复合材料波纹夹层圆柱壳设计及轴压性能

结构轻量化是航空航天发展的永恒主题, 波纹夹层圆柱壳作为常见的轻质结构形式, 在航空航天领域具有很大的发展空间。采用模具热压法, 制备出纵向和环向碳纤维复合材料波纹夹层圆柱壳, 其中芯子整体成型, 面板分瓣制备。采用经典板壳屈曲理论, 分析纵向和环向波纹夹层圆柱壳的轴压力学性能, 得到了欧拉屈曲、整体屈曲、局部屈曲和面板压溃4种失效模式下的极限载荷理论公式。绘制出结构的失效机制图, 直观显示出了失效模式与试件尺寸之间的关系。通过对纵向和环向波纹夹层圆柱壳的轴向压缩试验, 获得了结构的载荷-位移曲线及局部屈曲和面板压溃2种失效模式。结果表明:纵向波纹夹层圆柱壳的轴向承载能力及载荷/质量效率优于环向波纹夹层圆柱壳, 在一定范围内增加圆柱壳面板的厚度、减小圆柱壳的高度可提高结构的载荷/质量效率。      

基于高阶剪切理论的复合材料格栅夹层板弯曲特性

基于高阶剪切弯曲理论,对含有软质芯材的复合材料格栅夹层板的弯曲特性进行了理论研究。基于能量法,推导了含有软质芯材的复合材料格栅的等效弹性参数计算式;基于高阶剪切弯曲理论,推导了夹层板的弯曲平衡微分方程,并采用Navier方法,给出了分布载荷作用下四边简支、上下表层为对称正交铺层的夹层板弯曲问题的理论解;用算例对典型格栅夹层板的理论解和有限元仿真解进行了对比,两者误差为7.1%,验证了本文理论方法的正确性;并分析了夹层板跨厚比、格栅厚度、格栅复合材料铺层角度、格栅间距等参量对含有软质芯材的典型复合材料格栅夹层板弯曲挠度的影响规律。      

湿热环境对蜂窝夹层复合材料性能的影响

对不同类型的Nomex蜂窝夹层复合材料进行湿热处理,分别测定不同材料的吸湿曲线与材料处理前后的力学性能与介电性能.实验结果表明:不同材料具有不同的吸湿特性.湿热环境会对夹层复合材料试样的面板强度、芯材剪切与压缩强度造成不同程度的负面影响,通过比较,在力学性能方面,两种面板材料的耐湿热性能相似,而环氧/NH-1-72材料的芯材具有更好的耐湿热性能.同时,湿热环境会对不同材料的介电性能产生不同的影响,其中,环氧/NH-1-48材料因其具有的最低的芯材密度,而具有最好的介电性能耐湿热性.     

复合材料夹层板成形性的研究

本文通过弯曲实验对复合材料夹层板的成形性进行了研究。研究表明,和单层金属板相比,夹层板的成形有其特殊规律,胶膜和润滑条件对其成形有较大影响,在弯曲过程中往往会发生反向弯曲,工艺条件的改进可消除这种反向弯曲。     

双向纤维腹板增强夹层结构的弯曲性能

设计并制备了双向纤维腹板增强复合材料夹层梁,对其受弯性能进行了四点弯曲试验研究,开展单、双向格构夹层梁性能对比分析,研究不同腹板高度、厚度对夹层梁受弯性能的影响,基于经典夹层梁理论及简支梁受弯基本理论,研究夹层梁破坏模式和机理。试验结果表明:双向格构腹板增强形式能有效提高该夹层结构的极限变形能力与受弯极限承载力,且随着试件厚度加大提高作用更明显;保持夹层梁基本参数不变,增加试件高度有利于提高刚度,增强夹层梁极限承载力;单一增加腹板厚度有益于提高该夹层梁的极限变形能力,但不能明显提高其极限承载力。理论分析表明:采用铁木辛柯梁理论求得的挠度理论值与实验值吻合较好。     

复合材料夹层板隔声性能测试研究

本文设计并研制了一种各向同性玻璃短纤维聚酯／聚氨酯泡沫夹层复合材料隔声板，并用混响室法测试了试件的隔声量，结果表明该复合材料夹层结构具有优良的隔声能力和较高的性能价格比。     

热压釜成型复合材料波纹梁工艺工时估算

成本估算是目前复合材料领域开发研究的关键问题之一,而工艺工时估算又是制造成本估算的核心。本文中建立复合材料制造工艺工时估算模型,以热压釜成型复合材料波纹梁为研究对象进行理论分析和实验研究,给出此估算模型中估算变量和方程参数的确定方法并应用最小二乘法将所得数据进行拟合,其结果与实验结果基本一致。介绍了估算模型中参数随制件曲度变化的修正方法,为实现不同结构设计的工时估算提供指导。     

