经纬向纤维体积比例对2.5D机织复合材料力学性能的影响

以T800碳纤维为原材料,制备5种不同经纬向纤维体积比例的2.5D机织结构预制件,并以其为增强材料制备了T800碳/环氧2.5D机织复合材料.通过进行拉伸、弯曲、压缩3种实验,分析比较经纬向纤维体积比例对力学性能的影响.实验结果表明:2.5D机织复合材料的经、纬向力学性能与该方向的纤维体积含量相关;当经纬向体积比例为1∶0.5时,复合材料表现出经、纬向均衡的力学性能;此外,还表明指数函数可以较好地拟合不同经纬向纤维体积比例的2.5D机织复合材料的力学性能.     

多维多向纺织复合材料的冲击性能

以碳纤维为原材料,制备层间连接程度递进的层合织物、2.5D机织物、机织三向织物和三维编织物,并以它们为增强材料制备纺织复合材料;分析不同结构的交织规律,并进行低速冲击试验,研究冲击性能和4种结构之间的关系;通过分析冲击记录曲线和试样的冲击破坏特征,比较不同结构的抗冲击性能.结果表明:4种结构复合材料的抗冲击性能从大到小依次为,机织三向、2.5D机织、层合结构和三维编织复合材料.     

层合复合材料簧片单元弯曲力学性能

为提高空间可展铰链的运行稳定性和可靠性,减轻结构质量,研究了碳纤维增强层合复合材料簧片单元的弯曲性能.以衡量簧片驱动能力的应变能、稳态弯矩以及簧片自锁能力的屈曲临界弯矩为力学性能指标.分析了可折叠自展开的簧片单元在弯曲折叠过程中,复合材料铺层角度、铺层厚度和簧片截面半径对各性能指标的影响.研究结果表明:随着复合材料铺层角度的增加,簧片驱动能力增强,但其自锁能力基本不变;随着复合材料铺层厚度和截面半径的增加,簧片的驱动能力和自锁能力均增强;随着材料铺层角度、截面半径的增加,簧片的横截面出现截面变形现象且伴随微小回弹.研究结果对于空间簧片式铰链驱动性能的改进具有一定的参考价值.     

形状记忆聚合物复合材料及其在空间可展结构中的应用

为提高空间可展铰链的运行稳定性和可靠性,减轻结构质量,研究了碳纤维增强层合复合材料簧片单元的弯曲性能.以衡量簧片驱动能力的应变能、稳态弯矩以及簧片自锁能力的屈曲临界弯矩为力学性能指标.分析了可折叠自展开的簧片单元在弯曲折叠过程中,复合材料铺层角度、铺层厚度和簧片截面半径对各性能指标的影响.研究结果表明：随着复合材料铺层角度的增加,簧片驱动能力增强,但其自锁能力基本不变;随着复合材料铺层厚度和截面半径的增加,簧片的驱动能力和自锁能力均增强;随着材料铺层角度、截面半径的增加,簧片的横截面出现截面变形现象且伴随微小回弹.研究结果对于空间簧片式铰链驱动性能的改进具有一定的参考价值.

     

聚氨酯夹芯整体层连复合材料的力学性能研究

整体中空层连复合材料是一种新型的具有特殊结构的夹芯复合材料,主要由经纱与纬纱编织组成的表层和连接2个表层的具有特殊结构的芯部整体编织而成.本文简述了整体中空层连复合材料的复合成型工艺及填充聚氨酯发泡剂的过程,并以高度为25mm填充有聚氨酯发泡剂的玻璃纤维整体中空层连复合材料为例,采用INSTRON电子万能试验机对其进行平压实验;经向和纬向的侧压实验以及弯曲实验等,以测量该种材料的静态力学性能,获得该材料的力学性能参数.同时,文章还采用37mm的SHPB装置,对该种材料的动态力学性能进行了测试研究,得到了材料在动态载荷下的应力应变曲线,分析了该种材料的动态吸能特性以及破坏模式,并对比分析了整体中空层连复合材料经向和纬向的性能差异,得到一些有益结论.为此新型材料在工程结构中的应用提供了一定的参考.     

