基于协同优化的CFRP层合板设计

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板是碳纤维复合材料产品设计过程中常用的一种结构形式,其弹性性质很大程度依赖于铺层方式和芯材厚度。基于经典层合板理论,提出了多层次协同优化的方法,利用Matlab数学软件寻优求解和Abaqus有限元软件模拟仿真的方法对层合板进行优化设计,最后通过物理实验对层合板优化结果进行分析验证。结果表明,增加铝蜂窝夹芯厚度可以大幅提升层合板弯曲刚度,有效减少碳纤维层的铺层数,降低制造成本;将0°层尽可能置于远离中面的位置可在不改变层合板质量的同时有效提升层合板弯曲刚度,使材料利用率达到最大化。     

非对称夹芯结构低速冲击响应

为研究非对称夹芯结构的低速冲击响应，以环氧树脂/碳纤维复合材料层合板为面板，以Nomex蜂窝为芯材制备蜂窝夹芯板，通过落锤冲击试验研究了不同上下面板厚度比对夹芯结构抗低速冲击性能的影响。同时，基于Hashin失效准则、渐进损伤模型、内聚力模型、理想弹塑性模型，在有限元仿真软件ABAQUS中建立了碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)面板/Nomex蜂窝夹芯板精细化低速冲击仿真模型，仿真结果与试验结果吻合较好。结果表明，当上下面板总厚度不变时，增大上下面板的厚度比，有助于提高夹芯结构的抗低速冲击性能，且建立的有限元模型可以有效地预测蜂窝夹芯板的低速冲击响应和冲击损伤。通过提出的仿真模型，观察并讨论了低速冲击响应下的结构内部损伤及演化过程。     

干燥温度对CFRP力学性能的影响及作用机理

采用2种环境温度(70、85℃)对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板进行干燥处理,并对CFRP层合板分别进行拉伸、压缩和剪切实验,研究了中温干燥条件对CFRP层合板力学性能的影响,通过扫描电子显微镜和红外光谱,分析了中温干燥环境对CFRP层板的影响机理;通过最小二乘法拟合方法,提出了干燥环境下CFRP层合板力学性能的预测公式。研究结果表明:与未经干燥的试样相比,经中温干燥环境处理的CFRP层板的90°拉伸强度增加24. 99%,±45°剪切强度下降12. 92%;中温干燥环境对CFRP层合板力学性能的影响是由后固化作用和复合材料内部的热应力共同决定的,在中温干燥环境下,CFRP层合板未发生化学结构变化,CFRP层合板中的环氧基发生了进一步交联,环氧基树脂被后固化增强;拟合建立的不同干燥条件下的力学性能预测公式与实验结果基本一致。     

行人头部碰撞碳纤维夹芯复合材料引擎盖的有限元分析

利用ABAQUS的Explicit模块建立了行人头部碰撞碳纤维夹芯复合材料的有限元模型,并使用DIAdem工程分析软件计算了头部损伤指标HIC值。通过钢球碰撞试验验证了模型的有效性,分析了碳纤维复合材料层数,硬质泡沫厚度,蒙皮的铺层方式对HIC值和最大侵入量的影响。结果表明,加入硬质泡沫可以大量减少碳纤维复材使用量,并且不会增加HIC值和最大侵入量;硬质泡沫厚度不宜太大也不宜太小,有最优值;各向同性明显的铺层方式有利于减小HIC值。     

复合材料层合板损伤容限敏感性参数研究

本文针对碳纤维增强复合材料层合板冲击下的损伤容限参数敏感性进行分析.对复合材料层合板损伤容限的影响参数、纤维角度、铺层顺序、层合板厚度、冲击速度和冲击角度等进行冲击损伤仿真,采用蔡-吴强度准则评价层合板冲击的剩余强度,并对各参数影响的敏感性排序,确定纤维角度和铺层顺序为复合材料层合板冲击下损伤容限的敏感参数.     