整体中空夹层复合材料的弹性性能分析

基于织物真实形态选取了整体中空夹层复合材料的最小结构单元,确定了几何参数和纤维体积含量的计算方法,建立了力学模型,并在此基础上预测了整体中空夹层复合材料的弹性常数。分析了当绒经和地经纱的织造密度保持一定的比例不变时,不同织造参数下面板弹性性能的变化。制作了侧拉、平压试件并进行了性能测试,通过实验值和理论预测值的对比,表明了力学模型的正确性。      

芳纶蜂窝夹层结构复合材料隔声性能实验

为得到芳纶蜂窝夹层结构复合材料不同设计参数对隔声性能的影响规律,为其隔声性能的设计和优化提供依据,设计试制不同面板材料、不同面板厚度、不同蜂窝孔格直径、不同蜂窝芯材厚度和密度的样件.采用混响室—消声室法对试样隔声性能进行测试分析.结果表明:设计参数改变所导致的计权隔声量改变均在1 dB左右,对隔声量频率特性曲线影响较大...     

基于多尺度方法的蜂窝夹层复合材料结构轴向压缩稳定性

为有效预测蜂窝夹层复合材料结构压缩失稳载荷和破坏模式,本文基于层压板宏细观多尺度数值分析模型,研究蜂窝夹层复合材料结构在轴向压缩载荷下的屈曲稳定性。基于改进的通用单胞理论模型,并结合ABAQUS用户自定义子程序接口,建立蜂窝夹层复合材料结构宏细观数值模型,预报蜂窝夹层复合材料结构失效载荷和破坏模式,并与试验结果对照,验证了模型的有效性。结果表明:通过本文建立的数值模型可以有效预测蜂窝夹层复合材料结构在压缩载荷下的失稳载荷和破坏模式,其一阶失稳载荷为128.12 kN,与试验结果误差为4.58%,蜂窝夹层复合材料结构破坏模式为先发生屈曲失稳,然后迅速破坏。      

Improving the bending strength and energy absorption of corrugated sandwich composite structure

The bending strength, stiffness and energy absorption of corrugated sandwich composite structure were investigated to explore novel designs of lightweight load-bearing structures that are capable of energy absorption in transportation vehicles. Key design parameters that were considered include fibre type, corrugation angle, core-sheet thickness, bond length between core and face-sheets, and foam inserts. The results revealed that the hybridization of glass fibres and carbon fibres (50:50) in face-sheets was able to achieve the equivalent specific bending strength as the facet-sheets made entirely of carbon fibre composites. Increasing the corrugation angle and the core sheet thickness improved the specific bending strength of the sandwich structure, while increasing the bond length led to a reduction in the specific bending strength. The hybrid composite coupons with foam insertion showed medium energy absorption, ranging between the glass fibre and the carbon fibre composite coupons, but the highest crush force efficiency among all designs.     

基于精确板理论的复合材料格栅/波纹夹芯结构屈曲特性

提供了一种分析全复合材料格栅/波纹夹芯板屈曲特性的解析模型.将格栅、波纹芯子视为连续性单层,基于精确板理论推导了全复合材料波纹/格栅夹芯板的内力-应变关系;在考虑复合材料芯子壁板各向异性和横向剪切变形的基础上,基于均质化理论分别推导了复合材料正交格栅和梯形波纹芯子的等效弹性常数;利用最小势能原理得到了全复合材料格栅/波...     

Z向增强泡沫夹芯阻燃复合材料力学性能

研制了一种Z向玻璃纤维增强酚醛泡沫的高阻燃性复合材料, 并试验分析了承力柱高度、 分布密度、 排布方式及缝编纱细度、 缝合面板层数等结构参数对复合材料力学性能的影响。结果表明: 与普通泡沫夹芯复合材料相比, Z向增强泡沫夹芯复合材料的力学性能得到了大幅度提升; 在承力柱分布密度相同的条件下, Z向增强泡沫夹芯复合材料的力学性能基本不随承力柱排布方式而变化; 承力柱高度、 分布密度及缝编纱细度、 缝合面板层数等结构参数对Z向增强泡沫夹芯复合材料的力学性能有重要影响。     

不同铺层方式下连续玻璃纤维/聚丙烯复合材料波纹夹芯板的力学性能

制备了多种铺层方式的连续玻璃纤维/聚丙烯（GF/PP）复合材料波纹夹芯板,并研究了GF/PP复合材料波纹夹芯板的平压性能和弯曲性能。结果显示:面板相同时,增加芯板厚度可大大增加夹芯板整体的平压性能;芯板相同时,面板的铺层方式对夹芯板的平压性能有一定影响,且面板含有0°和90°铺层的波纹夹芯板具有最高的平压模量,为59.55 MPa,而单纯增加面板厚度对提升波纹夹芯板的平压性能影响不大;面板铺层方式对弯曲性能具有较大影响,面板为0°铺层的波纹夹芯板具有最高的横向弯曲模量,为783.66 MPa,面板为90°铺层的波纹夹芯板具有最高的纵向弯曲模量,为732.09 MPa;面板为单向铺层（0°或90°铺层）时,会使夹芯板另一方向（纵向或横向）的弯曲性能形成短板。      

