航天结构三维编织复合材料力学性能研究

(获 2 0 0 1年全军科技进步二等奖)三维编织复合材料从根本上消除了传统层合复合材料层间强度低的弊病 ,从而成为一种新型结构材料。近 2 0年来 ,国际上对三维编织复合材料的制造与应用技术 ,如用三维编织复合材料制造耐高温、烧蚀和高冲刷的导弹头锥、火箭发动机的喉衬、发动机裙和导弹弹体或火箭箭体、航天器特殊结构件、飞机机翼等的研究极为重视。本研究项目从 1 992年开始围绕航天结构进行了一系列基础及应用研究。主要研究内容为 :1 )分析了三维四向、五向编织技术及编织复合材料细观结构特点 ,比较了有代表性的理论模型 ,如CLMa的…     

三维编织复合材料力学性能研究进展

综述了近年来国内外对三维编织复合材料力学性能的研究进展,主要包括实验研究、理论研究和数值仿真研究.在理论研究方面介绍了"米"字枝状模型、纤维倾斜模型、三细胞模型、螺旋线模型以及基于细观结构几何模型的刚度和强度性能研究.在数值仿真研究方面介绍了研究人员根据三维编织复合材料的成型技术、编织程序和纤维在编织过程中的走向等建立...     

三维五向编织结构对复合材料性能的影响

研究了一种新型的三维编织复合材料－－三维五向编织复合材料的力学性能，给出了此种复合材料预制件的编织工艺，并将此种复合材料的力学性能和三维四向复合材料的力学性能做了对比。实验结果表明，此种复合材料轴向的力学性能比三维四向编织复合材料有所改善。     

三维编织复合材料力学性能分析方法评述

由于三维编织复合材料中纤维束在空间分布的复杂性,与层合复合材料力学性能分析有着本质的差别.为此本文概述了三维编织复合材料的力学特点及其一般研究步骤,详细介绍了目前几种常见的力学分析模型,分析了其存在的优缺点,依此指导力学工作者合理地选择计算模型,使之能对三维编织复合材料进行较为精确的力学性能预报,并为今后的研究提供指导。     

三维多向编织复合材料分析模型

针对四向编织复合材料，从几何上建立了材料单胞的组织结构模型，深入讨论了单胞内纤维束在空间上的分布规律，导出了编织参数间的关系，并结合假定的四向编织复合材料进行了性能预报分析，模型将成为三维多向编织复合材料的材料性能预报与材料设计的基础。     

三维编织复合材料力学性能分析方法评述

由于三维编织复合材料中纤维束在空间分布的复杂性,与层合复合材料力学性能分析有着本质的差别.为此本文概述了三维编织复合材料的力学特点及其一般研究步骤,详细介绍了目前几种常见的力学分析模型,分析了其存在的优缺点,依此指导力学工作者合理地选择计算模型,使之能对三维编织复合材料进行较为精确的力学性能预报,并为今后的研究提供指导.     

三维四向编织结构复合材料剪切模量的研究

根据反对称四点弯曲原理,自制了一套用于测试编织复合材料剪切模量的夹具,并通过实验得到了三维四向碳／环氧编织复合材料剪切模量．将实验结果与理论计算进行了对比,两者吻合较好．     

纤维组分比例对玄武岩/聚丙烯复合材料力学性能影响研究

采用非织造加工工艺,将玄武岩纤维和聚丙烯纤维通过开松混合后梳理成网,然后按照一定的尺寸制成预制件,使用模压成型工艺制备玄武岩/聚丙烯复合材料,研究不同比例的玄武岩纤维和聚丙烯纤维对复合材料力学性能的影响,并通过数学方差分析方法确定了影响因素的显著性.结果表明:当玄武岩纤维和聚丙烯纤维的比例为30/70时,复合材料的拉伸、弯曲强度和模量达到最高,最大拉伸强度、弯曲强度分别为92.998 MPa和156.134 MPa,最大拉伸和弯曲模量分别为3.400 GPa和1.288 GPa.     

复合材料负泊松比结构的冲击力学性能

设计了一种面内二维、空间三维的碳纤维复合材料负泊松比结构,并对其在不同冲击速度(单层板)、不同冲击位置(单层板)、不同冲击层数情景下的冲击性能进行了有限元分析.单层板不同冲击速度的仿真结果表明:碳纤维复合材料负泊松比结构的中低速抗冲击效果优于高速冲击情况,表现为低速时发生弯曲变形和回弹现象,高速时直接发生穿透,出现压碎...     