VARTM工艺铺层取向对复合材料力学性能的影响

采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺制作了玻璃纤维增强不饱和聚酯复合材料层合板,对其进行了拉伸、弯曲、冲击性能测试,并对铺层取向与玻璃纤维复合材料层合板力学性能的影响关系进行了实验研究。实验结果表明,0°取向玻纤增强复合材料在单一方向上的力学性能最佳,±θ取向比θ取向玻纤增强复合材料有更好的力学性能;θ单向铺层复合材料在外载荷作用下发生破坏,其断口破坏的角度与铺层角度一致,而在±θ多向铺层复合材料的断口形貌更复杂。通过合理的铺层设计可获得满足工程需要的复合材料制品。     

低速冲击下铝蜂窝夹层板的动态响应研究

为了研究铝蜂窝夹层板在低速冲击下的动力学响应,通过有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA分析了半球头圆柱低速冲击铝蜂窝夹层板的损伤变形,建立了含蒙皮、蜂窝芯和胶层的铝蜂窝夹层板精细化仿真模型,通过与文献试验结果对比,验证了模型的准确性,并研究了铝蜂窝芯单元尺寸、高度以及金属、碳纤维增强复合材料(CFRP)两种蒙皮材料对蜂窝夹层板冲击响应的影响。结果表明:铝蜂窝芯单元尺寸越大,夹层板的刚度和稳定性越低;芯层高度对吸能的影响较小;胶层对吸能的影响不可忽略;相对于铝蒙皮,CFRP蒙皮铝蜂窝夹层板的吸能效果较好。     

玻/碳纤维混杂复合材料层合板的振动特性研究

为了获取玻/碳纤维混杂复合材料层合板的振动特性,以玻/碳纤维混杂复合材料层合板为研究对象,基于有限元分析软件ANSYS Workbench分析了夹芯混杂、层间混杂两种混杂方式下的复合材料层合板的振动特性,得到了层合板的混杂类型、铺设厚度、长宽比、铺设角度对玻/碳纤维混杂复合材料层合板固有频率的影响规律.结果表明:夹芯混...     

雷击后飞机复合材料燃油箱蒙皮电热损伤特性研究

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在现代飞机上被大量使用,由于CFRP电导率和传热系数具有各向异性,雷击后,其温度分布与传统金属材料不同。为探究CFRP燃油箱电热损伤特性以对其进行雷电防护,本文利用COMSOL多物理场仿真软件建立CFRP层合板与火焰喷涂铝防护CFRP层合板模拟油箱蒙皮模型进行仿真研究,并开展典型雷电流组合波形的雷电流注入试验对仿真结果进行验证。结果表明:雷电流波形注入后,无防护CFRP板各铺层温度随着纤维方向分布;火焰喷涂铝防护的CFRP板各铺层温度呈近似圆形分布,且高温损伤面积与损伤深度均小于无防护CFRP板;表面温度受雷电流D波的影响大,而损伤深度受B、C~*波的影响较大;在雷电波形注入完成后,雷击产生的热量会沿着CFRP铺层向下传导,产生热斑导致底面温度升高,但在2.6 mm厚度条件下未超过200℃;使用火焰喷涂铝能对CFRP燃油箱起到很好的雷电防护效果。     

汽车复合材料层合板准静态力学性能的试验测定

以应用于某新能源电动汽车的复合材料层合板为研究对象,利用万能试验机和静态应变测试分析系统等提出了可靠的复合材料层合板准静态拉伸和压缩力学性能试验测定方法,从而为复合材料结构在汽车轻量化中的设计和应用提供了试验依据。该层合板结构采用±45°交叉铺层方法,由2层碳纤维、1层芳纶纤维和2层玻璃纤维层叠构成。试验结果表明,该复合材料层合板在准静态拉伸时呈现沿±45°方向和层间分离挤压的断裂失效模式,这与其内部纤维铺层方向是一致的。同时,由于在复合材料板材中加入了增韧和板材失效时起连接作用的芳纶纤维和玻璃纤维铺层,该复合材料层合板的整体力学性能较常见碳纤维增强复合材料板材,其弹性模量和强度性能均有所降低。     

