碳纤维含量对碳纤维增强聚醚醚酮复合材料弯曲性能和失效行为的影响

基于渐进损伤的VUMAT子程序,并引入了Johnson-Cook模型,通过Matlab生成了不同碳纤维占比的碳纤维增强聚醚醚酮(CFRP)复合材料,建立了三点弯曲有限元模型。通过分析应力—应变分布、载荷—位移曲线和吸收能—位移曲线得出以下结论：添加碳纤维有效改善了基体聚醚醚酮(PEEK)内部的应力—应变分布,显著提升了材料的力学性能、刚度和抗断裂性能。CFRP复合材料在三点弯曲过程中表现出更好的性能,能够承受明显的塑性变形,且有效避免裂纹扩展。此外,在相同位移载荷条件下,随着碳纤维含量增加,CFRP复合材料的位移逐渐减小。特别是在碳纤维质量分数为10%和20%的复合材料中,上表面和下表面的最大位移呈现出曲折的特点。结合应力—应变场的分布情况,这表明碳纤维的添加能有效提高材料的刚度和抗弯性能。     

铝内衬碳纤维复合材料压力容器非测地线缠绕与强度分析

本文对碳纤维缠绕复合材料压力容器进行了非测地线缠绕线型设计、有限元仿真和纤维缠绕与水压爆破实验。根据非测地轨迹确定了复合材料压力容器的最佳缠绕参数;采用有限元软件ABAQUS对其受压状态下的应力应变值进行分析,研究内压为35 MPa时压力容器的应力状态,并预测其爆破强度为92.2 MPa;缠绕实验在五轴数控缠绕机上进行,使用T800碳纤维制备了铝合金内衬复合材料压力容器,其纤维缠绕层共26层,缠绕完成后纤维排列整齐均匀,无滑纱现象。固化后其爆破压强为87.5 MPa,与仿真结果相对误差为5.1%,验证了仿真分析的可行性。     

基于碳纤维复合材料轻木夹芯结构的起重机副臂架设计

针对汽车起重机臂架轻量化设计需求,设计了一种碳纤维复合材料轻木夹芯结构的汽车起重机副臂架。碳纤维复合材料密度低,比强度和比模量高,力学性能优异。应用有限元软件ABAQUS对碳纤维复合材料轻木夹芯结构的汽车起重机副臂架进行了结构设计和仿真分析。研究结果表明:碳纤维复合材料轻木夹芯结构副臂架中碳纤维复合材料上、下面板厚度分别为10 mm和8 mm,上、下面板铺层分别为[0/±45/0_2]_(10)和[0/±45/0_2]_8,其强度相比于碳纤维复合材料副臂架的安全裕量更大,同时刚度也满足使用需求,此时复合材料副臂架质量为251.4 kg,质量减轻达到了40%,具有良好的轻量化效果。     

复合材料模量对汽车传动轴固有频率的影响

利用Ansys Workbench有限元软件和脉冲激振技术,分别从有限元理论计算与实验相结合的角度研究了不同纤维增强复合材料对汽车传动轴固有频率的影响规律。采用玻璃纤维、玄武岩纤维、T700碳纤维及T800碳纤维等四种不同纤维制备了复合材料传动轴轴管,并根据GB/T 1548—2008,表征了复合材料的力学性能。利用有限元仿真与脉冲激振模态测试两种方法表征了不同纤维缠绕的复合材料汽车传动轴的固有频率。结果表明:脉冲激振模态测试传动轴的固有频率方法结果比较直观,可以准确地得到传动轴的固有频率;有限元仿真分析与脉冲激振法实测结果有一定偏差,但可以通过仿真模型的调整,使仿真结果更加准确;提高复合材料的拉伸模量是提高复合材料传动轴固有频率的有效途径之一。     

复合材料机械连接强度分析研究

针对目前高强度中模量复合材料层压板机械连接强度影响因素相关方面研究的不足,基于T800级碳纤维增强复合材料机械连接单钉单剪试验,对其孔边应力的分布以及机械连接的挤压强度,展开机械连接单钉单剪试样宽径比(试样宽度与钉孔直径之比)对连接件孔边应力分布及承载强度的影响规律的分析研究。通过基于ABAQUS的数值仿真模拟分析,对宽径比为4～8五种类型的单钉单剪机械连接件在拉伸载荷作用下孔边应力分布以及挤压强度进行了模拟对比。结果表明,复合材料单钉单剪机械连接的孔边应力分布受宽直比的影响很小,但连接强度受宽径比影响较为明显。     

