嵌入三维编织复合材料的碳纳米线应变传感特性

为实现三维编织复合材料的原位结构健康监测,研制了嵌入碳纳米线的三维五向编织复合材料预制件,建立了基于三维编织复合材料试件的碳纳米线应变传感实验系统,分析了嵌入三维编织复合材料中的碳纳米线应变传感特性。结果表明：在单调拉伸和循环加载卸载过程中,嵌入三维编织复合材料的碳纳米线传感器电阻变化与试件应变的线性相关性较高;在较大载荷循环加载卸载后,碳纳米线传感器产生的残余电阻可用于检测试件的损伤或累积损伤;引入电阻应变相关系数建立了电阻变化净差值与机械应变净差值的应变传感方程,可实现基于碳纳米线传感器的三维编织复合材料原位结构健康监测。     

双向载荷下双轴向经编柔性复合材料有限元模拟

柔性复合材料在日常使用过程中不仅常常受到双向及多向拉伸载荷的作用,而且在有小裂缝的情况下还会继续使用。为更好地了解双向载荷下双轴向经编柔性复合材料拉伸和开缝撕裂性能,为材料性能评价及预测提供理论参考。本文利用有限元方法对双向载荷下双轴向经编柔性复合材料拉伸和开缝撕裂的应力应变曲线进行模拟,特别对三种不同加载比率下双向拉伸和双向载荷下开缝撕裂的应力应变曲线进行计算模拟。结果表明：有限元模拟的双轴向拉伸及开缝撕裂的应力应变曲线与试验结果在弹性阶段的拟合精确度很好,但材料屈服后拟合值偏大;不仅可以模拟现在试验可以测试的1：1加载比率下材料的应力应变曲线,而且可以模拟目前试验无法完成的其它任意载荷比下的应力应变曲线。     

三维编织复合材料拉伸与弯曲声发射特征分析

论述了声发射技术在三维编织复合材料拉伸和弯曲过程中的应用以及试验方法,描述了三维编织复合材料拉伸与弯曲过程中声发射的特征。拉伸试验结果表明:编织角小的试件,其应力应变曲线基本为直线,损伤为脆性特征;编织角大的试件,应力应变曲线表现出双线性,各自呈现出脆性破坏特征。弯曲试验表明:小编织角复合材料的载荷挠度曲线保持线性关系;大编织角复合材料的载荷挠度曲线是非线性关系。     

管状纺织复合材料力学性能的有限元分析

在翻衬过程中,由于管状纺织复合材料的管径小于原管道的内径,或原管道存在变形,要求管状纺织复合材料受压后在环向有一定的应变,从而使其紧贴在管壁上。通过有限元方法对管状纺织复合材料翻衬时的应力与应变情况进行了分析,用计算机模拟的应力应变值来评判管状纺织复合材料在一定翻衬压力下是否达到了工程要求的应变,当管状纺织复合材料几何参数和材料参数一定时,通过有限元分析修复管道管径的范围。采用定负荷拉伸试验对有限元分析的结果进行了验证,其试验值与有限元模拟值基本吻合。     

三维编织复合材料弯曲承载下嵌入碳纳米线的特性分析

为实现三维编织复合材料实时承载监测,基于碳纳米线嵌入三维编织复合材料预制件的方法,分析了嵌入碳纳米线的三维编织复合材料制件,在不同载荷下三点弯曲的碳纳米线应变传感特性,重点分析了制件拉伸和压缩承载下碳纳米线电阻的变化。实验表明：在三点弯曲过程中,制件加载至断裂应变和碳纳米线电阻变化具有单调一致性, 碳纳米线电阻变化符合一定指数函数关系;在大负荷加载后碳纳米线产生电阻滞后现象;制件卸载后,碳纳米线传感器产生残余电阻。研究证明：碳纳米线传感器在弯曲负载下能够实时感知并监测三维编织复合材料结构健康状况,为三维编织复合材料结构健康监测系统的构建提供了参考。     

碳纳米线的拉伸应变传感特性

为开发用于三维编织复合材料原位结构健康监测的碳纳米线传感器,建立了碳纳米线应变传感实验系统,通过纵向拉伸实验,分析了碳纳米线的机械性能（应力和应变）和电性能（初始电阻和应变灵敏系数）之间的关系,并对性能参数进行了Weibull 统计分析,系统研究了碳纳米线的应变传感特性。结果表明：纵向拉伸负载期间,碳纳米线相对电阻变化与应变呈现良好的线性关系;碳纳米线具有与传统应变监测相当的应变灵敏系数,适合用于检测破坏极限应变远小于碳纳米线应变（碳纳米线的破坏应变均值10％,最小值为2.5％）的复合材料的损伤,是复合材料结构健康监测传感器的良好候选材料。     