2D编织混杂复合材料圆管压缩和弯曲性能研究

通过玻璃/芳纶混杂纤维复合材料圆管的轴向静态压缩和三点弯曲实验,分析了复合材料圆管的压缩及弯曲性能,探讨了编织角和纤维混杂比对复合材料圆管压缩及弯曲性能的影响,并对其破坏形式进行了分析.结果表明:当编织角分别为30毅、45毅和60毅时,玻璃/芳纶混杂比为1颐1时圆管的压缩强度最低,圆管2G/2K-60的压缩强度最低为58.4 MPa,比纯玻璃纤维圆管G-60降低了约31.7%;另外,在相同编织角下,玻璃/芳纶混杂比为1颐3时圆管的弯曲强度最高,复合材料圆管G/3K-30具有最好的弯曲性能;当玻璃/芳纶混杂比分别为3颐1、1颐1和1颐3时,编织角越小,圆管的压缩强度和弯曲强度越大.可见,复合材料圆管的压缩和弯曲破坏机理与纤维混杂比及编织工艺参数有关.     

复合材料加口盖柱壳的设计与分析

基于ABAQUS软件,建立了1/3复合材料加筋柱壳结构的有限元模型,并对其压缩性能进行了分析,结果表明:结构的破坏形式为压缩稳定性破坏。在此基础上,研究了口盖的材料、铺层、尺寸等对带口盖加筋柱壳压缩性能的影响,为满足工程需要提出了对柱壳结构开口尺寸及口盖设计的改进方法。通过对改进结构进行分析表明,将口盖铺层的纤维整体偏转25°,能够使柱壳屈曲载荷提高6.8%,口盖选用与基体结构相同的复合材料比选用金属材料好。在对质量要求不高的情况下,口盖材料可以用铝合金7075代替碳纤维复合材料。     

玄武岩纤维增强复合材料管件准静态压缩试验

以三维四向编织玄武岩纤维/树脂复合材料(BFRP)为研究对象,分别对编织角为30°、45°和60°的圆形和方形两种类型的玄武岩增强复合材料管件进行准静态压缩试验。结果表明:不同的编织角度和截面形状对玄武岩增强复合材料管件的压缩吸能特性均有显著的影响。方形和圆形两种截面类型管件的最大承受载荷均随着编织角增大而降低;在保证纤维含量近似相等的条件下,圆管的峰值载荷大于方管,其中编织角30°时圆管的峰值载荷相较于方管高出了50%左右;能量吸收方面,圆管的比能量吸收值较高,整体的吸能特性要优于方管;管件的破坏模式与编织角有关,与管件截面形状关系不大。     

缝合铺层碳/环氧复合材料动态压缩性能实验研究

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)动态测试系统对环氧树脂E-51和缝合铺层复合材料厚度方向的压缩性能进行实验研究,得到了不同应变率下的压缩应力-应变关系和压缩强度,并通过冲击破坏形貌来探讨材料的动态压缩破坏模式.结果表明:环氧树脂E-51是应变率相关材料,但其应变率敏感程度并不高;缝合铺层碳/环氧复合材料厚度方向的应力-应变曲线对应变率是敏感的,随着应变率的增加,最大应力增大,应变率在900 s-1比应变率在350 s-1的压缩强度增加120%;破坏的主要原因是纤维和树脂的分离以及纤维之间产生相对位移形成微裂纹,随着载荷的增加和应力集中的作用,促使裂纹扩展导致材料破坏.     

非屈曲织物增强复合材料双轴压缩力学行为

在实际工程应用中,复合材料与构件往往处于复杂的应力状态,开展近似真实载荷环境下的力学实验分析,能够更准确地认识实际应用中材料的真实承载能力和失效机理.基于非屈曲单向碳纤维织物复合材料层合板的细观结构特征,设计了双轴压缩试样,开展了材料单轴、双轴压缩试验研究,对比分析了单向织物复合材料在不同压缩载荷下的力学行为.研究结果表明:非屈曲单向织物复合材料的单轴压缩行为表现为线性、脆性断裂;破坏模式整体表现为剪切屈曲破坏,与单轴压缩相比,双轴压缩载荷作用下材料整体表现为线性、脆性断裂,但其应力-应变曲线表现出一定的非线性特征;双轴1∶1等比例压缩对材料抵抗变形能力有一定强化效应,材料压缩模量增加;双轴2∶1非等比例压缩的结果与之相反,材料压缩模量大幅降低;双轴压缩强度均低于其单轴压缩强度;破坏模式主要表现为分层、基体开裂和纤维断裂,其中以分层现象尤为明显.     

