纤维混杂铺层对无伞空投箱抗冲击性的影响

目的 对无伞空投箱所用的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维/环氧树脂体系纤维混杂铺层的复合材料层合板进行研究,以在低成本下提高实现效果。方法 复合材料层合板分为10层,采用层间混杂结构,通过改变混杂比、铺层角度及铺层顺序,设计148种铺层方案,利用ANSYS–APDL软件分析3种参数变量对层合板拉伸性能及抗弯性能的影响。结果 沿主要受力方向铺设纤维,碳纤维层在外侧、玻璃纤维层集中在中心,且玻璃纤维层体积分数为40%时,材料具有最高的性价比。结论 针对混杂纤维复合材料层合板,通过调整混杂比得出碳/玻璃混杂纤维复合材料性能较好,通过调整铺层角度得出纤维铺设角度越接近受力方向其性能效果越好,通过调整铺层顺序得出不同混杂比、铺层角度下的最佳性能结构。     

碳纤维-玻璃纤维层内混杂单向增强环氧树脂复合材料拉伸性能

采用不同混杂比的碳纤维-玻璃纤维层内经向混编单轴向织物制备了混杂纤维增强环氧树脂复合材料, 研究了不同混杂结构和不同混杂比的碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料拉伸性能的变化及破坏形式。0°拉伸结果表明:同种混杂织物的不同混杂结构中, 碳纤维相对集中的完全对齐结构强度最高, 不同混杂比织物的完全对齐结构强度相当;碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料的模量遵循混合定律。90°拉伸结果表明:纤维与树脂间的界面结合强度为碳纤维/树脂>玻璃纤维/树脂, 碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料的强度、模量与材料厚度方向上界面的不同形式(单一或交替界面、碳纤维或玻璃纤维的分布位置等)有关, 与碳纤维的含量基本无关。      

基于多尺度数值模型的复合材料各向异性热膨胀系数预测

依据复合材料内部纤维在基体内的排布规律及层合板铺层特性,基于多尺度方法,建立单层板和层合板代表性体积单元(RVE)模型,施加相应的边界条件,预测单层板的热膨胀系数和工程常数,进而预测复合材料层合板各向异性的等效热膨胀系数。通过与实验数据对比发现,基于正六边形单层板RVE模型预测的热膨胀系数,相比理论预测值,整体更接近实验值,其中预测的单向T300/5208碳纤维增强环氧树脂基复合材料、P75/934碳纤维增强环氧树脂基复合材料和C6000/Pi碳纤维增强环氧树脂基复合材料的横向热膨胀系数与实验结果的误差分别只有3%、1%和2%;采用单层板RVE预测的单向ECR/Derakane 510C玻璃纤维增强乙烯基酯树脂基复合材料的工程常数与实验值最大相差7.5%;层合板RVE模型预测的正交AS4/8552碳纤维增强环氧树脂基复合材料厚度方向的热膨胀系数与实验结果误差可以忽略,只有0.08%。最后以大型复合结构常用的正交铺层结构为研究对象,基于给出的单层板和层合板RVE模型预测了不同铺层复合材料烟道层合板的等效热膨胀系数,环向铺层比例对厚度方向的热膨胀系数影响较小。      

碳纤维复合材料保险杠铺层优化设计研究

对碳纤维复合材料保险杠碰撞性能进行研究,并进行铺层优化设计。先在HyperStudy中进行试验设计获得大量试验数据,然后采用HyperKriging方法构建近似模型,随后采用遗传算法进行铺层优化,最后将最优解重新代入原模型,进行运算验证。相对于原钢制保险杠,优化后的碳纤维复合材料保险杠有更佳的安全性能,且质量显著减轻,减轻63.3%。碳纤维复合材料对于汽车碰撞安全性及轻量化具有重要的研究意义。     

铺设角度与铺层顺序对层合板稳定性的影响

以层合板结构的临界屈曲载荷系数最大化为优化目标,基于改进型模拟退火算法对层合板结构铺设角度和铺层顺序进行优化。由于层合板结构的铺层角度是离散变量,模拟退火算法适合求解离散变量的优化问题。利用模拟退火算法优化层合板铺层,在算法内采用并行计算、引入记忆功能同时设置双阈值终止准则,有效地提高了优化过程的收敛速度,同时避免优化过程中出现局部最优解。以临界屈曲载荷系数作为目标函数,选取复合材料层合板的铺设角度顺序为设计变量,采用改进的模拟退火算法得出复合材料层合板的最优铺设角度以及铺层顺序。     

