缝合密度对缝合/VARI成型复合材料力学性能的影响EI北大核心CSCD

采用改进锁式缝合和真空辅助树脂注射(VARI)成型工艺制备不同缝合密度的碳纤维/环氧树脂复合材料,研究缝合行距和缝合针距对复合材料力学性能的影响,得出最佳缝合密度。结果表明:随着缝合行距的增大,拉伸性能和弯曲性能均有所提升,层间剪切强度先增大后减小;随着缝合针距的增大,拉伸性能和弯曲性能均有提高的趋势;当缝合密度为5 mm×8 mm时,缝合复合材料具有最佳的综合力学性能,与未缝合复合材料相比,拉伸强度和模量分别下降了13.3%和12.7%,弯曲强度和模量分别下降了23.0%和25.2%,层间剪切强度提高了11.3%。     

全厚度缝合复合材料泡沫芯夹层结构力学性能研究与损伤容限评定

探索了全厚度缝合复合材料闭孔泡沫芯夹层结构低成本制造的工艺可行性及其潜在的结构效益。选用3 种夹层结构形式, 即相同材料和工艺制造的未缝合泡沫芯夹层和缝合泡沫芯夹层结构及密度相近的Nomex 蜂窝夹层结构, 完成了密度测定、三点弯曲、平面拉伸和压缩、夹层剪切、结构侧压和损伤阻抗/ 损伤容限等7 项实验研究。结果表明, 泡沫芯夹层结构缝合后, 显著提高了弯曲强度/ 质量比、弯曲刚度/ 质量比、面外拉伸和压缩强度、剪切强度和模量、侧压强度和模量、冲击后压缩(CAI) 强度和破坏应变。这种新型结构形式承载能力强、结构效率高、制造维护成本低, 可以在飞机轻质机体结构设计中采用。      

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%.     

三维间隔连体织物泡沫夹层结构复合材料的基本力学特性

将三维间隔连体织物泡沫夹层结构平压、剪切和三点弯曲载荷作用下的力学特性与三维间隔连体织物复合材料、传统泡沫夹层结构复合材料进行了对比分析,在此基础上,考察了芯柱高度、泡沫密度对复合材料平压、剪切、三点弯曲性能的影响。结果表明,三维间隔连体织物泡沫夹层结构复合材料承受平压载荷时,芯柱和泡沫存在协同效应;平压载荷作用下主要发生芯柱断裂破坏;随着芯柱高度增加,平压、剪切强度均减小;随着泡沫密度增加,平压强度近似呈指数增长。     

复合材料双向波纹夹层结构力学性能

为改进传统单向波纹夹层结构横向力学性能较差的缺点,设计了一种新型复合材料双向波纹夹层结构。考虑复合材料双向夹层结构制备困难,研究了整套真空辅助成型工艺(VARI)工艺制备方案,实现双向波纹夹层结构的高效制备,以满足工程应用的需要。对制备出的复合材料双向波纹夹层结构与单向波纹夹层结构分别进行面外压缩、弯曲和剪切实验,分析了双向波纹夹层结构在不同载荷下的破坏模式及其失效机制,计算了该结构在不同荷载条件下的强度和模量,并将其与单向波纹夹层结构进行对比分析。结果表明,在压缩荷载作用下,玻璃纤维/环氧树脂芯子为主要承载部分,结构的失效主要体现在芯子的屈曲、断裂和分层;在弯曲荷载的作用下,由于纤维的抗压强度远小于抗拉强度,所以压头下方的上面板最先达到破坏荷载,结构的弯曲失效形式主要为上面板的断裂和脱粘;结构的剪切失效主要以泡沫与面板的脱粘和压溃为主,芯子和面板未见明显的破坏现象;与单向波纹夹层结构相比,双向波纹夹层结构力学性能显著提升。      

缝合/RTM复合材料层合板的力学性能研究

分别采用高强玻璃纱、Kevlar-29纤维和T300 3K纤维为缝合线对玻璃纤维方格布进行缝合,研究了缝合/RTM复合材料层合板的面内拉伸性能和层间剪切性能.研究结果表明,与未缝合复合材料层合板相比,缝合复合材料层合板面内拉伸性能有所降低(碳纤维缝合复合材料除外),在给定缝合密度下最大降幅为14%;缝合复合材料层合板的层间剪切性能较未缝合层合板都有不同程度的提高,在给定缝合密度下最大达到了40%,缝合可显著提高复合材料层合板的层间性能.     