汽车轻量化的碳纤维复合材料应用分析

为将碳纤维复合材料与汽车轻量化技术充分结合,形成完善的制造体系,并将废料回收处理实现节能减排的目的.文章针对汽车轻量化技术进行阐述,介绍了碳纤维复合材料高效成型技术以及低成本碳纤维技术,分析碳纤维复合材料在汽车车身构件、刹车片、轮毂、传动轴等中的具体应用,同时针对碳纤维废料的问题,对物理、热解、化学溶剂三大回收方法进行分析.     

环氧树脂/碳纤维复合材料在汽车悬架结构中的强化设计应用

利用环氧树脂/碳纤维复合材料对悬架控制臂进行了改进设计,通过有限元软件对环氧树脂/碳纤维材料和铝合金材料控制臂进行了对比仿真。结果表明:在B铰链处施加载荷激励,铝合金材料的应变远大于环氧树脂/复合材料的应变,说明环氧树脂/碳纤维复合材料强度更大;在B铰链处环氧树脂/碳纤维复合材料控制臂的位移对载荷激励的灵敏度更低;对环氧树脂/碳纤维复合材料控制臂的B铰链处施加沿y方向载荷,随着载荷激励水平的增加,控制臂的最大应力近似线性增加;环氧树脂/碳纤维复合材料控制臂的特征频率和角频率比铝合金材料控制臂的特征频率和角频率大,发生共振的概率较小,具有更好的动态特性。     

连接件对碳纤维复合材料汽车传动轴振动性能的影响

利用脉冲激振实验技术和有限元分析方法,分别从实验和有限元计算的角度研究了不同的连接件重量和结构对碳纤维复合材料传动轴自由状态下的固有频率的影响。结果表明:具有不同重量和不同结构的连接件的碳纤维复合材料传动轴的固有频率具有很大差异,随着重量的增加,固有频率降低;当连接结构变化时还会引起传动轴振型的变化。另外,传动轴固有频率的有限元分析结果与实测结果误差在5%以内,仿真模型分析有效。在保证连接件性能的前提下,传动轴连接件轻量化和结构优化是有效提高复合材料传动轴固有频率的重要途径。     

NACA构型泡沫夹层复合材料空气风门的结构强度分析

泡沫夹层复合材料具有比强度、比刚度大,保温隔热性能优异等优点,广泛应用于航空航天等诸多领域,在飞机上则应用于一些载荷不大而厚度较小的部件或结构。研究的NACA构型泡沫夹层复合材料空气风门以其材料的特殊性,在组合工况下受力情况复杂,目前对其在多工况下进行强度分析的相关研究较少。以NACA构型的泡沫夹层碳纤维复合材料空气风门为研究对象,建立了有限元模型。通过重点对多工况下风门壳体的等效应力分布情况进行对比和分析,并对夹层结构各层的应力危险区域进行强度校核,得到了各工况下复合材料面板层和泡沫芯材层的应力敏感区域和失效情况,以及载荷对模型应力影响的规律。     

碳纤维复合材料圆环拉伸力学性能研究

制备了几种典型碳纤维复合材料圆环,并开展了拉伸性能试验,得到了其破坏强度和主要失效模式。基于有限元理论和复合材料各向异性特征,建立了复合材料储能飞轮力学模型,对已知材料性能参数和转子主要形状尺寸的储能飞轮转子进行有限元分析,得出了其应力和位移分布云图以及破坏强度和失效模式,与试验结果吻合较好。在此基础上,基于有限元模型优化出在某一定转速条件下转子的径向应力、环向应力和径向位移分布,并研究了其分布规律。该方法为复合材料飞轮的结构优化及设计提供了参考。     

