湿热环境对复合材料加筋板压缩性能的影响

使纤维增强树脂基复合材料加筋板在70℃、水浴条件下达到吸湿平衡,然后对普通加筋板和吸湿平衡后加筋板进行压缩试验,研究了湿热环境对复合材料屈曲形式、屈曲载荷、破坏载荷和承载能力的影响。结果表明:两种加筋板的破坏形式均主要表现为筋条的脱胶、断裂和蒙皮的撕裂,吸湿后的加筋板仍存在后屈曲过程,但其屈曲载荷下降了8.4%,破坏载荷下降了19.2%。     

湿热环境下复合材料加筋壁板压缩屈曲与后屈曲行为的有限元模拟

制备了CCF300碳纤维/BA9916-II环氧树脂复合材料加筋壁板，研究了该加筋壁板在干态和湿热状态下的压缩行为；建立加筋壁板有限元模型，使用经验公式对湿热环境下的材料参数进行修正，通过模拟分析了不同状态加筋壁板的压缩屈曲与后屈曲行为，并进行了试验验证。结果表明：加筋壁板在干态与吸湿状态下均有较强的后屈曲承载能力；湿热环境会对加筋壁板稳定性与承载能力造成较大负面影响，随吸湿时间延长，其屈曲及破坏载荷均呈先快后慢的下降趋势；模拟得到干态加筋壁板的屈曲载荷和破坏载荷与试验结果的相对误差分别为3.1%和5.2%,吸湿饱和态下的相对误差分别为5.6%和6.9%,误差较小，证明了所采用模拟方法的准确性和所建立有限元模型的合理性。     

复合材料加筋板剪切屈曲特性研究

分别应用半经验工程算法和有限元软件MSC.Patran/Nastran对复合材料加筋板进行剪切稳定性计算,得到结构的失稳临界载荷;开展复合材料加筋板剪切稳定性试验,得到结构的屈曲形式、失稳载荷、破坏过程及破坏载荷。实验结果表明,复合材料加筋板的破坏形式主要表现为筋条的脱胶和蒙皮的破损,该型结构具有一定的后屈曲承载能力。研究表明,工程算法、有限元计算结果与试验所得局部屈曲载荷较吻合,说明工程算法和有限元模拟方法可以用来对该型结构的稳定性能进行分析,从而为该型结构的优化设计及工程应用提供分析参考。     

碳纤维增强环氧树脂复合材料加筋板的压缩屈曲特性

分别应用工程算法和有限元软件ANSYS对碳纤维增强环氧树脂复合材料加筋板的压缩稳定性进行了分析,得到了加筋板的临界失稳屈曲载荷和屈曲模态;同时对复合材料加筋板进行了压缩稳定性试验,并与计算结果进行了对比验证。结果表明:碳纤维增强环氧树脂复合材料加筋板具有后屈曲承载能力,其压缩破坏形式主要为筋条的脱胶、断裂和蒙皮的撕裂;工程算法结果、有限元计算结果与试验得到的临界屈曲载荷误差分别为13.8%和-15.5%,结果较吻合,证明了工程算法的正确性和有限元模拟方法的合理性。     

复合材料加筋板在剪切载荷下的屈曲特性研究

通过对复合材料薄壁加筋板结构进行剪切载荷下的屈曲试验研究,得到结构的屈曲模态、屈曲失稳载荷以及破坏形式,并通过有限元方法对结构的屈曲进行数值分析,分析得到的复合材料薄壁加筋板结构的屈曲模态和试验结果一致,屈曲载荷与试验结果吻合较好.试验还发现复合材料薄壁加筋板结构有较高的后屈曲承载能力,后屈曲过程中由于桁条脱胶会造成屈曲模态的变化.还分析了筋条的连续性对屈曲载荷的影响.     

