三维浅交弯联机织复合材料拉伸性能的有限元分析

本文通过绘图软件PRO/E5.0构建了用于拉伸性能研究的三层浅交弯联机织复合材料的数字化结构模型。借助大型有限元分析软件ANSYS Workbench对复合材料在1mm的拉伸变形下复合材料、纤维增强体及树脂基体的拉伸应力、应变分布情况进行模拟、计算,并对1mm拉伸位移下复合材料的破坏行为和破坏机理进行分析。结果表明:复合材料承受拉伸载荷时,纤维增强体起主要承载作用,树脂基体起次要承载作用;平行于拉伸方向的纬纱比垂直于拉伸方向的经纱承受更大的载荷作用;1mm拉伸位移下,复合材料破坏行为主要为纤维拉伸变形、纤维与树脂间脱粘及树脂的破碎。     

三维角联锁机织铝基复合材料面内拉伸力学行为与失效机制

针对真空压力浸渗法制备的三维角联锁机织铝基复合材料,采用细观力学有限元模拟与试验结合的方法研究了其面内拉伸变形损伤与断裂力学行为。结果表明:复合材料拉伸应力-应变曲线的计算与试验结果吻合较好,经(纬)向拉伸初始弹性模量、极限强度和断裂应变的计算误差分别为3.96%(1.11%)、1.40%(6.86%)和?5.49%(3.73%);经向拉伸载荷作用下,经纱界面及其邻近基体合金先后发生损伤,随拉伸应变增加损伤累积和交互作用依次引发界面、基体和纬纱失效,变形后期经纱的断裂最终导致复合材料经向拉伸失效;纬向拉伸变形前期,经纱界面和经纬纱之间薄弱的基体合金相继产生损伤和失效现象,经纱在变形中期即出现横向破坏,起主要承载作用的纬纱轴向断裂是纬向拉伸的主要失效机制,由于三维角联锁机织体中纬纱体分远低于经纱,复合材料纬向拉伸模量和强度分别仅为经向的81.8%和56.5%。      

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。      

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。     

2.5D机织复合材料冲击后剩余强度研究

本文主要对2.5D机织复合材料冲击后的剩余拉伸强度进行研究。采用落锤法预制冲击损伤,并进行剩余拉伸试验。用了基于层合板理论的软化夹杂法对冲击后试样进行刚度衰减的模拟,用有限元软件根据点应力破坏准则计算得到剩余强度,并与剩余拉伸试验结果进行比较,验证了模型的有效性。为便于对比,对平面机织斜纹布铺设的层合板进行了同种计算和实验,得到了在相同冲击能量下2.5D机织复合材料剩余拉伸强度衰减比例小于层合材料的结论,证明2.5D机织复合材料由于Z方向经纱的存在因而具有良好的抗冲击性。     

三向正交纤维增强铝基复合材料经向拉伸渐进损伤及其断裂力学行为

用真空压力浸渗法制备了新型三向正交碳纤维增强铝基(CF/Al)复合材料,根据其内部纱线截面形状和机织结构特征建立了考虑界面作用的细观力学有限元模型,并将数值模拟与实验相结合研究了复合材料在经向拉伸载荷作用下的渐进损伤与断裂力学行为。结果表明,铝基复合材料拉伸弹性模量、极限强度与断裂应变的实验结果,分别为120.7 GPa、771.75 MPa和0.83%。数值模拟的计算误差分别为-3.21%、1.75%和-9.63%,宏观应力-应变曲线的计算结果与实验曲线吻合得较好。在经向拉伸载荷作用下复合材料的基体合金与Z向纱之间的界面先发生失效,随着拉伸应变量的增大纱线交织处基体合金的损伤逐渐累积并先后发生Z纱和纬纱的局部开裂失效,在拉伸变形后期基体合金的失效和经纱断裂最终使复合材料失去承载能力。铝基复合材料的拉伸断口呈现出经纱轴向断裂以及纬纱和Z向纱横向开裂的形貌,起主要承载作用的经纱其轴向断口较为平齐且纤维拔出长度较短,复合材料经向拉伸时表现出一定的脆性断裂特征。     

