PNF增韧层对CFRP复合材料分层影响的数值分析

尼龙无纺布增韧层能在保证良好工艺性能的前提下,显著提高纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)的断裂韧度,但其机制还不明晰。引入一种反映尼龙无纺布增韧层(polyamide non-woven fabric,PNF)厚度和力学特性的内聚力模型,建立PNF/CFRP复合材料分层损伤产生与扩展的力学模型,通过双悬臂梁弯曲实验和验证,得到如下结论:增韧层的厚度对复合材料Ⅰ型分层的峰值载荷几乎没有影响,增韧层厚度为20μm时,复合材料分层扩展阻力最大;界面最大法向应力分布可有效反映裂纹扩展前沿形貌,分层扩展开始后,其前沿形貌保持一致;在相同的外力载荷下,随着PNF/CFRP复合材料铺层从[012/012]变化到[012/9012],其Ⅰ型分层的峰值载荷和扩展距离不断减小。     

送风角度对分层供暖室内气流组织的影响

以重庆地区某高大机械加工厂房分层空调为对象,建立厂房分层供暖设计方案下的计算模型;提出冬季工况下通过控制送风射流下边界高度和射流搭接高度来选择合理的送风角度,探讨了送风角度对实现分层供暖、抑制对流热转移的影响.     

含分层复合材料层板的压缩性能

使用商用有限元软件建立了含分层复合材料层板的有限元模型,采用Hashin失效准则对层板内单元进行损伤判断,并编写程序对失效单元进行刚度折减,使用cohesive单元模拟层间区域,并对缺陷区域进行弱化处理,利用应力失效判据和能量释放准则判断层板内起始分层与分层的扩展。对完好以及含分层缺陷复合材料单向层板试验件进行压缩实验研究,实验结果给出了分层位置和尺寸及对材料压缩性能的影响。研究表明,有限元模拟结果与实验结果具有良好的一致性。     

含预制分层损伤复合材料层合板在压缩载荷下破坏过程和剩余强度的模拟

本文运用一种具有较高精度的高阶位移模式,结合特定的损伤判据和刚度折减方法,建立了一种含损伤有限元模型,并利用其对多个含预制分层损伤的复合材料层合板在压缩载荷下的破坏过程进行了数值模拟,并最终得到这些层合板的剩余强度。与实验结果的对比表明,该数值模拟方法具有较高的精度和有效性。     

含紧固穿透分层复合材料层板的疲劳扩展

对含预置穿透分层复合材料层板开展压缩强度和压缩疲劳试验,获得结构的极限载荷,并研究层板的分层扩展特性。基于ABAQUS软件建立含穿透分层复合材料层板有限元模型,通过VCCT计算能量释放率,采用B-K准则来模拟层间分层的扩展。引入VUMAT子程序,采用改进的Hashin准则判断单元损伤;基于累积损伤理论和剩余强度理论,弱化材料性能,对含穿透分层和含紧固穿透分层复合材料层板的疲劳力学行为进行分析,讨论了紧固件等参数对层板分层扩展的影响。     

粗骨料体积分数对混凝土Ⅱ型断裂参数的影响

对不同粗骨料体积分数下的混凝土Ⅱ型断裂性能进行了研究。根据最大泥浆厚度(Maximum paste thickness, MPT)理论,给出了断裂韧度K_{Ⅱ C}与粗骨料体积分数V_a之间的经验关系式。通过对含有四种粗骨料体积分数(19%、25%、31%、37%)的无切口试件开展半边加载断裂试验,测得相应的峰值荷载、断裂韧度、能量释放率等断裂参数,并分析了断裂韧带表面的裂纹分布规律。试验结果表明:随着粗骨料体积分数的增加,混凝土的Ⅱ型断裂韧度K_{Ⅱ C}和临界能量释放率G_{Ⅱ C}明显增加,名义断裂韧带处的裂纹轮廓线更长、更曲折;各配比试件的开裂模式基本一致,剪切裂纹主要集中在名义断裂韧带区域。同时,利用数字图像相关技术(Digital image correlation, DIC)对试件表面的损伤演化进行分析,结果表明,试件表面的应变局部化能够较好地表征断裂过程区(Fracture process zone, FPZ)的形态特征及演化过程。随着粗骨料体积分数的增加,FPZ的形态更不规则,分支更多。      