多向玻碳纤维混杂复合材料的拉伸性能北大核心

为探讨±45°铺层比例对玻碳纤维混杂复合材料拉伸性能的影响,对层间混杂和夹芯混杂分别设计4种铺层方案,并进行拉伸性能实验。通过经典层合板理论对试样的拉伸模量进行估算,与实验结果对比并分析误差。基于混杂效应及±45°铺层比例的影响,对经典层合板理论结果进行修正。结果表明:在±45°铺层比例为40%时,±45°铺层可以对横向应力和剪应力起到很好的平衡作用,从而有效提高复合材料的拉伸性能;混杂效应及±45°铺层比例对经典层合板理论与实验结果的误差都有影响,提出的修正公式可在一定程度上反映其影响,并且可以得到更加准确的拉伸模量估算结果。     

多向玻碳纤维混杂复合材料的拉伸性能

为探讨±45°铺层比例对玻碳纤维混杂复合材料拉伸性能的影响,对层间混杂和夹芯混杂分别设计4种铺层方案,并进行拉伸性能实验。通过经典层合板理论对试样的拉伸模量进行估算,与实验结果对比并分析误差。基于混杂效应及±45°铺层比例的影响,对经典层合板理论结果进行修正。结果表明:在±45°铺层比例为40%时,±45°铺层可以对横向应力和剪应力起到很好的平衡作用,从而有效提高复合材料的拉伸性能;混杂效应及±45°铺层比例对经典层合板理论与实验结果的误差都有影响,提出的修正公式可在一定程度上反映其影响,并且可以得到更加准确的拉伸模量估算结果。     

含褶皱缺陷玻璃纤维增强复合材料层合板拉伸渐进失效分析

为研究褶皱缺陷对玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板拉伸性能的影响,采用Abaqus有限元软件,结合USDFLD子程序,建立含褶皱缺陷的玻璃纤维增强复合材料层合板渐进失效分析模型。通过数值仿真分析方法对含褶皱缺陷层合板在拉伸载荷作用下的强度退化和渐进失效过程进行研究,分析褶皱高宽比对层合板拉伸性能的影响。结果表明:拉伸强度预测值以及损伤初始位置与文献中实验结果吻合较好,验证了建立的仿真分析模型;随着褶皱高宽比的增加,拉伸失效载荷和强度显著降低;在拉伸载荷作用下,在褶皱变形区域与富树脂区域相接的铺层位置存在应力集中;层合板损伤由富树脂区域逐渐向褶皱变形区域扩展,最终在褶皱变形区域完全失效;受褶皱影响,层合板在拉伸过程中发生弯曲变形,在线弹性阶段,相同载荷条件下变形随着褶皱高宽比的增加而增加。     

湿热环境对碳纤维/环氧复合材料的冲击破坏特性影响

为了研究湿热环境对碳纤维/环氧树脂(CFRP)复合材料抗冲击性能的影响,对碳纤维/环氧复合材料层合板进行70℃水浴处理,采用锥头圆柱形弹体对湿热饱和试样和干燥室温试样进行速度分别为45 m/s、68 m/s、86 m/s的冲击,采用激光测速仪测量冲击前后的速度,然后采用超声C扫描检测系统、超景深三维显微系统、扫描电镜(SEM)等方法对试样的冲击破坏进行检测。实验结果表明:随着冲击速度的增加,试样的破坏投影面积增加;在速度较低时,湿热环境对碳纤维/环氧树脂层合板的损伤孔洞面积影响更大;湿热处理之后的碳纤维/环氧树脂层合板层间性能明显降低。     

