性模量预测与试验验证

采用沿经向切片积分的方法计算2.5维机织复合材料的宏观经向拉伸弹性模量,与试验结果和传统的体积平均合成方法进行了对比,分析表明,本文中的方法能够有效提高传统体积平均法的预测精度.利用文中的方法分析了2.5维机织复合材料沿在机织循环过程中的经向拉伸弹性模量分布情况,并且对相关机织结构的2.5维机织复合材料进行了试验研究.研究发现,经纱弯曲程度较小的直联结构和添加平直经纱的衬经结构能够有效提高2.5维机织复合材料的经向拉伸弹性模量,并且能够改善经向拉伸应力-应变曲线的非线性.     

结构参数对碳/ 树脂3D 机织复合材料拉伸性能的影响

通过一系列的实验比较和分析研究, 客观评价了4 种不同结构碳/ 树脂3D 机织复合材料沿经向和纬向的拉伸性能。实验结果表明, 4 种3D 机织复合材料沿经向和纬向的负荷-位移曲线具有双线性, 初始模量高于二次模量; 3D 机织复合材料的拉伸曲线无屈服点, 是脆性材料; 3D 机织复合材料的力学性能优良,可同时在经向和纬向获得很高的拉伸性能; 加入衬经纱可以大大提高经向的拉伸强度和模量, 加大纬纱密度可以大大提高纬向的拉伸强度和模量; 4 种不同结构3D 机织复合材料中以带衬经和衬纬的复合材料拉伸性能为最佳。      

钢箱梁正交异性桥面板疲劳评估全空间S-N曲线研究

全空间S-N曲线是利用时序准则进行钢箱梁正交异性桥面板疲劳评估的基础。首先基于钢桥设计规范给出的有限疲劳寿命区S-N曲线,从理论上推导了覆盖低周疲劳寿命区、有限疲劳寿命区和高周疲劳寿命区的一般全空间S-N曲线模型。进一步针对小型汽车和日常风等荷载引起的低水平应力幅以及地震和强风等荷载引起的高水平应力幅,引入高周疲劳损伤累积因子和低周疲劳强度调整因子分别对低水平应力幅和高水平应力幅造成的疲劳损伤进行计算,提出一种适用于钢箱梁正交异性桥面板疲劳评估的全空间S-N曲线模型。在此基础上对模型参数的几何意义进行了解释。最后采用正交异性桥面板顶板-U肋疲劳试验数据对模型参数进行了估计,得到了具有最佳拟合度的全空间S-N曲线和具有99%保证率的疲劳评估全空间S-N曲线。研究结果表明,该文提出的全空间S-N曲线模型能准确描述钢箱梁正交异性桥面板在各种应力幅下的疲劳损伤累积特性。研究结果可为钢箱梁正交异性桥面板的疲劳评估奠定基础。     

Finite Element Analysis of Warp-Reinforced 2.5D Woven Composites Based on a Meso-Scale Voxel Model under Compression Loading

A study is conducted with the aim of developing meso-scale voxel-based model for evaluating the compressive behaviors of warp-reinforced 2.5D woven composites. The real microstructure of warp-reinforced 2.5D woven composites is established. For the validation of this model, a series of axial (warp direction) and transverse (weft direction) compressive tests are conducted. The results show that under axial and transverse compressive loading, the calculated max stress and the final damage morphology agree well with the experimental results. Moreover, it is found that the axial compressive strength is mainly dependent on the high-crimp blinder warp, while the transverse compressive strength is significantly influenced by the warp/weft interlaced regions. It is expected that such a numerical investigation will provide useful information for understanding the strength and failure characteristic of 2.5D woven composites.     

上浆量对碳纤维的立体织造损伤及其复合材料拉伸性能的影响

结合立体织造技术和树脂传递模塑(RTM)工艺制备了不同上浆量国产碳纤维的2.5D经向增强复合材料。使用毛羽测试法、复丝拉伸法及SEM分析了不同上浆量预制织物中经纱、衬经纱和纬纱的织造损伤情况。结果表明:碳纤维织造损伤率随着上浆量的增加而减小;2.5D经向增强复合材料中纱线的损伤率大小依次为纬纱、经纱、衬经纱。复合材料拉伸性能测试结果表明:当国产碳纤维上浆量为2.01%时,2.5D经向增强复合材料的性能最佳。     

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。     

一种改进的基于两单胞模型的三维角联锁机织复合材料弹性性能数值预测方法及实验验证

为准确预测三维角联锁机织复合材料的宏观弹性性能,对基于CT图像几何参数实测数据建立的内单胞和面单胞细观实体模型进行数值分析,其中面单胞模型采用组合面单胞形式,并开展了三维角联锁机织超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维/聚氨酯复合材料的经向拉伸实验。结果表明:基于两单胞模型预测该复合材料的宏观弹性模量与实验结果吻合较好,组合面单胞的经向拉伸模量小于内单胞;经向拉伸时复合材料在经纱间接触面处、纬纱沿宽度方向的端部和经纱与基体的交界面处易出现应力集中现象;当纬纱层数小于30层时,应该考虑表面区域对复合材料整体力学性能的影响。