齿板-玻璃纤维混合夹层结构弯曲性能试验

提出了一种齿板-玻璃纤维混合面板和泡沫芯材组成的新型混合夹层结构,齿板通过齿钉与泡沫芯材相连。该结构采用真空导入成型工艺制备,通过三点弯曲试验研究该结构在不同跨度以及不同芯材密度情况下的破坏模式和弯曲性能,并与普通泡沫夹层结构进行对比分析,同时探究了齿板对该结构界面性能的影响。结果表明:在泡沫芯材密度为35kg/m~3、80kg/m~3和150kg/m~3情况下,齿板-玻璃纤维混合泡沫夹层梁弯曲承载能力与普通泡沫夹层梁相比分别提高了168%、211%和258%,其界面剪切强度依次为0.09 MPa、0.21 MPa和0.45 MPa;随着芯材密度和跨度的变化,该结构主要产生芯材剪切和芯材凹陷两种破坏形态,齿板的嵌入有效抑制界面的剪切失效。另外,利用理论公式估算了试件受弯极限承载能力,理论值与实测值吻合较好。     

夹层结构复合材料低速冲击试验与分析

设计了聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫、 交联聚氯乙烯(X-PVC)泡沫、 NOMEX蜂窝、 缝合PMI以及开槽PMI泡沫等形式的玻璃布面板夹层结构复合材料, 研究了芯材种类和厚度、 面板玻璃布层数以及缝合和开槽等因素对夹层结构低速冲击性能的影响。结果表明, PMI泡沫芯较X-PVC泡沫芯和NOMEX蜂窝芯具有更高的冲击破坏载荷和吸收能量。随着泡沫密度及面板厚度的增加, 夹层结构复合材料的冲击破坏载荷和破坏吸收能量增大。合理的缝合和开槽, 能够增加PMI泡沫夹层结构的强度、 刚度及界面性能, 提高冲击承载能力。     

浸泡腐蚀对泡沫铝-环氧树脂复合材料弯曲性能的影响

制备了两种泡沫铝孔径的泡沫铝-环氧树脂复合材料。将试件分别浸泡于蒸馏水和海水中,得出了其吸湿率与浸泡时间的关系曲线。通过三点弯曲实验研究了浸泡腐蚀对复合材料弯曲强度和弯曲刚度等力学性能的影响。研究结果表明:泡沫铝-环氧树脂复合材料的吸湿率随浸泡时间的延长而逐渐增大,且试件在海水中浸泡的吸湿率大于在蒸馏水中的吸湿率。浸泡腐蚀大幅度地降低了泡沫铝-环氧树脂复合材料的弯曲力学性能。添加偶联剂的试件的弯曲强度和弯曲刚度均比无偶联剂试件的值更大,特别是对于泡沫铝孔径为2mm的复合材料试件,添加偶联剂使得其弯曲强度和弯曲刚度分别提高了51.7%和65.4%。另外,1mm孔径泡沫铝复合材料试件的弯曲强度和弯曲刚度均比2mm孔径泡沫铝复合材料试件的值更大。     

