平纹机织碳纤维复合材料多尺度随机力学性能层次敏感性

平纹机织碳纤维复合材料各尺度的材料属性和空间结构不确定性对材料随机力学性能影响程度不一.为了在多个尺度上确定影响材料随机力学性能的关键参数,基于方差分析逐层级地研究平纹机织碳纤维复合材料各尺度中材料、结构参数关于随机力学性能的敏感性.通过指标集成策略将各尺度敏感性指标组合得到系统级敏感性指标,并对各参数的影响程度进行排序、评估,从根源上识别出关键参数.该方法能够确定考虑不确定性的材料-结构一体化设计过程中的关键设计变量,有助于降低变量维度从而提高设计质量和效率.     

碳纤维复合材料低速冲击特性及损伤分析研究

针对碳纤维复合材料汽车保险杠的低速耐冲击性能问题,利用真空辅助树脂扩散成型工艺制备了不同铺层比例与铺层顺序的碳纤维复合材料试样,对其进行了简支梁低速冲击性能试验,根据低速冲击响应特性曲线及损伤模式探究了复合材料能量吸收机理;同时基于ABAQUS/Explicit对典型铺层试样建立了简支梁冲击仿真模型,利用Hashin失效准则进行失效判断,研究了低速冲击响应应力变化及损伤过程并将模拟结果与实验值进行了比较。研究结果表明:碳纤维复合材料简支梁低速冲击主要损伤模式为纤维断裂,通过增加(0,90)铺层能够提高接触力载荷与冲击韧性强度,通过在试样冲击表面铺设(±45)铺层能够缓解结构剧烈破坏。峰值载荷误差为5.1%,峰值位移误差为3.2%,证明了模型的有效性,为碳纤维复合材料保险杠提供了设计基础。     

平纹机织复合材料静力学性能分析

研究了E-glass/epoxy机织复合材料的失效破坏过程及预测该材料的失效强度。模型基于复合材料微观力学对机织复合材料进行均化处理从而获得材料的宏观特性。该模型考虑了材料失效,并在失效发生时对材料进行退化处理。该过程由用户材料子程序实现。利用这一模型可很好地研究材料失效过程,预测材料的失效强度,得到与实验结果相符的应力应变曲线。     

电动车轻量化复合材料车身骨架多尺度分析

复合材料由于其微观结构的非均匀性以及复杂的力学特性,使得其零部件设计难度大大增加。采用多尺度分析的方法,根据T300/Epoxy斜纹机织复合材料细观几何参数,建立其单胞几何模型,引入周期性边界条件对单胞结构进行有限元分析,进而预测复合材料层合板三维弹性性能参数,并通过力学试验证明试验结果和预测结果较为接近;利用LS-Dyna中的MAT_54建立复合材料渐进失效模型,通过三点弯曲试验结果调整模型参数,最终得到的复合材料渐进失效模型仿真结果与试验结果一致;将调整好的复合材料渐进失效模型应用到电动车复合材料车身骨架轻量化设计中,对复合材料骨架进行顶压仿真以及柱碰仿真分析。分析结果表明,复合材料车身骨架设计符合法规要求,与铝合金骨架相比,在重量减轻59%的同时表现出更好的耐撞性能。     

搭接长度对平纹机织复合材料胶接结构连接性能影响的多尺度分析

针对平纹机织复合材料层合板,首先基于均匀化方法确定细观模型的性能参数,其次采用Hashin准则分析细观模型损伤过程,最后引入连续损伤力学模型和内聚力模型建立层合板胶接结构宏观模型。研究结果表明,平纹机织复合材料层合板的数值曲线与试验结果吻合较好,验证多尺度模型的有效性;搭接长度在5～15 mm时,随着搭接长度的增大,单搭和双搭胶接结构的极限失效载荷逐渐增大,并趋于稳定,而搭接剪切强度逐渐减小;单搭和双搭胶接结构的失效形式随着搭接长度的增大逐渐由胶层剪切失效过渡到层间分层失效;相同搭接长度下,与单搭胶接结构相比,双搭结构的极限失效载荷较大。基于均匀化方法、Hashin失效准则、内聚力模型和连续损伤力学模型,提出一种平纹机织复合材料多尺度模型,对结构性能设计和使用寿命具有重要意义。     