氧气等离子体处理对CFRP表面特性及胶接界面力学性能的影响EI北大核心CSCD

为改善碳纤维增强复合材料(CFRP)胶接界面力学性能,采用低温氧气等离子体处理设备对CFRP进行表面处理。利用接触角测量仪、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)对CFRP表面润湿性、表面能、表面形貌、表面化学组分等进行表征,通过双悬臂梁实验(DCB)对CFRP胶接界面力学性能进行研究。结果表明:随氧气等离子体处理时间从0 s增加至30 s,表面水接触角从97°降至29°,CFRP表面润湿性达到最佳,极性分量占比显著增多;随处理时间的增加,CFRP表面粗糙度和最大高低差降低,形成较多谷峰分布的纳米级沟壑,基体表面积增大;同时,表面C—O和C■O等含氧极性官能团含量明显增加,C—C/C—H和Si—C官能团含量减少,表面污染物得到有效清除和转化;与未处理相比,经氧气等离子体处理20 s后,CFRP胶接界面最大剥离载荷和Ⅰ型断裂韧度分别提高了1.01倍(62.73 N)和1.92倍(649.21 J/m 2)。研究发现,氧气等离子体处理可以显著改善CFRP表面物理化学特性,有利于CFRP与胶黏剂更好的黏结,提高胶接界面剥离强度与韧性。     

复合材料层板圆形分层的屈曲

本文设分层发生在距层板表面不远处,由此建立了子层屈曲分析的力学模型,利用Ragleigh-Ritz能量法及通过选择能够表征层板拉—剪和弯—扭耦合效应效应的位移函数,导出了子层屈曲的特征方程,给出了几种铺层角度下,圆形子层临界应变随分层半径R,基层泊松比的变化规律和单向子层临界应变随铺层角变化规律.     

CFRP/Al夹层板电磁冲孔分层缺陷研究

目的 研究不同放电能量对CFRP/Al夹层板电磁冲孔分层缺陷的影响.方法 对2.4 mm厚的CFRP/Al夹层板进行电磁冲孔试验,通过超声C扫描无损检测技术、扫描电子显微镜及有限元数值模拟等手段分别对板料分层损伤、横截断面微观形貌及层间分层损伤进行评估,揭示不同放电能量对CFRP/Al夹层板电磁冲孔分层缺陷的影响.结果...     

复合材料层板热压工艺参数的分析与优化

在热固性树脂基复合材料热压成型过程中,外加压力和加压时机是决定层板厚度、纤维含量以及孔隙含量的两个主要因素.基于复合材料热压成型过程树脂流动模型,采用遗传算法,根据固化层板纤维体积分数的要求,对单向和正交两种铺层形式的T700/5228和T700/5224层板加压时机进行了分析.以航空航天应用的典型纤维含量为准,对优化得到的加压时机以及不同工艺条件下固化层板内纤维分布特点进行了分析.结果表明,纤维、树脂种类相同,铺层方式不同,加压时机差别很大;纤维种类、铺层方式以及初始和优化目标相同的条件下,不同树脂体系,加压时刻树脂粘度基本相同;层板内纤维分布均匀性主要由纤维层压缩特性决定.采用本文建立优化方法,可以快速地得到满足目标纤维含量要求的加压时机,具有重要的学术价值和工程应用意义,有助于降低成本,缩短复合材料研制周期.     

有机玻璃纯Ⅰ型和纯Ⅱ型动态断裂行为的实验研究

采用尖槽式中心切口圆盘试件,在分离式霍布金森压杆试验装置上对有机玻璃纯Ⅰ型和纯Ⅱ型加载条件下的动态断裂行为进行了实验研究。结果表明,加载速率对有机玻璃的断裂行为有显著的影响,有机玻璃纯Ⅰ型和纯Ⅱ型断裂韧度的测试结果均表现出明显的加载速率相关性,且随着加载速率的增加而增大。     

铁素体管线钢的分层裂纹及其对断裂的影响

通过对针状铁素体管线钢缺口根部三维应力状态的有限元分析和不同形式的断裂实验,研究了管线钢分层裂纹产生的条件及其对断裂性能的影响.结果表明裂纹或缺口根部的三维应力状态是产生分层裂纹的必要条件,材料的强度分布影响分层裂纹的形式和方向.分层裂纹均为主裂纹扩展前材料中的弱界面在垂直该弱界面的拉应力作用下产生的,其数量和方向受裂纹端部三维应力场和材料的强度分布状态控制.分层裂纹面上的应力为零,分层裂纹有一定的间距.在断裂过程中产生的分层裂纹使裂纹或缺口根部的构形发生改变,从而对裂尖的应力状态和材料的断裂性能产生巨大的影响.穿透裂纹体的分层裂纹使其有效厚度减小,表面裂纹体的分层裂纹与裂纹扩展方向垂直.在断裂过程中产生分层裂纹需要消耗更多的能量、降低裂端三维应力约束、有效厚度降低或裂尖钝化.这些因素均使断裂扩展更加困难,而使材料韧性得到提高.     