温湿场交变环境下外加载荷对不同孔隙率CFRP弯曲力学性能影响

为探究不同孔隙率碳纤维/环氧树脂层合板在仿超音速飞行的高低温湿热老化环境及外加载荷作用对弯曲力学性能的影响规律,基于材料服役期间的吸湿状态和内应力状态,对T700CF/3234EP进行模拟超音速飞机服役环境的高低温交变加速湿热循环试验.通过控制模压压力,制备3种孔隙率分别为0.04、0.08和0.11的层合板,将3种孔隙率的层合板进行加载,加载载荷为层合板最大弯曲载荷的0、30%、40%和60%,然后将其置于高低温环境模拟试验箱中,分别测量不同循环周期复合材料层合板的弯曲强度变化,并采用ABAQUS软件对其弯曲力学性能进行有限元模拟.试验结果表明:温湿场交变环境下,外加载荷和孔隙率加速层合板弯曲强度的下降,在高低温湿热循环4~6周期时,随着载荷的增大,二次固化现象越明显,层合板的弯曲强度变化比较平缓.使用ABAQUS软件建立有限元模型,计算得到的弯曲力学强度变化趋势与试验结果相一致,说明高低温湿热老化环境和外加载荷对复合材料弯曲性能的影响,对不同孔隙率的碳纤维/环氧树脂层合板弯曲性能进行较为准确的预测.     

不同截面形状薄壁构件斜向碰撞性能分析

本文采用非线性有限元软件LS-DYNA,分别对圆形、正方形、长方形、正六边形、正八边形等截面形状不同,但质量相同的薄壁构件,在斜向载荷撞击下的抗撞性能进行数值分析计算。得到了其在不同载荷角下的碰撞响应,并对其变形模式、吸能特性和最大峰值冲击载荷进行了比较,数值计算结果表明：正方形截面薄壁构件在斜向冲击下的抗撞性能最优,长方形截面最弱。     

三维编织T300/QY9512弯曲性能的实验研究

对于均质各向同性材料，三点弯曲实验和四点弯曲实验得到的弯曲模量与拉伸模量基本上一致。而对于三维编织复合材料，其弯曲模量特性则与拉伸性能不同。通过对三维编织T300／QY9512复合材料三点弯曲和四点弯曲的实验，得到三维编织复合材料的弯曲性能。比较分析后，发现与四点弯曲实验不同，三点弯曲实验并不能直接得到试件的弯曲模量；而两种实验得到的强度差异不大。与拉伸压缩的实验数据比较，可以得到：试件的弯曲模量不等于其拉伸和压缩模量；弯曲强度也不同于拉伸强度和压缩强度。试件的弯曲破坏是由试件内部压缩失效造成的结论。     

纤维体积分数对组合式3D机织复合材料拉伸性能的影响

设计并在一般剑杆织机上试织两种不同结构的组合式3D预制件,采用真空辅助成形工艺分别制作成不同纤维体积分数的两种复合材料,并测试其试样的拉伸性能.结果表明,在增强体经向截面上经纱根数相同、结构相同的情况下,试样的纤维体积比含量(体积分数)对抗拉强度有着较大的影响.随着纤维体积比含量的提高,材料的抗拉强度也有所提高,但纤维含量对不同的织物结构具有不同的影响.     

复合材料波纹夹层结构弯曲性能研究

为研究不同芯层结构弯曲性能,对芯板结构为矩形、梯形、三角形和余弦形的复合材料波纹板进行三点弯曲试验,利用ABAQUS仿真软件对复合材料夹层结构进行试验仿真.仿真结果表明在相同尺寸、厚度和晶格数目条件下,夹层结构芯层和下面板首先发生破坏.通过对不同芯层弯曲刚度计算可知,矩形芯板弯曲刚度较高.     