大张力缠绕碳纤维复合材料高速飞轮转子研究

碳纤维复合材料由于其较高的比强度、比刚度以及不产生高频涡流损耗等特点,日益广泛地被用来制造高速飞轮转子护套。另外,大张力缠绕相比压装等工艺更适用于施加碳纤维复合材料层与金属轮毂间的过盈配合。研究了大张力缠绕复合材料飞轮转子护套的设计与成型工艺,建立了复合材料护套的三维有限元模型,采用温差法模拟纤维缠绕张力,采用单元生死法模拟逐层缠绕及固化过程。在30000 RPM的转速及不同工作温度下,分析了缠绕张力及轮毂和转轴间过盈量对转子各材料界面处压应力的影响规律。此外,采用大张力缠绕工艺制备了高速飞轮转子碳纤维护套样件,测试了样件护套对金属轮毂的径向压应力以及轮毂径向应变。结果表明,基于仿真模型的计算值与样件测试值吻合良好,获得了飞轮转子的最佳几何外形和制备工艺参数,使转子的最大工作外缘线速度达697 m/s,最大储能密度为44.5 Wh/kg。研究成果对复合材料高速飞轮转子护套的设计与制造具有重要的意义。     

碳纤维增强聚氨酯密封胶强度分析

利用复合材料层合板理论对碳纤维增强聚氨酯(PU)密封胶在海水压力下的受力状况进行了简要的数学分析,并结合耐压试验结果,对碳纤维增强PU密封胶的老化及渗漏性能进行了分析。结果表明:应用层合板理论计算得到的复合材料环体的轴向压缩强度、环向拉伸强度、径向压缩强度及受力情况均满足设计要求;但是,上述计算均以碳纤维增强PU胶粘剂材料的静态力学性能为依据的,而复合材料环体在工作时呈动态力学状态,故应用层合板理论进行相关性能的计算还存在着一定的误差;目前采用碳纤维增强PU缠绕工艺、辅以表面处理剂和净水隔离剂后所制备的电缆密封胶,在7MPa压力作用下,环型管节没有泄漏,与计算结果预测一致。     

The compressive and tensile behavior of a 0/90 C fiber woven composite at high strain rates

An investigation into the compressive and tensile behavior of a carbon fiber reinforced resin matrix composite at high strain rates is carried out using a split Hopkinson bar. All the dynamic tests are performed under the condition of stress equilibrium and constant strain rate. The results of the compressive tests show that the failure strength and strain of the composite increase with the increase of strain rate. A plateau is observed in a typical stress–strain curve which prompts further study into the failure mechanism by monitoring the failure process with a high-speed camera. The three-phase failure mechanism of on-impact compression, crack-induced unloading, and crack deviation-caused further condensation, is found to have greatly increased the strength and toughness of the composite. In the tensile tests, an increase of strain rate produces a reduced fracture angle and extended crack path. In this process, more failure energy is absorbed, thus the failure strength and strain of the composite are improved. The Cowper–Symonds model of strain rate dependency indicates that the material has a higher tensile strength than compressive strength, and the strain rate sensitivity is more noticeable at high stain rates than quasi-static conditions.     

Micromechanical discrete element modeling of fiber reinforced polymer composites

An analytical model of mechanical behavior of carbon fiber reinforced polymer composites using an advanced discrete element model (DEM) coupled with imaging techniques is presented in this article. The analysis focuses on composite materials molded by vacuum assisted resin transfer molding. The molded composite structure consists of eight‐harness carbon fiber fabrics and a high‐temperature polymer. The actual structure of the molded material was captured in digital images using optical microscopy. DEM was developed using the image‐based‐shape structural model to predict the composite elastic modulus, stress–strain response, and compressive strength. An experimental case study is presented to evaluate the accuracy of the developed analytical model. The results indicate that the image‐based DEM micromechanical model showed fairly accurate predictions for the elastic modulus and compressive strength. POLYM. COMPOS., 2011. © 2011 Society of Plastics Engineers     

碳纤维增强树脂基复合材料性能的研究

以不同含量的二乙烯三胺(DETA)固化的环氧树脂为基体,制备了碳纤维增强树脂基复合材料。通过扫描电镜和红外光谱分析了T-300型碳纤维表面形貌和基团组成。通过拉伸实验、冲击实验对复合材料的力学性能进行了表征;通过紫外老化实验对复合材料的耐候性进行了表征;通过扫描电镜和热重分析对复合材料的断面形貌和耐热性进行了表征。结果表明:碳纤维增强树脂基复合材料具有良好的耐候性、力学性能、而且还具有质量轻、高比强度等一系列优异的性能。     