X-cor夹层结构的力学性能试验研究

X-cor夹层结构比强度高,比刚度大,有望取代传统蜂窝夹层结构作为航空航天器的主承力结构材料。采用真空固化成型工艺,通过改变Z-pin的植入参数制备了X-cor夹层结构,研究了Z-pin植入角度、植入间距和直径对其平压、剪切和拉伸性能的影响。研究结果表明,Z-pin的植入参数对X-cor夹层结构的力学性能影响显著。随Z-pin植入角度的增加X-cor夹层结构的平压性能降低,剪切性能增强,拉伸模量减小,拉伸强度先增加后减小。随Z-pin植入间距和直径增加,X-cor夹层结构力学性能均增加。与泡沫夹层结构相比,X-cor夹层结构压缩、剪切和拉伸模量的测试值分别提高了1.26～5.15倍、2.50～13.56倍和1.90～2.71倍,压缩、剪切和拉伸测试值分别提高了1.63～9.20倍、1.28～2.03倍和1.01～2.30倍。     

整体缝合夹芯结构复合材料压缩性能

设计了一种新型整体缝合夹芯结构。采用真空导入模塑工艺(VIMP)制备整体缝合夹芯结构复合材料, 研究其在平压载荷作用下的力学性能和破坏模式, 建立其有限元模型, 研究缝合纱线用量对整体缝合夹芯结构复合材料平压力学性能的影响。结果表明:该新型整体缝合夹芯结构复合材料能够在提高缝合纱线数量的同时避免一般斜缝方式引起纤维交叉损坏的弊端。整体缝合夹芯结构复合材料的压缩强度和压缩模量随着缝合纱线数量的增加而增大, 但缝合纱线含量较高时, 比压缩强度有所下降。数值计算结果与试验结果对比分析, 验证了所建立有限元模型的合理性, 说明该模型可用于预测其压缩模量。      

缝合泡沫夹芯复合材料低速冲击的多尺度数值方法

为了发展缝合泡沫夹芯复合材料低速冲击损伤的多尺度分析方法, 建立了缝合泡沫简化力学模型, 将缝合泡沫等效为缝线树脂柱增强的正交各向异性芯材, 其材料参数由各组分性能及所占体积分数根据均一化理论计算得出; 同时, 建立冲击试验有限元模型, 通过界面元模拟面板与芯材之间的层间分层。采用GENOA渐进损伤分析模块对缝合结构冲击动态响应过程进行数值模拟, 并将计算结果与试验记录进行对比分析。结果表明: 缝合可以减小面板破坏面积, 抑制面板与泡沫分层的扩展; 但缝纫会对结构造成初始损伤, 较高的缝合密度使芯材刚度增加, 不利于泡沫结构的缓冲吸能。数值模拟结果与试验记录吻合良好, 验证了多尺度分析方法的正确性。     

薄层化碳布缝合碳/碳复合材料制备与性能

为获得高性能、低成本碳/碳复合材料,以商用级T700大丝束薄层化碳纤维展宽平纹布和航空航天级T300小丝束碳纤维缎纹布为原材料制备缝合预制体,采用化学气相沉积工艺方法制备了一系列缝合碳/碳复合材料,对材料的气相致密化特征、微观结构特征和力学性能进行了测试与分析.研究结果表明,碳布规格和缝合间距对材料气相致密化效果和力学...     

缝纫泡沫夹芯复合材料的刚度预测与试验验证

基于材料细观结构,建立了缝纫泡沫夹芯复合材料的刚度预测模型,并进行了刚度性能的相关试验验证。其中,对缝纫复合材料层合面板部分,考虑了缝纫角对单胞尺寸和富脂区大小的影响,以及缝纫前后层合面板厚度的变化对复合材料面板纤维体积含量的影响,采用改进的纤维弯曲模型计算了缝纫复合材料层合面板的刚度;对缝纫增强的泡沫夹芯部分,把缝线树脂柱看作是泡沫基体中的增强相,将其简化为特殊的单向增强复合材料,提出了用串并联组合模型来预测其刚度。试验测试了缝纫泡沫夹芯复合材料板试件的刚度。应用本文模型对缝纫层合面板和缝纫泡沫夹芯复合材料板的刚度进行预测,结果均与试验结果吻合较好。采用理论模型系统研究了缝纫参数和结构参数对缝纫泡沫夹芯复合材料刚度的影响。     

