三维多向编织复合材料弯曲模量的理论预测

基于单胞分析模型,采用改进的刚度平均化方法,对三维四向和五向编织复合材料的各单胞及各层的弹性性能进行预测与分析;进一步,利用材料力学理论,推导材料的弯曲模量,分析编织角、纤维体积含量以及试件尺寸对其的影响,并与拉伸模量及试验值进行比较.结果表明,三维编织复合材料的不同胞体及各层之间的弹性性能存在较大差异,并且材料的弯曲模量大于拉伸模量.研究还表明,编织角和纤维体积含量是影响材料弯曲模量的重要参数,弯曲弹性性能受试件厚度的影响比宽度大,当宽度和厚度达到一定尺寸时,弯曲模量会趋于定值.此外,三维五向编织复合材料的弯曲弹性性能明显优于三维四向编织复合材料.     

三维编织C/SiC复合材料拉伸损伤演化

利用声发射技术,对三维编织C/SiC复合材料在拉伸过程中损伤发展、演化进行了实验研究。实验采集了三维编织C/SiC复合材料拉伸过程的声发射信号。运用多参数分析法,分析了三维编织C/SiC复合材料拉伸损伤的声发射特性,宏观上揭示了材料拉伸损伤的发展、演化过程和规律。研究结果表明三维编织C/SiC复合材料拉伸损伤演化可被分为两个主要阶段,损伤初始阶段和损伤严重阶段。     

多重基体开裂对平纹编织C/SiC复合材料断裂强度的影响

平纹编织C/SiC复合材料含裂纹试件受拉伸载荷时,裂纹尖端出现垂直于载荷方向的基体开裂损伤带。对试件断口观察,发现拉伸带宽度约等于纤维束宽度;裂纹扩展时,拉伸带内垂直于裂纹面的纤维束形成对裂纹面的桥联。试验结果显示,桥联纤维束出现多重基体开裂的材料断裂强度较高;而纤维束断面平整,未出现多重基体开裂的材料断裂强度相对较低。基于D-B(Dugdale-Barrenblett)模型,研究纤维束多重基体开裂损伤对C/SiC复合材料断裂强度的影响。发现多重基体开裂损伤引起纤维束非线性应力应变关系,能显著提高平纹编织C/SiC复合材料含裂纹件的断裂强度。对于平纹编织C/SiC复合材料,长度参数L0=G/(Fσ20)可以表征材料内桥联机制作用的范围。当裂纹裂纹长度a≥6 mm时,线弹性断裂力学对于平纹编织C/SiC复合材料是适用的。     

基于有限元计算细观力学的RVE库的建立与应用

基于有限元计算细观力学理论,以MSC.PATRAN为平台,利用PCL(PATRAN command language)实现RVE(representative volume element)的参数化自动建模,建立RVE库,集成相应的细观力学计算程序,一体化预测复合材料宏观性能.通过工程实例,调用RVE库中的平纹编织复合材料RVE,预测平纹编织C/SiC复合材料的宏观弹性模量,对空天飞机全C/SiC复合材料机身襟翼进行静力有限元计算,实现结构材料一体化设计.     

2D编织复合材料参数化分析和优化设计研究

基于C／SiC编织复合材料的微观结构形式,建立了包含不同尺度参数的C／SiC多尺度有限元分析模型;采用能量法预测了C／SiC复合材料的等效弹性常数,分析了不同参数对C／SiC力学性能的影响,从而建立了C／SiC复合材料多元多层微结构优化设计模型。计算结果表明,建立的有限元模型能有效地反应不同参数的影响,优化设计模型能有效地用于C/SiC复合材料为结构的设计。     

三维编织C/SiC复合材料剪切和弯曲性能的实验研究

对三维编织C/SiC复合材料进行剪切试验和两种弯曲试验,得到材料的剪切性能和弯曲性能以及相应的失效规律.在剪切试验中发现两种剪切试验的剪切模量相差较大,但由于两种剪切的破坏面相同,所以剪切强度相差不大.通过分析得到由两种弯曲试验获得的弯曲模量不同的原因.通过分析还得到拉压模量不同的材料的四点弯曲模量计算公式,发现计算值在试件上下表面应变相差不大时与均质材料的计算结果相差不大.     

