单向复合材料及纯树脂材料抗冲击性能的比较

运用有限元软件ABAQUS,在纱线与树脂基体尺度上计算单向复合材料的抗冲击过程。通过对比分析相同条件下纯树脂材料的抗冲击能力,从弹体的速度变化曲线、冲击应力在复合材料不同组分上的分布等方面说明单向复合材料的抗冲击行为与主要吸能机制。在冲击作用下,与纯树脂材料相比,单向复合材料可使冲击能量在较短的时间内得以耗散,从而表现出更好的能量吸收性能。此外,单向复合材料中的纱线部分的应力峰值明显比树脂部分的应力峰值大,说明单向复合材料所承受的冲击能量主要被纱线增强相所吸收,从而具有更好的抵抗冲击的能力。     

角联锁复合材料的拉伸破坏

为说明角联锁机织复合材料在准静态拉伸加载下的破坏行为,通过实验分析的方法,考察了材料的应力-应变曲线以及破坏形态,说明了角联锁机织复合材料在准静态拉伸载荷下的破坏模式与机制。结果表明:角联锁机织复合材料在整个拉伸过程中经历了3个阶段。此外,树脂碎裂、纱线的断裂抽拔是角联锁机织复合材料在准静态拉伸加载下的主要破坏模式,且材料断口较为整齐,断口处可发现纱线上几乎不黏附树脂,说明拉伸过程中纱线与树脂界面发生脱黏现象。     

三维角联锁机织复合材料的冲击破坏有限元模拟分析

为研究层层接结三维角联锁机织复合材料的抗高速冲击性能,以指导抗冲击材料的结构设计,通过有限元分析的方法,计算此材料在具有不同入射速度弹体冲击下的动态响应。通过对比各种冲击条件下弹体的速度与时间曲线、加速度与时间曲线、材料渐进破坏扩展及最终破坏形态等的结果发现：冲击过程中,弹体的速度变化可被划分成2个阶段;弹体的加速度波动情况可直接反映复合材料靶体吸收弹体动能的动态规律;此外,经纱发生波浪状屈曲的区域是该类材料的重要结构部位,应在设计抗冲击型三维角联锁机织复合材料时进行局部强化与结构优化。     

基于有限元的芯材增强材料抗冲击性能分析

为研究"O"形中空芯材增强复合材料的抗冲击性能,通过有限元建模分析的方法,计算芯材增强材料在具有不同入射速度弹体冲击下的结构动态响应。通过对比分析各种冲击情况下弹体的速度随时间的变化曲线、加速度随时间的变化曲线、材料结构破坏形态与模式以及纤维体积分数对材料抗冲击性能的影响发现:在具有一定初速度的弹体冲击复合材料靶体的过程中,其速度变化一般经历3个阶段;弹体加速度的波动规律可直接反映弹体承受靶体反作用力的变化情况;材料靶体的破坏程度还因弹速的不同而呈现出一定的规律,这与靶体吸收与耗散冲击能量的多少有关;此外,在一般情况下,纤维体积分数越大,材料的抗冲击性能越佳。     

球形弹体冲击下三维正交机织物结构破坏机制有限元分析

为深入研究抗冲击三维正交机织物的破坏机制,通过有限元建模分析,以三维正交机织物为靶体,在纱线尺度细观结构模型上计算其在不同初始速度球形弹体冲击下的渐进破坏过程。对不同初始速度下球形弹体的速度和加速度变化历程、各纱线系统吸能比例、材料渐进破坏过程以及最终破坏形态等进行分析。结果表明:平直排列的纱线系统在吸收与耗散球形弹体冲击能量的过程中发挥重要作用,可使能量以很快的应力波速扩展到三维正交机织物靶体的大面积区域,并提高吸能效果;球形弹体初始速度为100 m/s时,经、纬、Z纱系统可分别吸收总能量的39.6%、48.37%、12.03%,经、纬纱系统为三维正交机织物靶体抵抗冲击力过程中的主要承力部位;通过增加纱线层数、织物体积及织造密度等可提高三维正交机织物材料的抗冲击性能。     