斜缝与Z-pin混合增强泡沫夹层复合材料力学性能实验研究

结合斜缝合增强和Z-pin增强2种方法, 采用混合增强方法制备泡沫夹层结构, 并对这种结构材料的平压、 平拉和剪切力学性能进行了实验研究, 考察了不同混合比例对其力学性能和破坏模式的影响。结果表明, 夹层结构中, 随着Z-pin比例的增加, 压缩强度和模量增大; 随着斜缝合比例的增加, 拉伸强度、模量以及剪切强度增大; 但不同混合增强试样的剪切模量差别不大。      

缝纫泡沫夹芯复合材料板的稳定性分析

整体屈曲是缝纫复合材料夹芯板的一种重要失效模式。考虑到缝纫夹芯复合材料板一般较厚且面板与芯层厚度相差较大, 缝纫工艺对夹芯板刚度影响较大的特点, 基于高阶剪切理论, 编制了缝纫泡沫夹芯复合材料板稳定性分析的有限元程序。利用该程序对多个算例进行了计算, 所得临界屈曲应力与文献及试验结果吻合很好。同时, 讨论了不同边界条件下缝纫泡沫夹芯复合材料板稳定性随缝纫参数(包括针距、 行距和缝纫针半径)以及结构参数(包括面板铺层角、 芯层厚度和缝纫夹芯板边长)的变化规律。      

Analysis of adhesive bonded composite lap joints with transverse stitching

The effect of transverse stitching on the stresses in the adhesive is investigated using an adhesive sandwich model with nonlinear adhesive properties and a transverse stitching model for adhesive bonded composite single-lap and double-lap joints. Numerical results indicate that, among all stitching parameters, thread pretension and stitch density have significant effect on the peel stresses in the adhesive; increase in the thread pretension and the stitch density leads to a decrease in peel stress in the adhesive, while an increase in other parameters generally results in a negligible reduction in peel stress. The effect of stitching was found to be negligible on the shear stresses in the adhesive. Thus it is concluded that stitching is effective for the joints where peel stresses are critical and ineffective for those where shear stresses are critical.     

Effect of stitch density and stitch thread thickness on compression after impact strength and response of stitched composites

In this paper, the damage failure and behaviour of stitched composites under compression after impact (CAI) loading are experimentally investigated. This study focuses on the effect of stitch density and stitch thread thickness on the CAI strength and response of laminated composites reinforced by through-thickness stitching. Experimental findings show that stitched composites have higher CAI failure load and displacement, which corresponds to higher energy absorption during CAI damage, mainly attributed to greater energy consumption by stitch fibre rupture. The coupling relationships between CAI strength, impact energy, stitch density and stitch thread thickness are also revealed. It is understood that the effectiveness of stitching has high dependency on the applied impact energy. At low impact energy range, CAI strength is found to be solely dependent on stitch density, showing no influence of stitch thread thickness. It is however observed that stitch fibre bridging is rendered ineffective in moderately stitched laminates during compressive failure, as local buckling occurs between stitch threads, resulting in unstitched and moderately stitched laminates have similar CAI strength. The CAI strength of densely stitched laminates is much higher due to effective stitch fibre bridging and numerous stitch thread breakages. At high impact energy level, CAI strength is discovered to be intimately related to both stitch density and stitch thread thickness. Since CAI failure initiates from impact-induced delamination area, stitch fibre bridging is considerable for all specimens due to the relatively large delamination area present. Stitch threads effectively bridge the delaminated area, inhibit local buckling and suppress delamination propagation, thus leading to increased CAI strength for laminates stitched with higher stitch density and larger stitch thread thickness. Fracture mechanisms and crack bridging phenomenon, elucidated by X-ray radiography are also presented and discussed. This study reveals novel understanding on the effectiveness of stitch parameters for improving impact tolerance of stitched composites.