蜂窝夹层结构消音板平压试验研究

通过对蜂窝夹层结构消音板压缩试验研究,建立蜂窝结构压缩应力随压缩应变变化曲线,得到不同位移载荷下芯材的变形特点,试验结果曲线验证了蜂窝纸板压缩过程经历的4个阶段,与理论曲线吻合。从试验结果来看,该芳纶纤维增强蜂窝夹层结构复合材料作为某新机用风扇消音板材料满足力学性能要求。     

单向不连续碳纤维增强复合材料有限元分析

采用有限元法建立了有关的单胞模型和相关的边界条件。着重研究了复合材料的结构参数与单向不连续碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料的细观弹塑性应力应变的关系，分析了纤维重叠比、纤维端部的不连续性对复合材料中纤维与纤维、纤维与周围基体相互作用以及应力场变化的影响。此外利用体积平均法预测了在外载荷作用下不同结构参数的单向不连续碳纤维增强复合材料的弹塑性应力-应变关系。     

单向复合材料微观应变场的h-p型有限元模拟

单向复合材料的纤维和机体是两种典型的异质材料,两者在界面处及各自内部应力/应变场的分布较复杂。目前,很多学者对多尺度模拟方法的研究都是建立在对微观应力/应变场进行模拟的基础上进行的。通常,p型有限元在异质材料细节应力/应变场的分析方面有其优越性。从这个角度出发,采用一定h细化的p型有限元即h-p型有限元模型,分别在多种力载荷和热载荷作用下,利用代表体元(RVE)技术,给出了单向复合材料纤维和机体界面及其各自内部的Mises应变和J1的分布;同时,为了表明计算结果的精度,同时给出了模型的能范误差估计。这种微观力学模拟方法对复合材料结构的多尺度模拟有较重要参考价值。     

双向拉伸载荷下双轴向经编织物增强柔性复合材料开缝撕裂性能研究

对双轴向经编织物增强柔性复合材料在双轴向拉伸载荷下开缝撕裂性能进行了试验研究,特别对不同初始开缝长度及角度的撕裂进行了观察与分析。试验结果表明开缝撕裂性能主要由衬入纱线的线密度和纱线密度的大小决定,经编地组织也有一定影响。撕裂强力与应变随初始开缝长度增加而减少,开缝撕裂强力与应变随初始开缝角度的增大而增加。     

碳纤维/环氧树脂基中空夹芯复合材料压缩性能的有限元法研究

在已有研究的基础上,利用有限元软件ANSYS Workbench,建立了三维中空夹芯复合材料结构模型,进行三维中空夹芯复合材料的压缩性能研究。利用该模型,探讨了材料在2 mm压缩位移载荷作用下纤维、树脂和复合材料的应力、应变分布。结果表明:三维中空夹芯复合材料在压缩载荷作用下,芯材交叉处应力最大,最容易发生压缩破坏;上下面板应力最小,最不容易发生压缩破坏;复合材料在承受压缩载荷作用时,纤维起主要承载作用,树脂起次要作用;材料的破坏模式主要为树脂破裂。     

双向拉伸载衙下双轴向经编织物增强柔性复合材料开缝撕裂性能研究

对双轴向经编织物增强柔性复合材料在双轴向拉伸载荷下开缝撕裂性能进行了试验研究，特别对不同初始开缝长度及角度的撕裂进行了观察与分析。试验结果表明开缝撕裂性能主要由衬入纱线的线密度和纱线密度的大小决定，经编地组织也有一定影响。撕裂强力与应变随初始开缝长度增加而减少，开缝撕裂强力与应变随初始开缝角度的增大而增加。     

基于有限单元法的平纹织物复合材料强度预测:2.复合材料层合板拉伸过程的有限元分析

针对实际使用中平纹织物复合材料铺层角度问题,将0°/45°/90°/-45°铺层的层合板作为有限元分析对象,研究其犬骨试验件在单向拉伸作用下的响应。分析过程中,将试样视作宏观均匀的弹性材料,利用已得出的平纹织物复合材料的物性值,以8节点块单元对模型进行离散,通过分步施加载荷,得到复合材料的应力与应变曲线。与实测值作对比发现,仿真结果同实测结果相吻合。将节点反力作为复合材料单胞模型的边界条件,对复合材料进行失效预测。结果表明:角度铺层设计可以减弱细观结构的开裂和分层;且在承受相同的拉伸应力下,铺层复合材料单胞内树脂单元失效的数量少,因此具有更高的强度。     

苎麻织物复合材料抗光变色及力学性能表征

针对苎麻织物复合材料在实际工作环境下易变色和受到复杂应力的问题,对3种树脂基体复合材料的抗光变色性能、双轴向载荷下的力学性能进行研究,并用数字散斑相关方法对其应变场进行表征.结果表明:双轴向载荷下水性环氧树脂板和异氰酸酯板表现出正交异性和弹塑性,酚醛树脂板表现出线性和双向同时脆性断裂;双轴向载荷差异与材料正交异性有关;...     