冲击波在陶瓷增强纬编双轴向多层衬纱织物及机织物复合材料中传递的表征

为了分析冲击波在复合材料内的传递规律,通过将纬编双轴向(MBWK)多层衬纱织物、机织物与陶瓷层交替铺层与不饱和聚酯树脂进行复合制备了复合材料,利用落锤冲击试验机对复合材料进行冲击测试,研究了试样冲击破坏后陶瓷片裂纹扩展及碎裂规律,探讨了冲击应力在不同结构复合材料内部的传播规律,并分析了MBWK织物增强复合材料的冲击应力波传播机制。结果表明:复合材料在冲击过程中,出现了材料的分层损伤;冲击应力波横波表现在陶瓷材料表面,即造成陶瓷材料环形损伤;冲击应力波纵波沿材料厚度方向传播,复合材料各层对能量的吸收有差别;同时,相同工艺条件下,机织物复合材料破坏面积小、裂纹数量少,说明机织物复合材料对冲击能量吸收较多、抗冲击性能较好。     

涤纶经编间隔织物复合材料低速冲击防护性能研究

主要探讨了涤纶经编间隔织物复合材料在低速冲击条件下的能量吸收特性。通过调整复合方式、树脂含量以及冲击速度,分析受冲击试样背面的剩余冲击力和破坏特征,比较各个参数对材料冲击防护性能的影响。结果表明:随着冲击速度的增加,固含量对复合材料冲击防护性能的影响由弱变强;在较高冲击速度下,双面为树脂光滑平面的复合材料抗冲击性能较好;在较高固含量条件下,双面树脂镂空复合材料的剩余冲击力较小,能量耗散效果明显,冲击防护性能优异。     

三维机织增强复合材料弹道冲击边缘部分有限元分析

利用有限元软件ABAQUS建立基于三维机织增强复合材料的单胞模型,探讨子弹在三维机织增强复合材料中应力波的传播发生过程,对比分析子弹冲击后边缘部分的实验结果和模拟计算的结果,并对三维机织增强复合材料的最终破坏模式与常用的层合板进行了比较。结果表明：子弹在三维机织复合材料中的应力峰值随入射速度的增大而增大,并来回发生反射,弹头从三维机织增强复合材料下表面射出后其增强纱线的断裂较入射上表面粗糙,分层现象在三维机织增强复合材料内部没有发生,而实际观察的破坏孔洞与采用有限元软件模拟后的图形基本吻合。     

二维织物冲击响应模拟计算与分析

为说明织物在弹体冲击过程中的抗冲击能力,运用有限元软件ABAQUS模拟分析的方法,考察一种典型二维芳纶织物的抗冲击性能。绘制并分析弹体的速度曲线、能量变化曲线、应力在织物中的传播以及弹体冲击织物的过程,揭示这种织物抵抗冲击的性能与行为。二维织物在不足以将其击穿的弹体的冲击作用下,整个冲击过程被分为2个阶段,且冲击过程中主要发生系统动能与内能的相互转化。所作研究为防冲击织物的设计提供了一种有效的预测方法,同时也可将其扩展应用于其它结构材料的防冲击分析。     

蜂窝状三维整体机织复合材料的弯曲性能及其有限元模拟

为解决蜂窝状复合材料在黏合压制过程中整体性差的问题,经合理设计在普通织机上织造截面为三角形的蜂窝状三维机织物,并采用真空辅助树脂传递模塑成型工艺将蜂窝状三维机织物制备成复合材料。通过实验和Abaqus有限元模拟的方法,对比分析材料在不同加载速度下的载荷位移曲线、最大载荷速度曲线、最大吸能及破坏模式。结果表明,实验方法和有限元模拟得到的结果具有很好的统一性。使用模型可预测截面为三角形蜂窝状三维机织复合材料的力学性能,为高冲击损伤容限的蜂窝状三维机织复合材料优化设计提供理论参考。     

Finite element analyses of compressive behaviors of biaxial warp-knitted composite material under various strain rates with a simplified geometrical model

This paper reports the compressive behaviors of biaxial warp-knitted (BWK) composite material under compression with various strain rates. The compression stress–strain curves and the failure modes along three orthogonal directions were obtained from split Hopkinson pressure bar (SHPB) apparatus. A finite element analysis (FEA) model based on a simplified model of BWK composite was also carried out to verify the experimental results. In the simplified model, an equivalence resin (ER) combined tricot yarns with resin, and the stiffness matrix was derived from the mechanical parameters of the tricot yarns and the resin. A good agreement between experimental and FEA demonstrates that the simplified method is applicable of modeling the high strain-rate behaviors. By comparing the experimental damage morphologies with the damage development and morphologies observed from the model, it was found that the FEA model offers a better understanding to the compression damage mechanisms. The model can also be extended to design the impact performance of the BWK composite with high efficiency.     