筋条参数对复合材料加筋壁板剪切承载能力的影响

通过对飞机上大量使用的复合材料加筋壁板进行剪切试验,得到了不同筋条间距和腹板高度下加筋壁板的屈曲载荷和破坏载荷,分析了筋条间距和腹板高度对加筋壁板剪切承载能力的影响。结果表明:随着筋条间距增大,加筋壁板由局部屈曲变为整体屈曲,屈曲载荷和破坏载荷均逐渐减小;随着腹板高度增大,加筋壁板的屈曲载荷和破坏载荷均增大,当腹板高度达到35mm时则基本不再变化,分别保持在425kN和775kN左右。     

碳纤维/环氧树脂复合材料湿热老化后的力学性能

将碳纤维/环氧树脂复合材料在温度为71℃、相对湿度为85%的环境下吸湿至平衡后研究了它的吸湿行为,然后分别在室温和71,93,116,132℃下进行了弯曲性能、纵横剪切性能、动态力学性能试验,研究了该复合材料湿热老化后的力学性能。结果表明:碳纤维/环氧树脂复合材料的吸湿率较低,其饱和吸湿率仅为0.91%左右;湿热老化后,复合材料的弯曲强度保持率在50%以上,弯曲模量保持率在80%以上,纵横剪切强度保持率在55%以上,其玻璃化转变温度为195℃,极限耐热温度可达到132℃;该碳纤维/环氧树脂复合材料具有良好的耐湿热老化能力。     

整体加筋壁板剪切试验件改进设计与试验验证

对整体加筋板试验件的结构形式和剪切试验的提前失效进行了阐述,通过有限元模拟分析其失效原因,进而对结构设计改进。基于有限元分析,试验验证结果表明,改进后的试验件发生剪切失稳后继续承载,直至破坏,失效模式正确;改进后的试验件破坏载荷是前期试验件的2.78倍,明显提高了结构的承载能力,说明剪切试验件角区细节设计至关重要。研究成果为整体加筋壁板剪切试验提供了设计思路和试验支持。     

二维机织复合材料湿热环境下挤压和断纹剪切强度研究

实验研究不同铺层厚度的二维机织F115玻璃纤维织物增强FM-73环氧胶膜基体复合材料层压板室温和湿热环境下的螺栓连接挤压强度和断纹剪切强度.结果表明,材料挤压强度和断纹剪切强度具有尺寸效应,挤压强度随试样铺层厚度增加而增加,未吸湿室温条件和吸湿湿热条件下,材料挤压强度最大增幅分别为37.50%和35.72%;断纹剪切强度随试样铺层厚度增加而下降,未吸湿室温条件下,断纹剪切强度随试样铺层厚度增加线性下降,最大降幅为15.31%,吸湿湿热条件下,最大降幅为9.85%.材料平衡吸湿量平均为2.2%,吸湿后材料性能发生严重退化,材料达到平衡吸湿后,摄氏70℃,相对湿度85%的湿热环境下,挤压强度保有率平均为54.22%;断纹剪切强度保有率平均为53.96%.     

损伤位置对复合材料加筋壁板轴压承载能力的影响

通过落锤冲击试验分别在复合材料加筋壁板的蒙皮中央、长桁平筋边缘和长桁轴线处冲击出深约1mm的凹坑,然后对其进行轴压试验,研究了损伤位置对加筋壁板轴压承载能力的影响,并与未损伤试样进行了对比。结果表明:损伤位置对复合材料加筋壁板轴压承载能力有很大影响,损伤位于蒙皮中央、长桁平筋边缘、长桁轴线处加筋壁板的屈曲载荷分别为未损伤加筋壁板的83.1%,90.7%,96.1%,破坏载荷分别为未损伤加筋壁板的90.2%,84.8%,79.7%;蒙皮对加筋壁板的整体稳定性起主要作用,筋条对加筋壁板的最终承载能力起主要作用。     