展宽机织复合材料破片高速冲击仿真模拟研究

本文基于数值仿真方法研究了展宽平纹机织复合材料平板在金属破片高速冲击载荷作用下的失效行为。在显示动力学求解软件LS-DYNA^?中建立了平纹机织复合材料的宏观精细化有限元模型,通过多尺度分析计算得到单层机织复合材料的等效力学性能,采用经典的Chang-Chang失效准则评估复合材料靶板的冲击损伤和失效行为。通过平板高速冲击试验确定了材料在特定冲击条件下的临界穿透速度范围和典型破坏模式,并与数值仿真结果对比,验证了数值模型的准确性。在此基础上,采用所构建的冲击仿真模型研究了平纹机织复合材料在不同冲击速度(0.1～0.8 km/s)载荷下的侵彻失效特性。研究结果表明:展宽机织复合材料平板在承受高速冲击载荷过程中,中间层受压缩损伤区域较小,靠近边界层损伤区域较大;随着冲击速度的增加,机织复合材料平板受压缩损伤区域减小;在冲击速度为0.2～0.8 km/s下,平板吸收能量与破片冲击速度呈近线性关系。     

Z向增强复合材料层压板冲击后压缩性能试验研究

通过对三种Z向增强(包括改进锁式缝合、Tufting缝合和Z-pin增强)复合材料层压板的冲击及冲击后压缩试验研究,得到Z向增强复合材料层压板的冲击后压缩强度,分析破坏模式和破坏机制,并与未增强层压板试验结果进行对比。研究结果表明,由于Z向增强有效抑制了分层损伤,使三种Z向增强试件的破坏模式与破坏机制明显不同于未增强试件,大幅度提高了抗冲击性能,与未增强层压板相比,三种Z向增强层压板的冲击损伤面积大幅减小,冲击后压缩强度大幅提高。分析缝合工艺对两种缝合试件抗冲击性能的影响,结果表明,与改进锁式缝合相比,Tufting缝合试件的冲击损伤面积减小了12.42%,而冲击后压缩强度则增加了13.43%,说明Tufting缝合试件的抗冲击性能优于改进锁式缝合。     

编织型复合材料低速冲击损伤及剩余压缩强度研究

通过应用三维逐渐累积损伤理论和分析技术,建立了适用于编织型复合材料板的低速冲击(LVI)及冲击后压缩破坏(CVI)过程的一种全程分析方法.该方法对复合材料板的冲击以及冲击后含损伤板在压缩载荷下损伤扩展的全过程进行分析,分析中把冲击后复合材料板的预测损伤直接用于剩余压缩强度研究,从而提高了最终失效载荷的预测精度,而且避免了为获得冲击后损伤状态参数所进行的大量试验,同时开发了与由MSC.NASTRAN求解器调用执行的模拟程序.     

层合复合材料板的低速冲击损伤及剩余压缩强度研究

针对复合材料层合板的冲击及冲击后的压缩破坏过程提出了一种全程分析方法。该方法应用三维逐渐累积损伤理论和分析技术,对层合板的冲击以及冲击后含损伤的层合板在压缩载荷下损伤扩展的全过程进行分析,分析中没有对冲击后层合板的损伤状态做人为假设,而是把冲击后层合板的预测损伤直接用于剩余压缩强度研究,从而不仅提高了最终失效载荷的预测精度,而且避免了为获得冲击后损伤状态参数所进行的大量试验,同时开发了模拟程序,该程序可以预测任意铺层角度、铺层厚度的层合板受外物冲击以及冲击后的损伤状态及在压缩载荷下的逐渐损伤破坏过程和最终失效载荷。通过与已有文献结果进行比较,验证了方法及程序的正确性。     

复合材料蜂窝夹层板低速冲击损伤模拟及实验研究

复合材料蜂窝夹层板因其良好的力学特性及质量轻等优点在工程中得到了广泛应用,但其抗冲击能力较差。本文研究了复合材料蜂窝夹层板受低速冲击后的变形和损伤情况,采用光滑粒子动力学结合有限元数值模拟方法分析了复合材料蜂窝夹层板受不同能量冲击后的响应,并通过试验和模拟计算结果对比分析,给出了不同冲击能量下复合材料蜂窝夹层板的位移和损伤。研究结果表明:给出的复合材料蜂窝夹层板冲击数值模型能够合理的模拟低速冲击行为,能为工程中复合材料蜂窝夹层板结构受冲击损伤的测定提供参考依据。     

平纹编织碳纤维/Kevlar纤维增强混杂复合材料微-宏观切削去除机理研究

由于碳纤维和Kevlar纤维力学性能相差迥异,在C-K纤维混杂增强复合材料(Carbon-Kevlar fiber hybrid composite,CKFH)加工中易产生加工缺陷,比单种纤维复合材料的加工缺陷更难控制。由此,从微观和宏观角度,构建CKFH三维有限元切削模型,分析CKFH的切削去除机理及平纹编织结构对切削过程的影响机制。结果表明,在不同纤维取向下,Kevlar纤维均易产生抽丝拉毛现象,尤其当纤维取向θ=0°/180°时最为明显;纤维取向θ=0°/180°时,切屑多为卷曲片状切屑,纤维取向θ=45°、90°、135°时,两种纤维的断裂相互影响,切削表面、切屑形态均与切削方向存在密切关系,当纤维取向θ=45°时,多为细小片状切屑,纤维取向θ=90°时,切屑多为絮状块状切屑,纤维取向θ=135°时,切屑多为成块状切屑;从碳纤维切向Kevlar纤维时,Kevlar纤维出现松散、抽丝拉毛现象明显,从Kevlar纤维切向碳纤维时,在Kevlar纤维的韧性弯曲区碳纤维发生弯曲脆断、碎裂,易出现凹坑;平纹编织结构对切削应力的传递具有明显的阻断作用,有限元仿真结果与试验观测结果基本吻合。     

