三维四向和五向编织复合材料冲击断裂行为的多尺度模拟

为对三维编织复合材料的结构特性进行模拟预测分析,采用一种多尺度和细观结构结合的方法,建立三维编织复合材料的等效拼接组合模型,进一步揭示编织复合材料在微观结构水平下的冲击损伤演化、裂纹扩展和能量吸收。设计制备三维四向和三维五向2种编织结构的碳/环氧树脂三维编织复合材料,根据编织参数建立等效拼接组合模型;通过落锤式冲击试验仪结合高速摄影系统记录2种编织复合材料在低速冲击下的断裂行为,与等效拼接组合模型在有限元数值模拟结果相对比,验证等效拼接组合模型的有效性。模拟结果表明,相同的体积分数下轴纱表现出最高的能量吸收,由于轴纱的存在,三维五向编织复合材料的抗裂性和裂纹扩展性优于三维四向编织复合材料。     

三维多向编织复合材料T型梁抗弯应力分析

针对三维多向编织复合材料结构件承载细观结构优化设计的问题,以三维编织复合材料T型梁为对象,对其抗弯性能进行模拟分析。基于细观结构单胞模型,采用刚度体积平均法计算具有不同编织角的三维四向、五向和六向编织复合材料的弹性常数;利用有限元软件Patran/Nastran计算T型梁承受弯曲载荷的应力与应变,分析纤维束交织结构和细观结构参数对T型梁抗弯性能的影响。结果表明,纤维体积含量一定时,三维六向较三维四向、五向编织复合材料的弹性性能更接近各向同性,同时选择比较大的编织角,可提高T型梁抗弯的承载能力。此方法可为异型三维编织复合材料构件细观结构的选型与参数设计可供参考。     

三维多向编织复合材料T型梁抗弯应力分析

 针对三维多向编织复合材料结构件承载细观结构优化设计的问题,以三维编织复合材料T型梁为对象,对其抗弯性能进行模拟分析。基于细观结构单胞模型,采用刚度体积平均法计算具有不同编织角的三维四向、五向和六向编织复合材料的弹性常数;利用有限元软件Patran/Nastran计算T型梁承受弯曲载荷的应力与应变,分析纤维束交织结构和细观结构参数对T型梁抗弯性能的影响。结果表明,纤维体积含量一定时,三维六向较三维四向、五向编织复合材料的弹性性能更接近各向同性,同时选择比较大的编织角,可提高T型梁抗弯的承载能力。此方法可为异型三维编织复合材料构件细观结构的选型与参数设计可供参考。     

基于碳纳米线传感器的三维六向编织复合材料内部损伤定位

为研究三维编织复合材料的实时结构健康状态监控,针对三维六向编织复合材料编织结构,采用三维四步六向编织方法将碳纳米线传感器以轴向纱和六向纱形式嵌入复合材料中,提出了一种构建智能三维复合材料的方法,建立了基于碳纳米线的三维编织复合材料试件内部损伤监测系统。基于碳纳米线测量的电阻值矩阵,采用四分矩阵奇异值分解方法分析信号矩阵的主要特征,计算试件内部的损伤准确位置。实验采用5种不同类型损伤试件进行分析,结果表明,该方法计算的试件内部损伤位置与实际损伤一致,测量的损伤位置坐标误差小于1。该研究可为智能三维编织复合材料的健康监测发展提供理论基础。     

三维管状编织复合材料的弯曲性能研究

以1 200 tex的E型玻璃纤维为原料,采用3DB-J100-8型模块化组合三维编织平台制备三维四向、三维五向管状编织物;以E51环氧树脂、H023聚醚胺组成树脂基体,与上述编织物复合制成三维管状编织复合材料;利用Instron 3385H型万能材料试验机测试并观察材料的弯曲性能,研究编织结构、编织角等结构参数对三维管状编织复合材料弯曲性能的影响规律。结果表明:三维管状编织复合材料破坏特性均表现为明显的脆性破坏;三维五向管状编织复合材料的抗弯性能明显好于三维四向管状编织复合材料;三维管状编织复合材料的弯曲性能均随编织角的增大而增加。     

