基于碳纳米管的三维编织复合材料健康监测技术

分析了三维编织复合材料试件结构健康监测技术现状,结合三维编织复合材料编织工艺,提出了碳纳米管在三维编织复合材料试件健康监测方面的应用方法。结果说明碳纳米管应用于三维编织复合材料整体结构监测是可行的。碳纳米管传感器在三维编织复合材料试件结构健康监测中具有优异的应变传感特性,且嵌入的碳纳米管传感器对复合材料的力学性能影响不大。这为内置碳纳米管传感器应用于复合材料制件的健康检测提供了一种新的综合和分布式技术,为先进智能复合材料的研发与应用提供了依据。     

三维全五向编织预型件的概念EI

三维编织复合材料是新型的先进材料,在航空航天高技术领域具有特殊的优势并发挥的重要作用.分析了传统三维编织复合材料的优势和不足,指出了影响该材料大范围推广应用的障碍,特别针对现有三维五向编织复合材料力学性能上的缺陷进行了分析,从材料细观结构角度提出了改进途径,给出了三维全五向编织复合材料的概念,指出了今后该材料可发展的应用领域.     

三维全五向编织复合材料的特性及制备

三维编织复合材料是一种先进复合材料,在航空航天等尖端领域的应用越来越广泛。本文分析了传统三维编织复合材料的优势、用途及存在的缺陷和不足,并提出了改进该材料性能的可能途径,即发展一种新的三维全五向编织复合材料。针对三维全五向编织复合材料这种新型的编织形式,提出了几种可能的工艺实现途径,指出用四步法编织是对材料性能影响最小,最可能实现工业化生产的途径。最后,以三维全五向编织法兰为例,对其在制备过程中的材料选择、模具设计及固化工艺进行了详细的讨论。     

三维全五向编织预型件的概念

三维编织复合材料是新型的先进材料,在航空航天高技术领域具有特殊的优势并发挥的重要作用.分析了传统三维编织复合材料的优势和不足,指出了影响该材料大范围推广应用的障碍,特别针对现有三维五向编织复合材料力学性能上的缺陷进行了分析,从材料细观结构角度提出了改进途径,给出了三维全五向编织复合材料的概念,指出了今后该材料可发展的应用领域.     

三维编织复合材料孔边特性的工程计算及分析

三维编织复合材料的研究中, 实际工程常用的带孔结构缺乏理论分析方法。在分析三种不同制孔工艺的基础上, 研究了三维编织复合材料的孔边特性, 提出了一种工程计算方法。先根据孔边纱线几何构型分析计算出制孔影响范围, 再进行孔边单元体物理性能计算, 然后用有限元方法对孔边区域进行建模计算。用此种方法对典型件进行分析计算, 并做试验验证, 试验结果与理论分析的规律性一致。在此研究基础上, 提出了一些设计、制造三维编织带孔件的工程建议。      

板状三维四向编织复合材料压缩细观破坏机理的实验研究

通过对三维四向编织复合材料薄板试件的宏观压缩破坏实验及其声发射信号的分析, 研究了该材料的抗压力学性能及其失效机理。实验结果表明: 材料的编织角对其压缩力学性能的影响很大, 随编织角的变化, 编织复合材料的压缩破坏机制发生了变化, 编织角小时, 材料表现为脆性特征; 当编织角大于某个临界角时, 材料的应力-应变曲线趋于非线性, 更多地表现为屈曲破坏。试验过程中采集到的声发射信号能有效地监测材料内部损伤演化过程。      

三维编织复合材料测试中声发射信号的分析与研究

论述了声发射技术在三维编织复合材料弯曲过程中的应用及实验方法,给出了声发射在三维编织复合材料中弯曲过程的特征.为了精确地知道材料的损伤部位,声发射源信号的采集非常重要.试验结果表明,考虑到声发射源定位研究的准确性,建议采用波形分析法.在声发射信号的采集过程中比较了参数分析法和波形分析法.根据信号的衰减程度,选择较准确的声发射源信号.利用小波变换的不同算法得到了三维编织复合材料较准确的声发射信号.     

三维编织复合材料的疲劳性能

研究了三维编织复合材料的疲劳性能和编织结构对疲劳性能的影响。进行了应力比为011 、实验频率为10 Hz 的拉2拉疲劳性能测试。结果表明, 三维编织复合材料的疲劳强度约为其抗拉强度的60 %～80 % , 比金属材料的疲劳强度的相对值高。编织角是影响三维编织结构复合材料疲劳性能的一个主要因素。随着编织角的增大, 疲劳过程中易出现各种损伤, 而且伴随明显的升温现象。编织角大的试件在疲劳实验过程中模量变化明显, 并且呈现逐渐升高的趋势, 这与金属材料的双模量变化规律不同。在疲劳次数为100 万次后, 试件的剩余强度高于静载拉伸强度, 这主要是由于在疲劳测试过程中, 试件内编织纱线的取向更接近受力方向所致。      

三维编织复合材料拉伸性能试验研究

制定了一套适用于测定三维编织复合材料拉伸性能的试验方法，并结合试验数据，总结了编织参数与三维编织复合材料拉伸性能的关系。     

碳纤维三维编织复合材料的结构对拉伸和弯曲性能的影响

研究了碳纤维四步法三维四向、三维五向编织结构复合材料的拉伸和弯曲性能,以及结构参数-编织角的变化对其拉伸和弯曲性能的影响,并与层合复合材料作了对比性研究.结果表明,三维编织复合材料具有良好的力学性能,其拉伸强度可达810MPa、拉伸模量可达95.6GPa,弯曲强度可达829.03MPa、弯曲模量可达67.5GPa.同时,编织角和编织结构对复合材料性能有较大的影响.随着编织角的增大,复合材料的拉伸、弯曲强度和模量均减小;三维五向结构的拉伸、弯曲强度和模量均高于四向结构;在纤维体积含量相近的情况下,通过对编织角的设计,可以设计三维编织复合材料的性能.     