聚苯乙烯泡沫作为风电叶片夹芯材料的可行性研究

讨论了聚苯乙烯(PS)泡沫在风电叶片中的应用,通过对比研究聚氯乙烯(PVC)泡沫和PS泡沫本体以及泡沫玻璃钢夹芯结构的力学性能,通过有限元模拟夹芯结构悬臂梁在加载后发生的位移值来判断PS泡沫作为夹芯结构的芯材对整体刚度的影响,并通过实验测量和有限元模拟泡沫夹芯结构。结果显示,PS泡沫本体力学性能较PVC低;PS泡沫作为夹芯结构的芯材可以使用在叶片的剪切腹板中,在替代PVC泡沫使用在壳体蒙皮的夹芯层中,若要保证蒙皮的刚度不变则需要增加PS泡沫的厚度。     

薄铺层层合复合材料研究进展

简要介绍了碳纤维薄层预浸料及其制备的层合复合材料,主要阐述碳纤维薄层预浸料的制备方法和薄铺层复合材料的力学性能特点。对国内外关于薄铺层复合材料与常规铺层复合材料的静态、韧性和疲劳等力学性能的研究进展进行了分析和总结,归纳了铺层厚度的减薄对层合复合材料力学性能的影响规律。最后对薄铺层复合材料的研究趋势和应用前景进行了展望。     

基于FBG的复合材料成型与冲击监测研究

碳纤维复合材料(CFRP)作为一种先进复合材料得到了广泛应用,但由于层合板结构薄弱的层间性能,致使其在受到外界冲击时,内部极易发生分层损伤,造成力学性能的下降并带来安全隐患。本文考虑将光纤Bragg光栅传感器(FBG)埋入碳纤维复合材料层合板中,对复合材料的真空辅助成型工艺及单次冲击进行了监测研究。实验结果表明,FBG可以有效监测复合材料成型过程中的温度、应变变化,并反映其存在的残余应变;在低能量冲击条件下,可以监测到复合材料内部应变变化及内部损伤情况,为FBG监测CFRP层合板的低速冲击损伤提供了依据。     

碳纤维树脂基复合板料的铺层方式对低速冲击性能的影响

为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)板铺层方式对低速冲击性能的影响,设计了一系列CFRP板的冲击试验。对CFRP板的铺层方式、冲击能量的形式进行调节和改变,获取CFRP板在各种条件下的低速冲击行为;再通过冲击实验和超声波扫描的方法研究冲击过程中CFRP板的铺层方式和冲头质量对碳纤维树脂基复合材料板冲击性能的影响。结果表明,在15 J的低能量作用下冲击CFRP板时,冲头的质量越大,该板对能量的吸收率越大,损伤面积也越大;相同能量和相同冲头质量的冲击情况下,铺层方式为[0°/45°/90°/-45°]_2的抗冲击性能最好。CFRP板的冲击载荷、能量吸收和损伤形态与冲击能量的大小以及冲头动量密切相关。     

预埋碳纳米纸增强CFRP层合板弯曲性能分析

为了研究碳纤维增强复合材料的弯曲性能,本文采取层间预埋碳纳米纸的方法制备CFRP层合板,进行三点弯曲加载下的静力实验,通过分析弯曲应力-应变曲线以及对比试件弯曲极限载荷,研究碳纳米纸以及固化压力对CFRP弯曲性能的影响。研究结果表明:预埋碳纳米纸能够有效增强CFRP的弯曲强度以及极限弯曲承载能力;固化压力的提高可增强预埋碳纳米纸CFRP的机械性能,固化压力为2 MPa时达到最佳增强效果。     

PMI泡沫夹层复合材料电性能设计与实验研究

聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫夹层复合材料具有优异的宽频透波性能,被广泛用于制备透波雷达天线罩。为了设计满足宽频透波要求的某型天线罩,从复合材料结构原理出发,选择石英纤维增强环氧树脂复合材料为蒙皮,PMI泡沫为芯材的A夹层结构方案,采用三维全波电磁场仿真软件(CST软件)计算比较了不同蒙皮厚度和芯材厚度对A夹层结构透波性能的影响,得到了理论最优结构。进一步的平板试验结果表明,透波率的实际测试值与理论计算结果基本吻合,可见设计的A夹层复合材料结构可满足某型天线罩的宽频透波要求。