粘土砖再生粗骨料混凝土梁弯曲性能的试验研究

为了研究粘土砖再生粗骨料混凝土梁的弯曲性能及其与普通混凝土梁的差异,设计了2个粘土砖再生粗骨料混凝土梁试件和1个普通钢筋混凝土梁对比试件,3个试件均为简支梁、矩形截面,截面的宽和高分别为150 mm和300 mm,梁的跨度均为3 m,配筋均相同,试验的加载方式也完全相同。再生粗骨料混凝土中粘土砖粗骨料的质量替代率为35%。采用MTS液压伺服系统进行加载,测试了各个试件的受力与变形性能,对钢筋的应变、梁的变形和破坏形态等进行了对比分析。结果表明:在相同条件下,与普通混凝土梁相比,粘土砖再生粗骨料混凝土梁在发生弯曲破坏时,挠度稍大,承载能力和刚度均有一定程度的降低。     

预应力RPC-NC叠合梁弯曲疲劳性能试验分析

为研究预应力活性粉末混凝土(RPC)-普通混凝土(NC)叠合梁的弯曲疲劳性能,以中国铁路32 m跨度T型梁为原型,设计并制作了4根完全相同的缩尺模型RPC-NC叠合梁,其中1根梁进行静载试验另外3根梁进行等幅疲劳试验.对试验梁在不同疲劳加载循环下的正截面应变分布、受压区NC应变变化、裂缝发展、疲劳挠度及刚度发展的变化规律进行了分析,并将疲劳加载后未发生疲劳破坏的叠合梁、未经历疲劳加载的叠合梁以及相同结构尺寸和配筋情况下的普通混凝土梁的静力弯曲性能进行对比.结果表明:和普通混凝土适筋梁相同,RPC-NC叠合梁的疲劳破坏由非预应力纵筋疲劳断裂引起;在疲劳荷载作用下,截面应变沿截面高度始终近似呈线性分布,RPC-NC叠合梁正截面变形符合平截面假定;疲劳加载结束后,未发生破坏的RPC-NC叠合梁和疲劳加载前相比延性有所下降,但仍大于未经历疲劳加载的普通混凝土梁.根据试验结果,拟合得到试验梁与疲劳加载循环次数有关的刚度退化公式,可为RPC-NC叠合梁的设计提供一定的参考.     

先张法预应力高强混凝土波形板桩抗弯性能的试验研究

先张法预应力高强混凝土波形板桩是一种新型的预制支护桩。为了了解这种新型桩的受力特性,采用等效截面法计算其抗裂弯矩以及抗弯极限承载力;通过3块相同截面、不同预应力筋试件的抗弯性能试验,研究了这种新型板桩的抗弯破坏现象和力学性能。结果表明:相同截面下,预应力筋根数越多,板桩的抗裂弯矩和极限抗弯弯矩越大;试验结果比等效截面计算的结果偏大,说明采用等效截面法进行结构设计是可行的,并且结构偏于安全。这也验证了等效截面法的合理性。     

间隔型三维机织物织造原理与上机条件

三维整体结构织物主要用于纺织复合材料的增强预制件．图示了圆形、Ⅱ形及蜂窝形波形接结间隔型三维机织物的纵向截面图．以“V”形和“X”形为例,阐述了利用普通织机制织波形接结间隔型三维织物的织造原理与上机条件．     

熔丝制造3D打印CFRP层内损伤破坏机理与模型研究

为将3D打印技术应用到桥梁工程中,以熔丝制造3D打印碳纤维复合材料锚环为研究对象,开展了材料层内损伤失效机理的基础性研究工作.首先,对锚环进行了张拉锚固破坏试验,明晰材料的损伤失效模式.其次,测试分析了材料的弹性参数及强度参数值,供后续仿真分析使用.最后,通过VUMAT子程序构建了材料的损伤失效本构关系,利用ABAQUS仿真分析软件模拟熔丝制造3D打印碳纤维复合材料锚环的渐进损伤失效全过程,分析其层内损伤失效机理.结果表明：熔丝制造3D打印碳纤维复合材料具有显著的层内损伤现象;选用Hashin损伤起始判据与刚度瞬间退化模型作为熔丝制造3D打印碳纤维复合材料损伤力学模型偏于安全,具有一定的可行性;锚环在高度方向产生纵向裂纹是由纤维拉伸失效导致的.