碳/芳纶混杂纤维增强波纹夹芯结构低速冲击性能

采用碳纤维和芳纶纤维增强复合材料对波纹夹芯结构的面板进行层间混杂铺层设计,通过真空辅助树脂灌注(VARI)成型工艺制备混杂波纹夹芯结构。在60 J、80 J和100 J三种不同冲击能量下,研究了面板混杂铺层方式对波纹夹芯结构低速冲击性能及冲击后压缩强度的影响,并利用超声C扫和工业CT断层成像两种无损检测技术对波纹夹芯结构的冲击损伤机制进行了分析。结果表明：冲击能量较低时,波纹夹芯结构的吸收能量基本不受面板的混杂铺层方式影响,而凹坑深度随表层碳纤维层数增加而减少。冲击能量较高时,面板为分层式混杂(碳/芳纶纤维单层交替铺层)的波纹夹芯结构的抗冲击性能最好,纤维断裂损伤和层间分层主要发生在试样表层,但损伤面积较大;面板为夹层式混杂(以碳纤维为蒙皮、芳纶纤维为芯材)的波纹夹芯结构具有较高的吸收能量,整个上面板的纤维都发生了断裂破坏,但损伤面积较小。碳/芳纶混杂波纹夹芯结构的面板采用分层式和夹层式的混杂铺层设计时,具有较高的冲击后压缩强度。     

Kevlar纤维缝纫泡沫芯材复合材料力学性能研究

基于热压罐成型工艺,制备了kevlar纤维缝纫泡沫芯材复合材料夹层板,并通过扫描电镜观察了胶膜中的树脂在kevlar纤维束之间的浸润状态,为工程化应用提供参考.选取未缝纫泡沫夹芯复合材料和碳纤维预浸料缝线缝纫泡沫芯材复合材料夹层板为对比试样,实验研究了kevlar纤维缝纫泡沫芯材复合材料夹层板的平压、剪切和侧压力学性能,并考察了缝纫针距、行距的变化对其力学性能和破坏模式的影响.研究表明:在真空压力下,胶膜中的树脂与kevlar纤维浸润良好;对泡沫芯材进行kevlar纤维缝纫增强后,其力学性能显著提高,并改变了夹层板的破坏机理.实验范围内,随着缝纫密度的提高,平压强度和模量增大;夹层板剪切性能和侧压性能受缝纫密度的影响较大,在缝纫参数(缝纫行距×针距)为10 mm×10 mm时,增强效果较佳,其剪切强度和侧压强度分别提高了44%和21%,剪切模量和侧压模量分别提高了34%和127%.     

碳纤维增强环氧树脂复合材料金字塔点阵夹芯假脚结构在竖向载荷下的力学性能

对碳纤维增强树脂复合材料金字塔点阵夹芯假脚结构在竖向载荷下的力学性能进行研究.制备了三种不同相对密度的假脚,并进行了竖向载荷压缩试验.结果 表明,相对密度对结构力学性能的影响显著,载荷-位移曲线呈非线性,峰值载荷和刚度值随相对密度的增加而增大,三种相对密度的破坏模式均为节点的失效和面板的皱曲,结构具有一定的能量吸收能力...     

轻质夹层复合吸声结构的水声性能实验研究

夹层复合吸声结构具有很强的可设计性,得到广泛的应用,但以往研究的此夹层结构的吸声芯材存在密度较大的问题.为解决此问题,采用玻璃钢作为表层材料,多种空心玻璃微珠混合填充环氧树脂和聚氨酯改性环氧树脂合成的高分子吸声材料作为芯材,设计一种轻质夹层复合吸声结构.首先研究确定了表层材料的厚度,并制作了脉冲声管测试试件,根据测试结果确定芯材的合成配方,根据此配方制作了消声水池测试试件,在消声水池中测试了其吸声系数和反射系数,最后对该结构的吸声机理进行了分析,结果证明:用空心玻璃微珠填充环氧树脂和聚氨酯改性环氧树脂可以合成低密度高分子吸声材料(相对密度0.8±0.05),用其作为芯材制作的夹层复合吸声结构具有良好的吸声性能,降低夹层结构的整体重量的同时也具有很好的声隐身效果,更有利于工程的应用.     

复合材料夹芯结构非线性热传导分析

针对复合材料夹芯结构温度场分布的特点, 提出一种用于复合材料夹芯结构热传导精细分析的有限单元模型。这种单元模型为三维六面体模型, 单元模型厚度方向的插值函数在芯层和面板交界节点处温度值是连续的, 但温度变化率是不连续的, 而芯层内部节点处沿厚度方向温度值和温度变化率都是连续的。在考虑材料热传导参数随温度变化的情况下, 基于这种有限单元模型建立的复合材料夹芯结构瞬态温度场分析有限元方程为非线性方程。在求解此瞬态热传导非线性有限元方程时, 改进了常用的动力学平衡方程的解法, 改进后的动力学平衡方程解法避免了迭代运算, 提高了求解非线性动态平衡方程的效率。数值算例结果显示了该分析模型的有效性和可靠性。