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。      

不平衡2.5D碳纤维机织预制体偏轴拉伸性能

通过偏轴拉伸实验研究了因纱线细度变化而引起的不平衡2.5D碳纤维机织预制体（2.5D CFWPs）的面内剪切变形性能，实验材料包括4组不平衡2.5D CFWPs试样和1组平衡2.5D CFWPs试样。观察了不平衡2.5D CFWPs试样的典型宏观变形形貌和细观结构变化；对比了不平衡试样和平衡试样的剪切角和拉伸载荷变化；通过归一化处理，详细分析了纱线细度对预制体面内剪切变形的影响。结果表明:不平衡2.5D CFWPs试样典型变形形貌呈左右不对称形态，且纱线呈“S”型或“Z”型抽拔；经纬纱细度组合为792 tex×396 tex （表示经纱细度为792 tex，纬纱细度为396 tex）和396 tex×792 tex的不平衡2.5D CFWPs试样的偏轴拉伸性能基本相同，另两组不平衡试样（经纬纱细度组合为198 tex×792 tex和792 tex×198 tex）的偏轴拉伸性能也基本相同；平衡试样的拉伸载荷明显大于不平衡试样，在达到剪切锁紧后，平衡试样载荷快速上升，不平衡试样载荷上升缓慢；对拉伸载荷归一化处理后，剪切角小于20.81°时，5组2.5D CFWPs试样剪切力基本相同，在20.81°~30.02°时，4组不平衡试样剪切力基本相同。      

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。     

三维浅交弯联Kevlar/EP装甲材料的制备及弯曲性能研究

采用真空辅助成型工艺制备三维浅交弯联Kevlar/EP装甲材料，分别对6种铺层方式及不同含胶量的装甲材料进行弯曲性能测试，并进一步分析材料的弯曲失效机理。结果表明：铺层方式不同时，三维浅交弯联Kevlar/EP装甲材料的弯曲特性曲线类似；纬纱为材料上、下层承载主体时，其弯曲性能明显好于经纱；含胶量在42%～49%范围内时，Kevlar/EP装甲材料的弯曲强度随着含胶量的增加呈现“先增加后下降”的趋势。     

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。      

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。     

2.5D C/SiC复合材料连续损伤本构模型

基于连续损伤力学建立了一种包含拉伸与剪切损伤变量的2.5D C/SiC复合材料连续损伤本构模型。分别开展了拉伸和剪切试验,获得应力-应变曲线,并通过拟合试验曲线获得各损伤变量的演化参数。采用子程序技术将本构模型嵌入商用有限元软件ANSYS,应用有限元法计算了材料的应力-应变曲线。考虑了拉剪损伤耦合效应,计算了偏轴拉伸情况下的应力-应变曲线。结果表明:沿经纱拉伸、沿纬纱拉伸以及面内剪切的应力-应变曲线与试验结果吻合,最大偏差依次为4.30%、3.09%及3.73%;偏轴拉伸计算与试验应力-应变曲线也吻合较好。      

复合材料用机织物非正交本构模型的半球形冲压成型验证

为了描述复合材料用机织物在大变形下由于经纱和纬纱之间角度变化所引起的非线性各向异性材料行为, 前期工作中建立了一个非正交本构模型。利用半球形冲头对复合材料用平纹机织物进行冲压模拟, 并将非正交本构模型和正交本构模型的模拟结果与实验结果进行对比, 对非正交本构模型进行验证, 以充分说明该模型的有效性和正确性。结果表明: 采用非正交本构模型模拟的复合材料用平纹机织物变形后的边界轮廓与实验结果基本一致, 并且剪切角都在实验结果的误差范围内; 而采用正交本构模型, 复合材料用机织物变形后的边界轮廓和剪切角与实验结果相差较大。研究表明, 与正交本构模型相比非正交本构模型能更好地描述复合材料用机织物在大变形下的材料属性。      

2169钢细观损伤参数识别

采用Gurson模型对材料在拉伸状态下的颈缩、损伤与破坏过程进行分析.应用有限元数值模拟、最优化算法和实验研究相结合,对材料参数进行优化识别.将获得的Gurson损伤参数应用于2169延性金属材料在拉伸状态下的破坏分析.     