基于铺层设计特征的碳纤维增强复合材料悬架控制臂结构优化

基于铺层设计特征,提出一种使用碳纤维复合材料对承载结构件进行结构优化设计的方法和流程.该方法综合考虑结构几何特征、材料铺层方式、铺层厚度及铺层角度在设计环节中的序列关系,通过几何设计空间构建、离散变量多目标优化、基于工艺可行性的最优决策等方法实现结构设计.以碳纤维增强复合材料悬架控制臂的轻量化设计为例:首先,以钢质控制臂结构为参考建立复合材料控制臂的几何设计空间;然后,以复合材料铺层便利性为原则对其进行结构设计,采用准各向同性铺层对控制臂的铺层厚度进行设计;进而,以提高控制臂刚度和1阶固有频率为目标,使用优化算法对铺层角度进行多目标优化设计;最后,以工艺可行性为约束对优化结果进行筛选并最终完成结构设计.结果表明,所设计复合材料结构具有更大的刚度和1阶固有频率,并且与钢质结构相比减重47.9%.所提出的方法能够较好地兼顾结构特征和复合材料设计要求之间的关系,为复合材料结构优化设计理论与方法的发展提供有益参考.     

基于轻量化目标的发射箱纤维增强材料铺层设计

目的以某型发射箱复合材料箱体为对象,探讨复合材料箱体的纤维增强材料铺层设计方法。方法以箱体质量为控制为目标,运用复合材料层合板力学理论结合有限元分析方法进行纤维增强材料铺层计算。结果将纤维的体积分数控制在43.6%,箱体玻璃纤维布铺层总数量为10层,可实现箱体的质量控制目标为(23±1)kg。结论获得的纤维增强材料铺层方式可有效保证箱体的质量一致性和尺寸控制要求。     

碳纤维复合材料传动轴承扭性能优化设计

利用数值模拟分析的方法研究了铺层角度、厚度、顺序以及对称性对碳纤维复合材料传动轴抗扭性能的影响规律。研究发现结构抗扭截面系数在单向铺层方向为接近0°、45°及接近90°时较高,且随着铺层厚度增加而增大;扭转刚度则在40°～70°较好。在接近0°和接近90°铺层间铺设45°铺层能提高零件抗扭性能;与反对称铺层方案相比对称铺层方案更有利于零件承受扭矩。将优化铺层方案应用在某型号风机传动轴的设计中,试验证明能够满足使用要求并达到节约原材料的目的。     

考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化

提出了一种考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化方法。基于复合材料加筋壁板屈曲载荷求解的能量法,系统推导了轴压载荷作用下复合材料加筋壁板蒙皮、筋条局部屈曲载荷的显示表达式,考虑了加筋壁板各板元之间的弹性支持作用及筋条下缘条的影响,引入工程法求解了加筋壁板整体屈曲载荷。基于国产自主结构分析软件HAJIF中的复合材料铺层工程数据库,以铺层参数为中间变量,利用本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法,构建了考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化设计流程并完成程序实现,将最小二乘法用于最优铺层顺序与工程铺层数据库的匹配。相比于传统有限元计算方法,本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法具备较好的求解精度及求解效率。复合材料加筋壁板优化算例表明,采用本文提出的加筋壁板屈曲载荷分析及其优化方法,在结构重量不变的前提下,屈曲载荷提高约17%,且铺层顺序优化结果可直接从铺层工程数据库中提取并用于工程实际。      

Cuntze UD准则研究碳/玻纤环氧树脂复合滑板的性能

为研究纤维铺层结构在高端运动器材方面的使用性能,本文研究了一种单向编织的碳纤维/玻纤增强相、环氧树脂为基体相的滑板复合结构的抗压载性能,同时采用Cuntze的UD材料失效准则对该复合滑板进行5类失效评估。实验结果表明:该复合滑板的抗压最大质量为2 t,主要体现为基体失效,并且以基体拉伸失效为主,而纤维失效则不明显;通过失效准则判定,纤维失效主要集中于加载压头周边第30层小范围区域,并且为拉伸失效,这说明碳纤维的压弯失效层集中于弯曲曲率较大的铺层区域,加载部位的失效集中在底部的二级铺层结构面上.     