2D-C/SiC高温弹性模量的预测

平纹碳布(正交纤维)经过叠层得到二维纤维预制体,预制体通过化学气相渗透法沉积热解碳界面和SiC基体,得到二维编织碳纤维增强碳化硅复合材料(2D-C/SiC)。将纤维与热解碳层进行一体化考虑,把基体与孔隙进行一体化考虑,分别计算纤维的就位模量和基体的有效模量;考虑基体和纤维的模量随温度的变化,在混合定则的基础上,将横向纤维当作孔隙、将横向纤维当作基体和1/2混合定则对2D-C/SiC进行三种简化,预测2D-C/SiC复合材料在室温和高温下的弹性模量。与试验结果进行比较发现,利用1/2混合定则预测的2D-C/SiC在室温和高温下的弹性模量与试验值最接近。     

单向陶瓷基复合材料横向弯曲试验研究

编织复合材料由于其复杂的纤维编织结构,其界面力学性能的测试与表征较困难。为了研究编织复合材料的界面力学性能,探明复合材料界面剥离强度,文中设计并制备了单向模型复合材料,开展相关横向弯曲试验。结果表明,C/SiC采用PyC界面时,其界面剥离强度约为3 MPa,远低于界面剪切强度。通过对界面强度的综合分析,揭示了编织复合材料的界面力学性能。文中研究不仅对拓展C/SiC的应用具有重要的经济意义,而且可为编织复合材料界面力学的研究提供一定的理论和试验支撑。     

平纹编织C/SiC复合材料层合板面内力学性能的可设计性研究

通过试验和理论分析,研究平纹编织C/SiC复合材料层合板的面内承载特性.制备(0°/90°)主方向和(±45°)偏轴向试件,并分别进行室温下面内单向拉伸和剪切试验.试验结果显示平纹编织C/SiC复合材料层合板的力学性能与纤维方向角相关,(±45°)偏轴向试件的抗剪切破坏性能明显较高.基于微观结构的解析模型分析表明,孔洞和微裂纹的存在大幅度降低了SiC基体的有效弹性模量.经典层合板理论仍然适用于该材料类型层合板的刚度分析,从而证实碳纤维对层合板力学性能的控制作用.平纹编织C/SiC复合材料层合板的面内力学性能具备良好的可设计性.     

三维编织复合材料拉伸模量的有限元分析

利用改进的单胞模型对三维四向编织C/QY9511复合材料的拉伸行为进行有限元模拟,得到其在固定编织角下拉伸模量随纤维体积含量变化的曲线,并与实验值进行比较;结果表明,随着纤维体积含量的增加,其拉伸模量也在增加.     

圆管状三维编织复合材料多尺度耦合分析

在建立圆管状三维编织复合材料多尺度模型基础上,对其多尺度耦合进行数值分析。通过对微、细观单胞的分析,逐级得到纤维束的平均弹性常数和编织复合材料的平均弹性常数。然后由相反方向建立应力之间的传递,选取一种有代表性的宏观圆管结构进行载荷和应力分析,估计出结构中关键部位微、细观的应力状态,为编织复合材料的强度和损伤分析提供参考。     

C/SiC复合材料组织对磨削力与加工表面质量的影响

采用树脂结合剂金刚石砂轮对C/SiC复合材料与SiC陶瓷进行了平面磨削加工试验,通过对比两种材料的磨削力及磨削加工表面质量,分析了C/SiC复合材料组织与其磨削加工特性的 关系。研究结果表明,C/SiC复合材料中碳纤维及SiC基体皆以脆性断裂方式实现材料去除;与SiC陶瓷的加工表面(其表面粗糙度值Ra为0.2~0.3μm)相比,C/SiC复合材料磨削时由于碳纤维层状断裂、拔出及其与SiC非同步去除现象导致其加工表面粗糙度值较高, Ra为0.8~1.0μm;C/SiC复合材料磨削力较小,是相同工艺参数下SiC陶瓷材料磨削力的35%~76%。     

三维编织复合材料振动阻尼特性的实验研究

采用悬臂梁自由振动衰减实验方法研究三维编织复合材料的振动阻尼特性,分析编织角、纤维体积含量和编织结构对三维编织复合材料振动阻尼特性的影响.根据测量得到的三维编织复合材料的频率和模态,确定材料的纵向弹性模量.结果表明,三维编织复合材料的阻尼性能随编织角的增大、纤维体积含量的降低而提高;而五向编织结构的材料阻尼性能比四向编织结构的材料优异.此外,确定的纵向弹性模量随编织参数的变化规律与文献中的结果一致.     