泡沫夹层复合材料的低速冲击损伤及剩余强度的数值模拟

基于渐进累积损伤理论和数据传递分析方法,对泡沫夹层复合材料的低速冲击以及冲击后的压缩破坏过程提出了一种全程数值分析方法,即对泡沫夹层复合材料的冲击以及冲击后损伤的泡沫夹层复合材料在压缩载荷下损伤扩展的全过程进行数值模拟分析。结果表明:由于该方法避免了以往学者对冲击后夹层板损伤状态所做的人为假设,把冲击后的预测损伤直接传递用于剩余强度的研究,从而提高了最终破坏载荷和剩余强度的预测精度,数值模拟结果与已有试验结果吻合较好。     

三维编织复合材料高压储气瓶的屈曲分析与优化设计

通过对三维编织复合材料圆柱壳进行屈曲和应力分析，对三维编织复合材料高压储气瓶的临界载荷、强度和应力分布等进行了数值计算，结果表明，屈曲对三维编织复合材料高压储气瓶使用性能的影响非常显著。基于圆形四步法三维编织工艺及理论分析，提出了三维编织复合材料高压储气瓶的结构优化设计数学模型。算例表明，该优化设计方法效果很好。     

Effect of Wettability Enhancement of SiC Particles on Impact Toughness and Dry Sliding Wear Behavior of Compocasted A356/20SiCp Composites

In this study, the effect of wettability improvement of SiCp on the impact and sliding wear behavior of A356/20 wt% SiCp composites produced by a compocasting technique has been investigated. The result showed an increase of incorporation and uniform distribution of SiCp in the A356 matrix by elimination of SiCp segregation. Desired bonding between SiCp and the aluminum matrix due to improved wettability resulted in enhanced properties in terms of improved impact toughness and wear resistance. This improvement was also associated with partial refinement of coarse eutectic silicon due to increased incorporation and distribution of SiCp reinforcements. The highest enhancement was obtained when 1% Mg was added into the melt in addition to pretreated SiCp. The impact toughness value increased by 10 and 26% and the wear rate decreased by 5 and 30% when the SiC was treated and when Mg was added, respectively, compared to as-received SiCp. The impact fracture surfaces showed fewer decohered and well-bonded SiC particles in A356–(SiC-treated-Mg) composite. The highest wear resistance of A356/SiCp composites was achieved by A356–(SiC-treated-Mg) composite for applied loads of 10 and 20 N compared to other fabricated composites. The worn surface revealed mild abrasion and adhesion wear mechanisms.     

复合材料飞轮结构有限元分析与旋转强度试验

飞轮储能技术是一种机械能量储存方式。储能密度是衡量飞轮储能系统优劣的重要参数,如何提升储能密度,是飞轮储能技术研究的重要内容之一。本文运用ANSYS有限元分析软件对复合材料飞轮转子进行有限元分析,得到不同转速下结构应力与应变的分布,计算得到飞轮理论极限转速为950 r/s,飞轮外缘线速度836 m/s。对飞轮进行高速旋转强度、破坏试验。在试验中,利用电涡流传感器测量轮毂侧壁形变,飞轮形变测量值和理论预计值基本一致。试验飞轮边缘最高线速度达到796 m/s,储能密度达到48 Wh/kg。     

基于LTSA和RVM的复合材料损伤预测分析

提出一种基于局部切空间排序(local tangent space alignment,简称LTSA)和相关向量机(relevance uector machine,简称RVM)相结合的复合材料结构损伤演化与预测模型。针对复合材料结构损伤特性,采用疲劳振动试验进行结构损伤预测研究。首先,采用总体平均经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,简称EEMD)方法对多传感器采集的复合材料结构健康信息进行自适应分解,得到不同传感器下的多个本征模态分量(intrinsic mode function,简称IMF),并对IMF进行希尔伯特(Hilbert)变换,得到相应的Hilbert边际谱能量作为各传感器的特征信息;然后,采用LTSA进行多特征降维融合得到特征能量,对降维融合后得到特征能量采用距离形态相似度方法定义结构健康指数;最后,将结构健康指数作为建模数据,创建RVM预测模型,并通过预测结构健康指数完成复合材料结构损伤预测研究。验证结果表明,该模型可有效地对复合材料结构损伤进行预测。