制作复合材料的三维编织技术

本文研究制作复合材料的三维编织技术。     

玄武岩玻璃粉体与短切纤维对复合材料力学性能影响的对比分析

分别添加0%、5%、10%、15%、20%、25%的玄武岩粉体和短切纤维,研究添加后木质复合材料关键力学性能的变化.当粉体添加质量分数为15%时,复合板的拉伸强度达到峰值24.3 MPa,比未增强的复合板高了94.3%;而玄武岩短切纤维添加质量分数为10%时,复合板拉伸强度达到峰值18.9 MPa,比未增强复合板提高50.8%.当粉体添加质量分数和玄武岩短切纤维添加质量分数均为10%时,复合板的弯曲强度达到峰值各为41.8 MPa和39.2 MPa,比未增强的复合板各提高了43.3%和34.4%.结果表明,玄武岩粉体不仅仅价格远低于玄武岩短切纤维,其增强效果也远优于该纤维.     

三维编织复合材料加筋壳体的稳定性研究

采用单胞几何模型(也称纤维几何模型)计算了编织复合材料的力学参数,并把其作为输入数据用来建立结构的有限元模型,进一步研究四向三维编织复合材料加筋壳体的稳定性问题,分析了结构编织参数对加筋壳体稳定性的影响．结果表明,合理选择结构的编织参数可以有效改善三维编织壳体的稳定性.     

圆型编织复合材料结构及弹性性能分析

基于三维圆型编织携纱器的运动规律,研究了空间纱线交织结构,获得了预成型件结构的单胞模型,推导了内部单胞和表面单胞的几何特性、编织工艺参数间的数学关系.采用刚度平均化方法,计算了三维圆型编织复合材料的弹性性能参数.研究结果表明:编织角和纤维体积分数对弹性模量都有明显影响.     

三维四向编织复合材料的单胞应力场分布

基于三维四向编织复合材料预制件的细观结构,提出了螺旋型纤维等效模型.采用多相有限元数值法获得了三维四向编织复合材料的轴向拉伸应力应变关系,通过有限元计算得到了材料单胞模型的细观应力分布.结果表明,螺旋型纤维等效模型的数值预报结果与实验数据基本吻合,证明了该单胞模型符合三维四向编织复合材料的实际细观结构,该模型能有效地计...     

三维编织复合材料声发射源定位分析研究

采用声发射检测技术,基于声发射波的传播特性和最小二乘法理论确立了三维编织复合材料性能分析和内部缺陷的定位方法.通过实验对比了工业CT扫描和声发射检测两种方式确定损伤源位置的差异,表明声发射源定位具有一定的准确性.     

含微裂纹三维多向编织复合材料热膨胀系数的细观力学分析

将三维编织复合材料的纤维束和微裂纹分别看作圆柱型和圆币型夹杂,考虑了微裂纹的任意取向和增强纤维束的空间取向,采用等效夹杂法对含微裂纹的三维多向编织复合材料的热膨胀系数进行了细观力学分析,提出了预报含微裂纹三维多向编织复合材料热膨胀系数的方法,由于直接考虑了微裂纹的任意取向和增强纤维的空间取向,这种方法既可应用于一般含微裂纹的三维编织复合材料,也可应用于单向纤维增强复合材料.结合实例分别预报了单向纤维增强复合材料和四向编织复合材料的热膨胀系数,与实验结果吻合较好.     

三维编织复合材料圆柱壳的稳定性研究

采用MSC／NASTRAN大型有限元分析软件对含有损伤的三维编织复合材料壳体进行了分析，重点对影响三维编织复合材料圆柱壳体结构稳定性的因素如编织角、损伤程度等进行了研究，给出了相应的数值计算结果。结果表明，编织角、局部损伤、整体损伤对复合材料壳体的稳定性均有重要影响。     

碳纳米线在三维编织复合材料健康监测中的应用

对三维编织复合材料健康监测技术的现状进行分析,提出采用四步法三维编织技术将碳纳米线与复合材料共同编织形成智能复合材料;对复合材料预制件进行拉伸承载实验,实验数据表明预制件的编织角和碳纳米线织入间距是影响健康监测的重要因素.实验结果说明了碳纳米线传感器作为一种新的综合和分布式技术应用于复合材料制件的健康检测的可行性.     

界面改性对复合材料力学性能的影响

为了研究不同界面改性方法对复合材料性能的影响,以玄武岩无纬布为增强体、硼酚醛树脂为基体制备复合材料,分别用盐酸和KH-560偶联剂对复合材料的界面进行改性处理,分析不同的界面改性方法对复合材料力学性能的影响.实验表明,KH-560改性有助于复合材料拉伸和弯曲性能的改善,但其复合材料的力学性能并不随着KH-560用量的增加而无限增强,经盐酸处理后的BF/BPR复合材料的力学性能没有提高反而下降.