基于DIGIMAT的碳纤维增强环氧树脂编织复合材料的力学性能

为准确预测不同编织工艺参数下编织复合材料的等效弹性性能,拓宽碳纤维增强环氧树脂编织复合材料的应用领域。建立了考虑随纤维路经产生扭结缺陷的二维三轴编织复合材料的代表性体积单元(RVE),并基于平均场均匀化方法,利用DIGIMAT预测复合材料的等效弹性模量,分析不同编织角对编织复合材料等效工程常数的影响规律;其次基于强度失效准则,预测编织复合材料在单轴拉伸加载情况下的力学性能;最后通过数值模拟获得编织复合材料RVE的应力与应变。结果表明：预测的编织参数对等效工程常数的影响规律与试验测量一致,获得的应力、应变可为进一步研究其损伤破坏行为提供参考。     

织物增强PVC压延类柔性复合材料的蠕变性能研究

对不同增强结构和不同载荷水平下的PVC压延类柔性复合材料进行了蠕变试验,研究了PVC压延类柔性复合材料的蠕变性能。试验结果表明,在同等载荷水平条件下机织物增强PVC压延类柔性复合材料的耐蠕变性能差于双轴向经编织物增强PVC压延类柔性复合材料,且材料所受载荷水平越高蠕变速率越大。     

四步法三维编织复合材料的动态拉伸性能

为研究四步法三维玻璃纤维/环氧编织复合材料在不同应变率下的拉伸破坏模式,对四步法三维玻璃纤维/环氧编织复合材料在准静态和高应变率载荷下的单向拉伸性能进行了测试。运用间接分离式Hopkinson拉杆(SHTB杆)测试了应变率在800~2 100 s-1范围内单轴向上的拉伸性能,同时测试了材料在准静态下的力学性能,并与高应变率下的力学性能做比较。结果表明:四步法三维玻璃纤维/环氧编织复合材料是应变率敏感材料;随着应变率的增加,其拉伸模量和最大应力都增加,而相应最大应力的应变则减小。     

基于碳纳米线传感器的三维六向编织复合材料内部损伤定位

为研究三维编织复合材料的实时结构健康状态监控,针对三维六向编织复合材料编织结构,采用三维四步六向编织方法将碳纳米线传感器以轴向纱和六向纱形式嵌入复合材料中,提出了一种构建智能三维复合材料的方法,建立了基于碳纳米线的三维编织复合材料试件内部损伤监测系统。基于碳纳米线测量的电阻值矩阵,采用四分矩阵奇异值分解方法分析信号矩阵的主要特征,计算试件内部的损伤准确位置。实验采用5种不同类型损伤试件进行分析,结果表明,该方法计算的试件内部损伤位置与实际损伤一致,测量的损伤位置坐标误差小于1。该研究可为智能三维编织复合材料的健康监测发展提供理论基础。     

三维编织复合材料拉伸微变形的测量与损伤破坏声发射监测

为监测三维四向编织复合材料拉伸过程中的变形与损伤破坏行为,采用声发射(AE)与数字图像相关互补技术,有效获取复合材料表面局部微变形信息和内部损伤源动态演变特征。结果表明:当复合材料拉伸应变值增加到0.45%左右时,纱线交织区域开始出现明显应变集中;随应变水平进一步提高,应变集中分别向纱线横向、纵向扩展,伴随较多AE信号,出现刚度下降;在应变水平接近1.13%时,表面应变场形成以纱线为受载主体的锯齿形应变集中带;基于K-means聚类分析表明,复合材料基体开裂、纤维/基体脱黏和纤维断裂对应的AE幅度分别为40~60、55~100、40~90 dB;随编织厚度增加,复合材料皮芯结构外部区域占比降低,导致材料抗拉强度下降,但AE峰值幅度和频率无明显变化。     

经编间隔织物基柔性材料压缩性能研究

采用5种不同组织结构经编间隔织物作为增强基体,填充Natural Latex（天然乳胶）制备填充率为30%、50%、70%的柔性复合材料。对天然乳胶红外光谱图进行分析,并对纯织物及采用25%和50%压缩率的复合材料的静态压缩性进行测试。根据试验数据绘制复合材料载荷-压缩应变曲线图和应力-间隔丝排列密度关系图,对比分析不同填充率及不同压缩应变下复合材料的压缩性能。结果表明,经编间隔织物填充天然乳胶后复合材料承受载荷能力明显增加且天然乳胶填充率越高,复合材料越硬挺,抗压能力越强但缓弹性减弱;填充率越大,经编间隔织物间隔丝排列密度对复合材料压缩性能影响越小。经编间隔织物基天然乳胶柔性复合材料优良的压缩性能可应用于鞋垫或护具领域中。