电热处理对湿热环境作用下碳纤维环氧复合材料的损伤机制

对T300/E51复合材料进行电热处理、湿热老化以及电热吸湿处理,从弯曲性能、吸湿率、基体化学结构、玻璃化转变温度、弯曲断口等方面揭示电热处理对湿热老化的影响机制。研究结果表明:原始试样经湿热处理后发生部分水解,4 A电热+湿热处理试样的后固化比较明显,6 A电热+湿热处理试样没有发生明显的变化。后固化作用引起的界面裂纹尺寸减小导致4 A电热试样的吸湿率下降;玻璃化转变温度的变化规律与弯曲性能的变化规律类似。详细的分析表明,T300/E51复合材料经电热处理后其损伤机制与传统的吸湿损伤机制有所不同,玻璃化转变温度代替吸湿率成为衡量复合材料性能变化的重要因素。微观结构分析显示电热处理产生的温度梯度和压缩应力使得基体微裂纹增多,再经湿热处理后,溶胀广泛存在于整个基体中,进而导致弯曲性能降低。     

T700和T300碳纤维增强环氧树脂基复合材料耐湿热老化性能的对比

在温度为70℃、相对湿度为85%的湿热环境下,分别对T700碳纤维/环氧树脂基复合材料、T300碳纤维/环氧树脂基复合材料以及两种复合材料/金属胶接结构进行了70 d的加速老化试验,并对老化前后的试样进行了力学性能试验和无损检测.结果表明:湿热环境没有改变两种复合材料的破坏模式,但使复合材料的纵、横向压缩强度和剪切强度略有降低;对复合材料/金属胶接结构,湿热老化环境不会导致胶接界面产生损伤,但会使胶接强度下降;老化前两种复合材料的力学性能基本相当,老化70 d后T700碳纤维/环氧树脂基复合材料的性能保持率略优.     

湿热老化对纤维增强树脂基复合材料性能的影响及其机理

总结了纤维增强树脂基复合材料湿热条件下的吸湿行为及影响吸湿的因素;综述了湿热老化对复合材料耐热性能和力学性能的影响,分析了其作用机理。多数树脂基复合材料吸湿的初期阶段符合费克定律,吸湿会造成树脂基体的塑化、水解,产生裂纹以及纤维/树脂基体界面破坏,从而降低材料的性能。最后对纤维增强树脂基复合材料湿热老化研究提出了几点建议。     

复合材料壁板后屈曲分析失效准则的适用性研究

为了筛选用于复合材料加筋壁板后屈曲分析的失效准则,设计了具有较长后屈曲历程的L型加筋条试验件,并对其进行压损破坏试验,同时建立了考虑渐进损伤的有限元模型,计算得到了载荷-应变曲线,屈曲载荷和破坏载荷。计算结果和试验数据吻合良好,预测的失效模式也与试验结果一致,验证了建模方法的有效性。并在有限元分析中分别采用了五种不同的失效准则进行计算,得到了各失效准则对应的破坏载荷和失效模式,表明通过L型加筋条试验和分析结合,可以对各个失效准则的有效性进行验证,避免失效准则选取的随意性,从而为复合材料加筋壁板后屈曲设计分析提供指导。     

长桁中断复合材料胶接加筋板的拉伸失效分析

通过对长桁中断复合材料胶接加筋板的拉伸试验和有限元模拟,研究了复合材料加筋板的破坏特性。结果表明:长桁端头有很高的应力集中,桁条被切断导致加筋板传力路线改变;试件的破坏模式为蒙皮与长桁的筋条脱粘,脱粘起始于桁条端部,并沿着蒙皮与长桁的界面扩展;基于断裂力学失效准则的内聚力单元模拟胶接界面,可有效模拟复合材料加筋板的脱粘起始和扩展。验证了改进后的加筋板明显优于参考加筋板。讨论了几何参数对结构承载能力的影响,。     