颗粒增强复合材料有效弹性模量的预报

用细观力学的方法对陶瓷颗粒增强金属基复合材料进行研究,把材料简化为三相模型,陶瓷粒子和基体壳简化为椭球形二相胞元,用Mori-Tanaka法建立二相胞元的刚度预报模型.结果表明,二相胞元为横观各向同性,具有5个独立的弹性常数.据二相胞元方位的随机性,由应力应变换轴公式和物理方程确定复合材料的平均应变,进而得到复合材料的等效弹性模量和等效泊松比以及等效刚度模量的理论计算公式,并通过对所建模型的分析,确定各参量与陶瓷颗粒含量之间的关系.     

三维编织碳/碳复合材料(C/C)的拉伸性能及损伤

C/C复合材料具有优异的高温性能 ,采用编织结构可改善其受外载时的内部应力状态 ,提高力学性能。但是 ,三维编织 C/C复合材料结构、组织的多样性 ,加大了其性能及损伤研究的难度。本文主要研究了三维编织 C/C复合材料的拉伸性能及损伤扩展过程 ,分析了影响性能的主要因素 ,并总结了材料的损伤破坏方式     

纤维方向对单向C/SiC复合材料磨削加工性能的影响

为了研究碳纤维编织复合材料的去除机理，探明纤维编织方向对磨削加工性能的影响，设计并制备了单向复合材料C/SiC，并沿纤维典型方向进行了磨削实验。结果表明，单向复合材料磨削时，切向磨削力和法向磨削力均呈如下规律：法向磨削＞纵向磨削＞横向磨削；磨削加工过程中表面粗糙度值呈如下规律：纵向磨削＞法向磨削＞横向磨削。对加工表面显微形貌的分析，揭示了陶瓷基复合材料微观多向去除机理。     

Effect of machining parameters on the milling process of 2.5D C/SiC ceramic matrix composites

Abstract

The C/SiC ceramic matrix composites are widely used for high-value components in the nuclear, aerospace and aircraft industries. The cutting mechanism of machining C/SiC ceramic matrix composites is one of the most challenging problems in composites application. Therefore, the effects of machining parameters on the machinability of milling 2.5D C/SiC ceramic matrix composites is are investigated in this article. The related milling experiments has been carried out based on the C/SiC ceramic matrix composites fixed in two different machining directions. For two different machining directions, the influences of spindle speed, feed rate and depth of cut on cutting forces and surface roughness are studied, and the chip formation mechanism is discussed further. It can be seen from the experiment results that the measured cutting forces of the machining direction B are greater than those of the in machining direction A under the same machining conditions. The machining parameters, which include spindle speed, feed rate, depth of cut and machining direction, have an important influence on the cutting force and surface roughness. This research provides an important guidance for improving the machining efficiency, controlling and optimizing the machined surface quality of C/SiC ceramic matrix composites in the milling process.     

Compression response, strength and post-peak response of an axial fiber reinforced tow

This paper discusses the results of a finite element (FE)-based study of the compressive instabilities of axial fiber tows in 2D triaxial braided carbon fiber composites (2DTBC). A 3D FE model of an axial tow is used in conjunction with the ABAQUS commercial FE code. To accommodate unstable snap-back post-peak behavior, an arc-length solution technique is adopted to solve the FE equations. Explicit account of the braid microstructure (geometry and packing) and the measured inelastic properties of the matrix (the in-situ properties) are accounted for via the use of the FE method. This type of detailed modeling is necessary for developing a mechanism-based failure prediction capability. The computational model provides a means to assess the compressive strength of the axial fiber tow and its dependence on various microstructural parameters. It also serves as a tool to assess the most significant parameters that affect compressive strength of a 2DTBC.     

Influence of matrix carbon texture on the temperature field of carbon/carbon composites during braking

The friction, wear and thermal properties and temperature fields of three C/C composites with different matrix carbon textures were investigated in simulations of normal landing condition for aircraft brake disks. Temperature fields were also simulated using a finite element method. The matrix carbon textures had important influence on temperature fields. The sample with rough laminar pyrolytic carbon is the best choice for airplane brake disk due to its excellent friction, wear and thermal properties and lower temperature at the friction interface and thermal gradient by contrast with the samples with resin-derived carbon and smooth laminar pyrolytic carbon.