大丝束CF/EP汽车地板VARTM模拟与高温力学性能

汽车轻量化是全球面临的共同问题,采用更具成本优势的大丝束碳纤维（CF）增强复合材料是实现汽车轻量化结构化的重要途径。然而,大丝束碳纤维在液体成型时,单束过多的纤维丝易导致纤维束内微观浸润困难,易产生干斑、气泡等缺陷。同时,传统的汽车电泳烘干工艺对复合材料的高温性能提出了挑战。鉴于此,本文采用0°/90°双轴向缝编大丝束碳纤布和耐高温环氧树脂（EP）,开展了纤维渗透率测试和汽车地板真空辅助树脂传递成型（VARTM）模拟优化研究,设计、制造了成型模具,成功试制出汽车地板样件,超景深显微镜观测显示纤维束内和层间浸润良好,无明显缺陷。高温在线拉伸和应变测试显示,温度对材料拉伸模量影响显著而对强度影响不大,180℃高温下应变恢复能力良好,表明该材料在高温下仍具备较好的强度和抗蠕变性能,该结果对指导复合材料能否通过传统汽车的电泳烘干工艺具有重要意义。     

碳纤维复合材料在大飞机上的应用

碳纤维复合材料具有质量轻、高比强度、高林模量、耐疲劳、耐腐蚀、耐高温和尺寸稳定性好等一系列优异性能，已广泛用于飞机制造业，尤其是近年来，在大型客机A380和B787上的用量已占到结构总量的50%左右，引起人们的极大关注，这一市场的需求必将促进碳纤维工业的大发展。     

Effect of polypyrrole deposition of carbon fiber on the thermal expansion of carbon fiber-epoxy composites

Polypyrrole (PPy) was deposited onto carbon fibers via continuous electrochemical deposition (ECD). Composites of PPy-deposited carbon fiber and epoxy were prepared. The thermal expansion coefficients of these materials were determined using either a thermal mechanical analyzer or an imbeded strain gauge. The results show that PPy has a negative thermal expansion coefficient while carbon fiber and epoxy have positive thermal expansion coefficients. The resulting composite has a smaller thermal expansion coefficient, higher interlaminar shear stress and a smaller critical fiber length than the composite using untreated carbon fiber. This suggests that the deposition of PPy can effect an improvement in the fiber-matrix interfacial bonding of the composite.     

Dynamic mechanical properties of carbon fiber reinforced geopolymer concrete at different ages

In order to improve the strength and toughness of geopolymer concrete (GC) at different ages under impact load, using slag and fly ash as cementitious materials, NaOH and sodium silicate as alkaline activators, carbon fiber as reinforcement, carbon fiber reinforced geopolymer concrete (CFRGC) was prepared. The dynamic compression test of CFRGC was carried out by Φ 100 mm SHPB test system. The effects of age (3 d, 7 d, 28 d) and fiber content on the dynamic mechanical properties of CFRGC were studied, and the strengthening and toughening effects of carbon fiber on GC were analyzed. In addition, the strengthening and toughening effects of carbon fiber on GC and ordinary Portland cement based concrete (PC) were compared and analyzed. The results show that the performance indicators of CFRGC at different ages have strain rate effect under impact load, and the dynamic compressive strength and specific energy absorption of CFRGC increase approximately linearly with the strain rate. With the increase of age, the dynamic compressive strength and specific energy absorption of CFRGC increase, and the strain rate sensitivity of dynamic compressive strength and specific energy absorption also increases. With the increase of carbon fiber content, the dynamic compressive strength and specific energy absorption of CFRGC increase first and then decrease, and the strain rate sensitivity of dynamic compressive strength and specific energy absorption also increase first and then decrease. When the carbon fiber content is 0.2%, the dynamic mechanical properties of CFRGC are the best, and the strain rate sensitivity of performance indicators is the strongest. Carbon fiber has strengthening and toughening effects on GC and PC. When the fiber content is 0.2%, carbon fiber has the best strengthening and toughening effects on GC and PC. The strengthening and toughening effects of carbon fiber on GC is better than that of PC. Compared with 28 d, carbon fiber has better strengthening and toughening effects on GC at the ages of 3 d and 7 d.