三维管状编织复合材料的制备及轴向压缩性能研究

采用1 200tex的E-Glass纤维为原料,利用3DB-J100-8型模块式三维编织平台制备三维四向、三维五向管状编织物;以E51环氧树脂、H023聚醚胺组成树脂体系,与上述编织物复合制成三维管状编织复合材料;利用Instron 3385H型万能材料试验机测试材料的轴向压缩性能,观察材料压缩特性,并研究编织结构、编织角等结构参数对材料轴向压缩性能的影响。结果表明,三维管状编织复合材料的破坏特性表现为明显的脆性破坏;同时,材料破坏形式主要表现为树脂开裂、纤维断裂、界面脱粘等。三维四向、三维五向管状编织复合材料的轴向压缩性能均随着编织角增加而增强;三维五向编织结构轴向压缩性能明显好于三维四向结构。研究结果将为该类材料的结构优化设计和性能分析奠定理论基础。     

碳/芳纶混编三维编织复合材料拉伸性能

为分析三维编织复合材料拉伸性能和失效机制,分别以碳纤维和芳纶纤维为轴纱和编织纱织造了三维五向、三维六向碳/芳纶混编复合材料。采用数字图像相关法采集试样在单轴拉伸过程中表面全场应变信息得到的泊松比。结果表明：三维编织复合材料泊松比受编织结构的影响较大,同种编织结构下,碳纤维为轴纱的复合材料基本保持了碳纤维三维编织复合材料的拉伸强度和模量,同时提高了断裂伸长率;芳纶纤维为轴纱的复合材料则显著提高了断裂伸长率,但拉伸强度和模量损失较为明显;同种混编方式下,三维五向编织复合材料的拉伸强度和拉伸模量较三维六向高,断裂伸长率无明显差异。编织纱分别为碳纤维和芳纶纤维的三维编织复合材料高应变区分别类似点阵分布和波浪线分布,三维五向和三维六向编织复合材料高应变区分别呈均匀分散分布和横向分布。     

芳纶平纹机织/非织造混杂结构复合材料低速冲击性能的有限元分析

采用有限元分析方法，研究含芳纶平纹机织物/芳纶非织造布的6种不同预制体结构在不同低速冲击能量下的低速冲击性能，探究不同混杂结构复合材料的低速冲击响应特性，揭示材料在低速冲击条件下的失效机制。有限元分析结果表明，有限元模拟结果和试验结果吻合度较高；在低速冲击能量作用下，层间交替铺层复合材料的损伤程度和变形程度最小；树脂与纱线脱黏、纤维束部分受损，以及非织造布层损伤是复合材料主要的失效模式；芳纶平纹机织物优异的抗剪切性能可阻止损伤的扩展并提高复合材料的损伤容限。     

三维全五向编织复合材料的压缩性能

以无碱玻璃纤维为原料,采用四步法1×1编织工艺在全自动模块组合式编织平台上制备三维五向及全五向编织物;以E51环氧树脂、70#固化剂(四氢邻苯二甲酸酐)为树脂基体,与编织物复合制备三维五向及全五向编织复合材料;并利用Instron万能材料试验机对比测试上述编织复合材料的压缩性能,研究轴纱、编织角、纤维体积分数等结构参数对材料压缩性能的影响。结果表明,编织复合材料的压缩性能随着编织角的增大而降低,随着轴纱、纤维体积分数的增大而提高;三维全五向编织复合材料的压缩性能明显好于三维五向编织复合材料。     

三维整体中空复合材料低速冲击性能

为深入了解三维整体中空复合材料的低速冲击性能,制作了满足要求的测试件。选取2种不同芯层高度的复合材料进行低速冲击相关实验研究。即对5 mm厚的材料进行不同级别能量的低速冲击实验;对7 mm厚的材料进行铝蒙皮前后低速冲击对比实验。借助ORIGIN软件对材料低速冲击过程中的主要参数（速度、位移、冲击载荷、吸收能量等）进行分析。 结果表明：低速冲击过程中的初始损伤能量可用来表征材料的破坏程度;铝蒙皮有利于增强材料的抗低速冲击性能。     