三维正交机织物参数对纤维体积含量的影响

三维机织物设计的一个目标是满足要求的纤维体积含量。通过分析三维正交机织物单元体的结构,可以计算经纱、纬纱和捆绑纱的截面尺寸,建立纤维体积含量与织物参数间的关系。实际制织了一块6层经纱、5层纬纱的玻璃纤维三维正交机织布,测试了经纱、纬纱、捆绑纱以及织物的纤维体积含量,并与理论计算值进行了对比,分析了产生误差的原因。最后,分析了织物参数对纤维体积含量的影响,发现经纬纱粗度比的增大或间距比的减小,将使经纱和织物的纤维体积含量增大,纬纱的纤维体积含量减小;捆绑纱的引入,降低了经纱、纬纱和织物的纤维体积含量。      

三维正交机织复合材料低周弯曲疲劳力学性能有限元模拟

为了深入理解三维正交机织复合材料（3DOWC）疲劳性能,改进材料抗疲劳设计,结合三维正交机织复合材料试样经纱方向准静态三点弯曲及60%应力水平下的三点弯曲疲劳实验与ABAQUS有限元软件,构建了全尺寸三维实体模型,研究了三维正交机织复合材料在低周循环载荷下的弯曲疲劳性能,经分析得到循环加载下模型应力分布情况和疲劳损伤形态。结果表明：经纱为材料最重要的承载部件,中间加载区域为材料应力集中区,损伤主要位于应力集中区的Z纱通道处的经纱上,随着循环增加,逐渐在中心加载区域的上部和下部形成三角形损伤区域,该研究在复合材料设计与优化中具有指导意义。     

三维四步编织复合材料刚度和强度的数值模拟

为了研究三维四步法编织复合材料的力学性能,利用ANSYS有限元软件对材料的细观体胞模型进行数值模拟,计算三维编织复合材料的宏观弹性常数,讨论了纤维编织角和体积比对弹性常数的影响。采用不同的强度准则分别对纤维束和基体材料进行强度校核,从而得到材料发生破坏时失效单元的体积百分比。根据失效单元的分布情况分析材料的破坏机理,进而预报材料的拉伸强度。模拟计算结果与实验值吻合较好。     

纤维增强树脂基复合材料拼接结构拉伸性能

为了解拼接结构的力学特性,更好地设计高强度的拼接结构,测试了三种含拼接结构的单向碳纤维增强环氧树脂基(CF/EP)层合板复合材料的拉伸性能,通过监测结构在拉伸过程中的形态分析其破坏特点,并利用有限元软件对不同拼接结构的拉伸过程进行模拟,分析拼接结构受拉过程中的受力特点。所有材料均采用真空辅助灌注工艺(VARTM)获得。结果表明,拼接结构的引入大大降低了CF/EP材料的拉伸强度;由于拼接位置产生明显的应力集中,结构破坏从拼接位置开始,最终破坏模式为层间破坏;拼接位置处的剪切应力和侧向拉伸应力是结构发生初始破坏的主要因素;为了尽可能避免产生拼接位置处的剪切应力和侧向拉伸应力以提高结构强度,应尽可能设计为对称结构。     

2D-C_f/SiC复合材料缺口试件拉伸力学行为研究

通过对V型、半圆型和细线型双边缺口2D-Cf/SiC复合材料试件进行拉伸实验,研究了不同形状缺口对试件拉伸力学行为的影响。通过引伸计获得了拉伸过程中缺口段材料整体拉伸变形与净截面应力之间的对应关系;通过应变片获得了缺口附近局部材料的应变数值,直观体现了缺口周围的应变集中现象;依据应变变化规律,分析了双边缺口试件的损伤失效进程。通过对比标准拉伸试件,全面分析了2D-Cf/SiC复合材料双边缺口试件拉伸净强度的主要影响因素和破坏机理;最后通过有限元模拟,得到了三种缺口试件缺口段材料的应变分布情况。结果表明:拉伸过程中缺口试件缺口段材料损伤失效进程具有明显的非同步性,净拉伸强度随缺口形状不同出现不同程度下降;有限元模拟结果与实验结果吻合较好。