Experimental study on the bending fatigue behaviors of 3D five directional braided T-shaped composites

The static three-point bending properties and cyclic bending fatigue performances of three-dimensional five-directional braided T-beam composite (3D5DBTC) have been investigated at room temperature. The fatigue life of 3D5DBTC under different stress levels was analyzed based on the obtained S–N curves. The load–displacement hysteresis loops curves and stiffness degradation curves were recorded to reveal the relationship between stiffness degradation and damage evolution. It is shown that there were three distinct stages corresponding respectively to matrix cracks, interface debonding, and fiber breaking in the whole fatigue loading. In addition, to understand the ultimate fracture failure mechanism of 3D5DBTC under the different fatigue loading conditions, the damage morphologies of 3D5DBTC after fatigue testing were observed by macrographs and SEM micrographs. The matrix crack and the resin–yarns interface debonding occurred on the flange while fiber breakages occurred in the web. Meanwhile, macrographs and SEM images confirm that fiber breaking is the dominant damage under the high stress level, while matrix cracking and interfacial debonding are the main failure modes at low stress level.     

三维正交机织复合材料的冲后压缩性能

为揭示纱线张力对三维机织复合材料抗冲击及冲后压缩性能的影响规律,基于多剑杆织造工艺,配置不同接结纱张力(25、50、100 cN)织造三维正交机织物,通过真空辅助树脂传递模塑成型工艺制备复合材料,并在室温下进行低速冲击及冲后压缩性能测试。结果表明：当接结纱张力为100 cN时,试样在冲击载荷下发生表层树脂大面积破裂和剥离并使纬纱失去支撑,同时,试样表层纬纱发生较大卷曲,促使压缩载荷发生屈曲失效;接结纱张力为100 cN试样的压缩性能相比接结纱张力为25 cN试样下降约50%;接结纱张力较高时易导致纬纱卷曲增大和树脂富集,并由此降低试样的弯曲刚度和冲后压缩性能。     

碳纤维增强编织复合材料圆管的扭转力学性能及其损伤机制

为研究编织层数对编织复合材料圆管的扭转力学性能和失效模式的影响,采用二维编织铺层(Over-Braiding)工艺及真空辅助树脂灌注成型工艺分别制备了2、3和4层的碳纤维/树脂编织复合材料圆管.通过搭建扭转试验-非接触全场应变测试平台,研究了3种编织层数的复合材料圆管的扭转力学响应.基于扫描电子显微镜与微计算机断层扫描...     

不同芯材高度三维夹芯复合材料抗低速冲击响应的数值模拟

为研究三维夹芯复合材料低速冲击力学响应及损伤机制,借助ANSYS有限元软件,建立不同芯材高度的三维夹芯复合材料细观结构模型进行低速冲击响应模拟,并将模拟值与实验值进行对比分析。结果表明:从宏观角度分析,三维夹芯复合材料抗低速冲击性能随着芯材高度的增加而增加,在上面板均已损坏的情况下,芯材高度为5 mm的材料芯材破坏情况更严重,模拟结果与实验结果具有较好的一致性;从细观角度分析,材料中的经纱、纬纱、接结经纱是承载的主体,树脂基体起次要作用;在5 J能量冲击作用下,材料的破坏模式主要是树脂形变、碎裂,纤维与树脂脱黏。     

The impact of adhesive resin solution on carbon fibers cloth and jute-reinforced epoxy resin matrix composites

In this study, a new fiber-reinforced composite material with jute fabric on the surface has been prepared by four layers of carbon fiber fabric (carbon fiber was unidirectional), one layer of jute fabric as strengthen body and E51 epoxy resin as matric through hand lay-up molding process. The orthogonal test was conducted based on three factors of A: (content of T31 curing agent), B: (content of polyamide203#), and C: (content of methyl silicone oil) and each factor has three different values. Instron3369 type universal material testing machine is used to evaluate the tensile and bending properties of the test specimen, and an impact testing machine (Dynatup9250HV type) was used to test the samples’ shock resistance. After orthogonal test and a serious different analysis, the optimal parameters can be created by adhesive resin solution containing 25% curing agent, 10% deforming agent, and 0.3% polyamide203#.