光纤Bragg光栅用于三维编织复合材料结构的内应变测量

本文对应用光纤Bragg光栅传感器编入三维编织复合材料结构内部的测量进行了研究.首先简要介绍了光纤光栅的编入方法和传感原理.随后进行的实验结果显示由应变计及光纤光栅所得到的载荷-应变曲线都具有良好的线性关系,实验之间的结果符合得很好,表明光纤Bragg光栅传感器可以用来精确检测编织试件复杂载荷状态下的内应变.从而将会促进光纤光栅在3-D编织复合材料结构的内部结构检测和强度失效分析中的更广泛应用.     

三维编织复合材料弹道侵彻准细观层次有限元计算

三维编织复合材料相比于层合复合材料有较高的层间剪切强度和断裂韧性,因而具有更高的冲击损伤容限。用钢芯弹对三维编织复合材料作弹道贯穿测试,得到弹体的入射速度和剩余速度,并考察侵彻破坏模式。目前对三维编织复合材料弹道侵彻性能计算主要建立在连续介质假设上,从真实细观结构计算三维编织复合材料弹道冲击性能尚有一定难度,用三维结构复合材料的纤维倾斜模型在准细观结构层次上分解三维编织复合材料,就其中的一块倾斜单向板作弹道侵彻有限元计算,由弹体动能损失得到贯穿整个复合材料靶体后弹体的剩余速度。有限元计算及与弹道测试结果的比较证明在准细观层次上计算三维编织复合材料弹道冲击性能的有效性。      

In-plane Compressive Behaviors of 3-D Textile Composites at Various Strain Rates

The in-plane compressive behaviors of 3-D textile composites, which including 3-D woven composite, multi-axial multi-layer warp knitted (MMWK) composite and 3-D braided composite, were studied at quasi-static and high strain rate compression loading. The compression behaviors at high strain rates (600∼2,500/s) were tested with split Hopkinson pressure bar (SHPB). The quasi-static compressive tests were conducted on a MTS 810.23 tester and compared with the results at high strain rates. The comparisons indicate that the compression stiffness, failure stress and failure strain for the three kinds of 3-D textile composites are sensitive to strain rate. The MMWK composite has higher failure stress than the 3-D woven composite and 3-D braided composite at the same strain rate; however, the failure strain of the 3-D braided composites is higher than that of the 3-D woven composite and 3-D knitted composite at quasi-static compression because of the quasi-isotropic structure feature in the 3-D braided composite. The compressive failure modes of the 3-D woven composite, MMWK composite and 3-D braided composite are totally different because of the different preform structure.     

三维编织复合材料制件的细观单胞元分析

讨论了实现三维编织复合材料细观结构与宏观响应直接相关连的计算方法——细观单胞元法。该方法采用细观结构单胞作为离散单元对三维编织复合材料制件进行宏观网格剖分,在细观结构分析的基础上,将微结构上的物理量转换为细观单胞元的宏观节点变量,建立了细观单胞元刚度矩阵的求解方法。数值结果表明,该方法能反映细观结构参数的变化对材料宏观物理量的影响。     

编入光纤后的3-D编织复合材料结构的力学建模

对于埋入光纤后的3-D编织复合材料结构进行了力学建模,介绍了光纤埋入编织材料结构的编织方法、工艺和走向,构建了含光纤部分编织复合材料结构的内胞模型,分析了光纤与纱线及内胞的相互几何关系,并采用多元变分法建立含光纤3-D编织复合材料结构的本构关系,理论计算结果与实验结果的相一致验证了光纤编入3-D编织复合材料结构中提高检测结构内部参数方法的可行性。      

Mechanical analysis of 3-D braided composites by the finite multiphase element method

A finite multiphase element method (FMEM), in which the element comprises more than one kind of material, has been proposed to predict the effective elastic properties of 3-D braided composites. This method is based on the variational principle and our previous geometric model that assumes the existence of different types of unit cells in the three regions in a 3-D braided composite, i.e. the interior, surface and corner. The numerical procedure involved two steps. First, a fine local mesh at the unit cell level is used to analyze the stress/strain of each unit cell. Then, a relatively coarse global mesh is used to obtain the overall responses of the composite at macroscopic level. By using the stress volume averaging method, the effective elastic properties of the composite can be calculated under the prescribed uniform strain boundary conditions. Finally, the predicted stress/strain curves are compared with experimental results, demonstrating the applicability of the FME method.     

编织复合材料弹性性能的细观分析及试验研究

基于细观分析与体积平均法建立了二维编织/RTM复合材料刚度的理论分析方法,该分析方法针对工程应用,具有计算量较小、计算精度高等优点,完成了相应的软件分析工具,并在此基础上对编织复合材料的弹性性能进行分析研究,得到了结构参数对编织复合材料整体力学性能的影响。通过与实验数据的对比表明,分析结果精度高,能够满足工程结构设计和理论分析的需要,为二维编织复合材料的设计、分析和减少试验件提供了理论分析方法。      

三维四向编织复合材料的黏弹性能

基于均匀化理论建立了预测具有微观周期性结构复合材料黏弹性能的力学模型。利用此模型并结合有限元法分别研究了纤维束和三维编织复合材料的黏弹性能。通过对计算结果的分析, 给出了三维编织复合材料黏弹性能随工艺参数变化的规律。结果表明, 三维编织复合材料编织方向的黏弹性效应随编织角的增大而增强, 随纤维体积比的增大而减弱, 此规律与实验结论一致。