疲劳对铝基SiC纤维增强复合材料界面性能影响

采用单纤维碎断法(Fragmentation)及声发射技术研究了富SiO₂处理的SiC纤维增强铝基复合材料经一定疲劳载荷后的界面接合强度。发现疲劳与未疲劳状态对实验机刚度的测量影响极大, 这将直接影响纤维断裂强度的计算。采用直接溶出法测量经热压处理的纤维断裂强度,发现复合工艺对纤维的强度没有损耗,这与Clough关系的预测有巨大的差异。经一定周次疲劳后,纤维的临界长度增加,界面接合强度有所降低。      

有机玻璃纯Ⅰ型和纯Ⅱ型动态断裂行为的实验研究EI北大核心

采用尖槽式中心切口圆盘试件,在分离式霍布金森压杆试验装置上对有机玻璃纯Ⅰ型和纯Ⅱ型加载条件下的动态断裂行为进行了实验研究。结果表明,加载速率对有机玻璃的断裂行为有显著的影响,有机玻璃纯Ⅰ型和纯Ⅱ型断裂韧度的测试结果均表现出明显的加载速率相关性,且随着加载速率的增加而增大。     

不同孔隙率CFRP层合板静态力学性能研究

为了研究孔隙率对织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板静态力学性能的影响规律,分别测量了孔隙率为0.33%至1.50%的CFRP层合板的弯曲强度和层间剪切强度,并进行有限元模拟.在适用于复合材料单向板的改进Hashin失效准则基础上,建立了适用于织物纤维增强复合材料静态力学强度的失效准则.通过引入复合材料基本强度参数预测不同孔隙率CFRP层合板的力学性能,结合刚度突然退化模型,采用ABAQUS软件建立了有限元模型.试验结果表明,随着孔隙率的增加,复合材料层合板的弯曲强度和层间剪切强度均呈下降趋势.有限元模型较为准确地预测了不同孔隙率织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的弯曲强度和层间剪切强度.     

界面性质对颗粒增强复合材料破坏模式影响的数值模拟分析

运用材料破坏过程分析M FPA2D 系统, 对颗粒增强复合材料的变形、损伤及破坏过程进行了数值模拟分析。主要分析了界面性质对破坏模式的影响。模拟结果表明, 增强颗粒与基体的界面对复合材料的宏观性能有很大影响。在理想界面条件下, 破坏模式以界面附近基体的破裂为主, 在非理想界面(且为弱界面) 条件下, 破坏模式以颗粒与基体的脱粘较为明显。      

复合材料疲劳分层的界面单元模型

提出一种三维黏聚力界面损伤模型,可以描述单调和交变载荷下层合复合材料混合型的分层损伤。损伤用界面所经历过的最大位移间断来定义,交变荷载下一个周期的加、卸载过程均考虑有损伤积累,模型还考虑了单调和疲劳损伤的门槛效应和交变载荷下裂纹的闭合效应。建立了包含该界面损伤模型的初始无厚度八节点等参界面单元,并引入加速损伤的算法,用一次计算循环代替若干次实际循环,提高计算效率。用该单元模型对某复合材料动部件疲劳分层裂纹的形成和扩展进行了模拟,得到了分层裂纹前沿界面局部损伤和结构疲劳分层的发展规律,模型预测的裂纹长度-荷载循环次数对数(a-log N)曲线和结构剩余刚度与试验数据吻合。     

压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响

为确定压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响,首先对不同压缩预应力下的碳纤维/双马树脂CCF300/5428层板进行了低速冲击和准静态压痕试验,然后通过热揭层和冲击后压缩试验分别得到了层板分层面积和剩余强度。结果表明:压缩预应力会大幅降低层板的接触刚度和弯曲刚度,从而导致相同冲击能量下层板凹坑深度和背部基体开裂长度增大;对于准静态压痕过程和相同冲击能量下的冲击过程,分层起始载荷和峰值载荷均随压缩预应力的增大而减小;在相同冲击能量下,随着压缩预应力的增大,层板内部分层总面积及冲击能量吸收比不断增大,剩余压缩强度不断降低。因此,压缩预应力会降低复合材料层板的冲击损伤阻抗,对损伤容限性能不利,在对承受压缩载荷结构的试验验证过程中应考虑压缩预应力对抗冲击损伤性能的影响。