苎麻纤维布和玻璃纤维布混杂铺层复合材料的力学性能

利用真空吸注成型(vacuum resin absorbable molding,VRAM)工艺制备苎麻纤维布与玻璃纤维布混杂铺层的环氧树脂基复合材料。测定复合材料的损耗因子、储能模量的温度谱和力学性能;利用单悬臂梁共振实验测量复合材料的共振频率和自由振动衰减曲线并计算出了阻尼因子。用有限元软件对其共振频率和自由振动衰减实验进行仿真分析。结果表明:通过苎麻纤维布/玻璃纤维布的混杂铺层,能够实现材料阻尼性能和力学性能的可控调节,充分发挥复合材料可设计性强的优势。其中RGR铺层的复合材料的损耗因子比纯玻璃纤维板提高了1.4倍,而拉伸强度比纯苎麻纤维板提高了3倍多;自由振动的有限元模拟曲线和实验曲线基本吻合,表明可以通过模拟软件实现复合材料的虚拟振动测试,从而为材料性能预测和设计提供方便。     

复合材料汽车轮毂的成型工艺及性能研究

研究了不同冲击方向下复合材料的冲击力学性能,设计不同纤维布料裁剪方式并分析原材料的使用率,设计易于铺层操作以及产品脱模的三片式模具,优化热压罐成型工艺,并进行了车轮冲击测试。结果表明,冲击测试时的冲击方向对复合材料的冲击性能有较大影响,相较于垂直于铺层方向的冲击性能,冲击方向平行于铺层方向的复合材料冲击性能更高,产品铺层中应根据冲击工况进行优化铺层设计;采用合适的裁剪结构设计提高了操作便利性,并且使材料利用率达到83.8%,大大节约了材料成本;采用优化热压罐成型工艺制备的复合材料轮毂在冲击静载荷为600 kg的13°冲击测试中未出现断裂情况,满足汽车车轮冲击测试的装车要求。     

铺层顺序对预成型体搭接复合材料拉伸性能影响的仿真与验证

使用有限元理论模拟分析了几种不同铺层顺序的预成型体搭接复合材料的拉伸性能,并且使用国产碳纤维与快速固化环氧树脂制备相应的单下陷搭接试样,测试其搭接接头的拉伸性能,对有限元计算结果进行了验证。结果表明,使用有限元计算与实验方法得到的结果基本相符。有限元模拟及实验验证发现不同铺层结构的预成型体搭接复合材料有两种不同的破坏损伤模式。搭接上层板的层间剥离强度与层板本身弯曲性能共同决定了搭接接头的破坏模式及拉伸性能,两者中强度较弱的先发生破坏,导致试样失效。在预成型体搭接接头中,0°铺层越靠近搭接面,对搭接性能的影响越明显,搭接强度越高。搭接界面处纤维层之间的相对角度不同,纤维铺层刚度不同,刚度差别越大,搭接强度就越低。     

基于几何因子的复合材料气动弹性剪裁设计

实现了基于几何因子的复合材料层合板建模,解决了几何因子与Natran的参数输入问题,并根据工艺约束中的最小铺层比例对几何因子可行空间进行了推导补充。在此基础上,提出了一种基于几何因子和Nastran的复合材料气动弹性剪裁优化设计方法。首先以总厚度和几何因子作为设计变量以及以Nastran作为求解器,以强度、刚度、颤振和发散速度以及几何因子相关性约束作为约束条件进行结构寻优,得到最优的铺层总厚度和几何因子。其次,以最优几何因子作为目标,进行铺层结构逆问题求解,约束条件为复合材料铺层工艺约束。因几何因子为铺层厚度和铺层顺序的表达式,与传统的多级优化相比,以几何因子作为设计变量可以避免铺层厚度和铺层顺序的解耦,进而获得更大的设计空间,且得到的铺层结构可以满足工艺约束。最后,对一矩形悬臂复合材料层合板进行剪裁设计,使得铺层结构满足气动弹性约束且质量最小。结果显示,运用该优化方法可以得到质量更小且满足工艺约束的铺层结构。     

混杂复合材料非对称铺层结构性能研究EI北大核心

混杂复合材料是两种或两种以上不同基体或增强材料组成的复合材料。混杂复合材料因选用了不同的材料,在性能上常有互补性。通过研究典型基体材料和典型增强材料组成的混杂复合材料,和混杂复合材料的非对称铺层特性,形成混杂复合材料非对称铺层制件。在单一材料性能基础上,主要研究典型混杂复合材料的性能,混杂复合材料非对称铺层结构的性能。     