静力拉伸载荷下复合材料单向板刚度衰减规律研究

复合材料单向板在静力拉伸载荷作用下产生损伤后刚度会衰减下降。通过分析单向板静力拉伸破坏过程,研究了纵向、横向及剪切向应力分量对材料刚度衰减的影响,建立了考虑载荷大小和铺角变化的刚度渐进退化模型。为验证模型的合理性,对一系列不同铺角的T700/YPX3001复合材料单向板进行了静力拉伸试验,并且基于所提出的模型采用数值仿真方法模拟复合材料单向板在静力拉伸载荷作用下的损伤过程,数值仿真结果与试验结果相吻合。     

搅拌摩擦焊接加筋板轴压稳定性研究

运用半经验公式对采用搅拌摩擦焊接技术的加筋板轴向压缩局部屈曲临界应力进行工程计算,并应用有限元软件ABAQUS对该型结构的稳定性进行数值计算,得到结构的失稳屈曲临界载荷;参考工程计算和有限元计算值,对加筋板进行轴向压缩试验,对其屈曲形式、失稳及破坏载荷进行试验研究,并考虑侧边支持条件对结果的影响。试验分析表明,非承载边的约束条件对试件的屈曲载荷有一定的影响,而对试件的承载能力影响较小;搅拌摩擦焊加筋板具有一定的后屈曲承载能力;有限元计算结果与试验结果较吻合,说明模拟方法可以用来对该型结构的稳定性能进行分析,从而为该型结构的优化设计及工程应用提供分析参考。     

湿热老化对T700/TDE-85复合材料层间剪切强度的影响

对T700碳纤维/TDE-85环氧树脂(T700/TDE-85)复合材料进行人工加速湿热老化试验,研究了复合材料的吸湿特性和层间剪切强度随老化时间的变化规律,分析了吸湿率与层间剪切强度的关系,并观察了复合材料的表面和断口形貌。结果表明:当老化1 369h左右时,复合材料达到饱和吸湿状态,饱和吸湿率为0.74%,水分子在复合材料中的扩散系数为5.6×10~(-5) mm~2·s~(-1);在湿热老化初期,随老化时间的延长,复合材料层间剪切强度下降幅度较大,当达到饱和吸湿状态后,层间剪切强度下降幅度变小;复合材料层间剪切强度保持率与吸湿率呈近似线性关系;随老化时间的延长,复合材料的裂纹由层内向层间发展。     

剪切载荷下复合材料加筋壁板的屈曲性能及承载能力试验研究

对3种不同蒙皮/长桁刚度配比的无损与含目视勉强可见损伤(BVID)的复合材料加筋壁板,分别进行剪切载荷下的试验研究,得到了结构的屈曲载荷、承载能力及失效模式,研究成果可为今后复合材料加筋壁板的设计提供参考。试验表明,在一定范围内,剪切试验件的承载能力随着蒙皮/长桁刚度配比的增加而增加,对于蒙皮/长桁刚度配比为3.79的试验件,冲击损伤对结构承载能力的影响较为明显,且帽顶冲击损伤对试验件的承载能力影响更大。对于蒙皮/长桁刚度配比为3.84、3.92的试验件,冲击损伤对试验件的承载能力影响不大,但是冲击损伤降低了局部刚度,造成结构件发生局部屈曲而导致破坏。     

含预制脱粘加筋壁板挖补修理前后压剪性能试验研究

加筋壁板作为飞机复合材料翼面结构中的典型受力构件,在制造、服役和维护过程中不可避免地会产生缺陷或损伤,影响结构的承载能力。本文针对含预制脱粘加筋壁板引入目视勉强可见损伤(BVID),并对缺陷及损伤采取不同的修理方案,结合真实的受载情况,进行了试验研究,对比修理与未修理试验件在压剪复合载荷作用下的应变水平,并对试验件修理后的极限承载能力进行了验证。试验表明,修理前后加筋壁板冲击损伤修理区附近以及预制脱粘修理区附近应变水平变化很小,修理未改变结构的传力路径,试验件破坏载荷为165%设计载荷(未计及环境因子)。本文针对复合材料加筋壁板损伤修理试验研究成果可为今后复合材料加筋壁板修理方案的设计提供参考。