开孔三维编织复合材料的压缩性能

为研究机械开孔对三维编织复合材料压缩性能的影响,测试了2种三维编织复合材料试验件的压缩性能。1种为基本编织(100%编织纱)结构,另1种为含有编织纱/轴向纱(58/42)的结构,试验件编织角约为±12°。根据相关标准要求,分别进行有开孔和无开孔的复合材料试验件准静态压缩试验,并与层合板的压缩性能进行对比。研究结果表明:2种三维编织结构无缺陷材料的压缩强度较为接近,但引入开孔后,无增强纱结构可保留更高比列的压缩强度;引入开孔后,2种三维编织复合材料保留的压缩强度均高于层合板;在失效形式上,2种三维编织复合材料的宏观失效形式较为相似,均为剪切失效,表现出横向断裂且无分层现象。     

嵌入三维编织复合材料的碳纳米线应变传感特性

为实现三维编织复合材料的原位结构健康监测,研制了嵌入碳纳米线的三维五向编织复合材料预制件,建立了基于三维编织复合材料试件的碳纳米线应变传感实验系统,分析了嵌入三维编织复合材料中的碳纳米线应变传感特性。结果表明：在单调拉伸和循环加载卸载过程中,嵌入三维编织复合材料的碳纳米线传感器电阻变化与试件应变的线性相关性较高;在较大载荷循环加载卸载后,碳纳米线传感器产生的残余电阻可用于检测试件的损伤或累积损伤;引入电阻应变相关系数建立了电阻变化净差值与机械应变净差值的应变传感方程,可实现基于碳纳米线传感器的三维编织复合材料原位结构健康监测。     

四步法三维编织复合材料的动态拉伸性能

为研究四步法三维玻璃纤维/环氧编织复合材料在不同应变率下的拉伸破坏模式,对四步法三维玻璃纤维/环氧编织复合材料在准静态和高应变率载荷下的单向拉伸性能进行了测试。运用间接分离式Hopkinson拉杆(SHTB杆)测试了应变率在800~2 100 s-1范围内单轴向上的拉伸性能,同时测试了材料在准静态下的力学性能,并与高应变率下的力学性能做比较。结果表明:四步法三维玻璃纤维/环氧编织复合材料是应变率敏感材料;随着应变率的增加,其拉伸模量和最大应力都增加,而相应最大应力的应变则减小。     

芳纶三维编织复合材料的抗冲击性能研究

用三维纺织结构复合材料的纤维倾斜模型在准细观结构层次上分解三维编织复合材料 ,建立与三维编织复合材料具有相同纤维体积含量的单向板细观模型。用动态显式算法有限元程序模拟倾斜单向板弹道侵彻破坏过程 ,并得到弹体贯穿靶体后的剩余速度和靶体变形形态。计算结果与弹道测试结果的比较证明在三维编织复合材料细观结构简化方案基础上计算三维编织复合材料弹道冲击性能的有效性。并简要讨论靶板破坏方式和破坏机理     

嵌入碳纳米线的三维编织复合材料损伤监测

为实现对三维编织复合材料制件损伤情况进行实时监测,提出了通过三维五向四步法在三维编织复合材料中嵌入碳纳米线传感器的方法,由于碳纳米线传感与碳纤维具有相似性,因此碳纳米线嵌入三维编织复合材料制件的对其承载性能几乎没有影响。通过三点弯曲实验分析了碳纳米线在三维编织复合材料制件遭受外界应力时其电阻变化率与应力应变的相关性。实验结果说明显示其相关性为指数拟合关系,因此,三维编织复合材料的损伤状况可通过嵌入其中的碳纳米线传感器的电阻变化率与制件所承载的应力应变函数映射关系来进行实时监测。     

三维编织复合材料中碳纳米管纱线嵌入位置和数量的优化配置

为解决三维编织复合材料嵌入碳纳米管(CNT)纱线传感器优化配置目标多、目标函数不连续问题,实现航天结构制件内部损伤的全面监测,采用非支配邻域免疫算法对多目标优化问题进行了研究。以四步法三维六向编织工艺为依据,分析了CNT纱线传感器的最佳嵌入位置和数量;通过非支配邻近免疫算法实现了CNT纱线传感器优化配置问题的求解,推导出不同尺寸的三维编织复合材料制件嵌入传感器的最优数量和位置。对损伤制件的应力实验及数据分析证明,CNT纱线传感器优化配置结果适用于三维编织复合材料的损伤监测,损伤定位误差小于0.6 mm。该研究为复合材料损伤源定位模型的建立提供参考。