复合材料轴结构力学性能预测及铺层方案设计

针对连续纤维增强金属基复合材料轴结构力学性能预测问题,考虑纤维呈四边形和六角形两种周期性排列方式,基于细观力学有限元方法,建立六种代表体积元(RVE)模型,计算该材料的宏观力学性能参数,并与已有的三种细观力学模型计算结果进行对比分析。在此基础上,以低压涡轮轴为研究对象,将选定的RVE模型预测所得的宏观力学性能参数应用于该纤维增强复合材料轴结构的铺层方案设计中,利用数值模拟方法计算该轴结构在给定弯矩、扭矩作用下的变形量和应力,并分析铺层角度、厚度及铺层顺序对轴结构抗弯、抗扭性能的影响规律。研究发现纤维按某种特定的铺层角度组合铺设,可有效提高轴结构的抗弯、抗扭性能,通过计算分析提出了铺层设计方案。     

二维编织碳纤维增强树脂复合材料一步法铺层展开

二维编织碳纤维增强树脂复合材料的铺层展开质量对铺覆过程和产品质量有直接且显著的影响。本文针对二维编织碳纤维增强树脂复合材料铺层展开问题进行了研究,建立复合材料材料、随体和全局坐标系,并基于连续介质理论根据坐标系间的转换关系构建了非正交各向异性本构模型;完成了二维编织碳纤维增强树脂复合材料力学性能试验,包括测量复合材料拉伸性能的单向拉伸试验和测量剪切性能的镜框剪切试验;开发了二维编织碳纤维增强树脂复合材料一步法铺层展开算法并基于FORTRAN语言编写了自主可控的一步法铺层展开求解器。计算了口盖零件展开构型,展开构型轮廓线与实验结果分布趋势相同且最大误差仅为5.0 mm,相对误差仅为1.9%;剪切角计算结果与实验分布趋势一致且最大误差仅为4°,验证了一步法铺层展开算法和求解器的有效性。     

玻璃/苎麻纤维混杂复合材料力学性能研究

混杂纤维增强复合材料由于可以综合利用各种纤维的优点,极大的提高了复合材料的性能,拓展了复合材料的适用范围。本文采用玻璃纤维和苎麻纤维混杂酚醛树脂制备复合材料,研究了复合材料混杂比和铺层顺序对混杂纤维复合材料力学性能的影响。从结果可以看出,玻璃纤维和苎麻纤维的不同比例对混杂复合材料的力学性能有着显著的影响,而采用玻璃纤维作为芯层的时候可以获得较好的拉伸性能,采用苎麻纤维作为芯层的时候可以获得较好的弯曲和剪切性能。     

基于遗传算法的复合材料层合板削层结构铺层优化

针对应力变化较大的碳纤维增强复合材料层合板,提出削层结构铺层分级优化模式。通过将结构分解为若干子铺层并对各子铺层的位置、尺寸、铺层数以及铺层顺序进行优化,得到了满足强度和可制造性要求且质量最小的结构设计方案。该模式的第1、2级优化利用参考层对各子铺层位置及尺寸进行优化,第3级优化通过引入3次样条插值参数化方法对各子铺层层数和铺层顺序进行优化。参考层的引入可减少设计变量的数量,3次样条插值参数化方法可解决以铺层角为设计变量时设计变量数目不确定的问题。利用有限元方法对结构进行力学分析计算,并依据Tsai-Wu准则确定结构强度。在第2、3级优化中利用遗传算法对优化问题进行求解。算例计算表明:削层结构铺层分级优化模式结果合理可信。与均匀铺层方法结果比较可知:削层结构可有效减少结构质量。     

铺层混杂对复合材料层压板侵彻性能的影响

本文利用MTS和冲击侵彻测试装置，研究了由芳香族聚酰胺纤维、高强聚乙烯醇纤维制成的织物通过不同铺层方式与酚醛/PVB树脂复合的层压板的准静态和冲击侵彻性能。结果表明，芳香族聚酰胺织物层的加入能显著提高高强维纶织物树脂复合材料层压板的准静态侵彻刚度。随着芳纶混杂体积分数的提高，铺层混杂复合材料层压板的准静态侵彻阻力、穿孔能量（或单位面密度穿孔能量）将随之增加。从防护装具性能/重量比和性能/价格比的角度考虑，在芳香族聚酰胺与高强聚乙烯醇织物铺层混杂复合材料层压板中，高强聚乙烯醇纤维混杂体积分数可以确定为20%左右。