玻璃纤维泡沫夹芯板挖补修理弯曲性能试验与有限元模拟

针对玻璃纤维泡沫夹芯结构关于维修结构性能研究的缺失,本研究完成了玻纤泡沫夹芯板的维修和弯曲性能测试,并在试验基础上建立了结构有限元模型,进行了强度与刚度的试验数据验证。得到结论如下:通过试验结果,简化了有限元分析模型中的胶层设置;将泡沫芯体和玻纤面板的破坏载荷作为结构的初始与最终破坏载荷,仿真计算的破坏载荷较试验平均载荷超出18. 92%,较最大试验破坏载荷超出7. 14%;应用线性阶梯载荷步表征模型的应变趋势,在线性变形区域与试验符合较好,在受压面板,最大偏差为11. 2%,在受拉面板,最大偏差为24. 3%。表明该玻璃纤维泡沫夹芯修补结构的有限元模型分析精度较高,具有较强的工程实用性。     

复合材料泡沫夹芯结构低能量冲击损伤特性模拟仿真

通过有限元方法和渐进损伤模拟方法对复材泡沫夹芯结构受低能冲击的损伤过程和损伤特性进行仿真预测。给出了四种不同面板厚度及泡沫夹芯厚度夹芯结构在既定失效准则下的损伤演化和渐进扩展过程,给出了冲击能量与损伤类型及损伤程度的关系、冲击能量与最大载荷、损伤面积、凹坑深度等规律性结论,并对比简支和固支两种边界条件的影响。仿真结果与两种规格复材泡沫夹芯结构的试验结果进行了对比分析,对比结果表明:仿真数据与相对应的试验数据较为吻合,证实了本仿真方法对泡沫夹芯结构在低能量冲击条件下损伤过程模拟的有效性;随着冲击能力的提高,被冲击结构的所承受的最大载荷、最大冲头速度、凹坑深度相应提高,但冲头的零速度时间差异不大;在简支与固支边界条件下,被冲击结构所承受的最大载荷、零速度时间差异不大,但凹坑深度相差较大,反映出不同支持条件对被冲击结构能量吸收的影响。     

三种复合材料夹芯结构在弯曲载荷下破坏行为研究

制备了帽型、泡型、工字型三种夹芯结构复合材料,研究三种夹芯结构在弯曲载荷下的响应行为,并利用有限元的方法研究夹芯结构在弯曲载荷下Von-Mises应力分布,利用Tsai-Hill屈服准则判定有限元模型的屈服情况,观察发生屈服的区域。结果表明,帽型夹芯结构具有最大的弯曲刚度与抗弯强度。三种夹芯结构发生破坏的区域不同,帽型夹芯结构破坏主要出现在压头区域、上面板的压头边缘区域、芯子压头正下方的拐角处;泡型夹芯结构破坏出现在芯子支撑区域;工字型夹芯结构破坏出现在下面板支撑区域。     

PVC泡沫夹芯板低速冲击响应数值模拟

针对复合材料夹芯结构受到外来物体的撞击后易产生冲击损伤的特点,结合Hashin失效准则和泡沫压碎模型,在Abaqus/Explicit中建立了闭孔聚氯乙烯泡沫夹芯结构有限元模型。在验证模型正确的基础上,分析了通用接触和面面接触对载荷历程及界面分层面积的影响,并分析了面面接触下,冲击区域处(30mm×30mm)三种网格尺寸(0.5mm,1.0mm及1.5mm)对夹芯结构低速冲击响应的影响。研究结果表明,面面接触更适合模拟夹芯板的低速冲击响应。当冲击能量为4J,网格尺寸为0.5mm时,接触力载荷历程与试验得到的载荷曲线更接近,但是曲线上不能观察到载荷突降点,而1.0mm和1.5mm时载荷历程曲线上都能观察到载荷突降点,并且都出现在0.0005s附近。     

轴压作用下缠绕复合材料夹芯圆柱壳力学性能研究

为研究缠绕复合材料夹芯圆柱壳的力学特性,首先开展了缠绕复合材料夹芯圆柱壳模型的轴向压缩试验,得到载荷-位移曲线与应变分布规律;进而,依据复合材料经典层合板理论,将缠绕圆柱壳模型的内外蒙皮均匀化,等效为单向纤维增强复合材料,采用ABAQUS有限元软件对结构模型进行分析,得到不同载荷下的应变规律;最后,将有限元计算结果与试验结果进行对比,轴向刚度误差为10.69%,测点应变值最大误差为12.88%,表明该方法可用于缠绕复合材料夹芯圆柱壳计算,为复合材料夹芯圆柱壳的设计应用提供指导。     

聚苯乙烯泡沫作为风电叶片夹芯材料的可行性研究

讨论了聚苯乙烯(PS)泡沫在风电叶片中的应用,通过对比研究聚氯乙烯(PVC)泡沫和PS泡沫本体以及泡沫玻璃钢夹芯结构的力学性能,通过有限元模拟夹芯结构悬臂梁在加载后发生的位移值来判断PS泡沫作为夹芯结构的芯材对整体刚度的影响,并通过实验测量和有限元模拟泡沫夹芯结构。结果显示,PS泡沫本体力学性能较PVC低;PS泡沫作为夹芯结构的芯材可以使用在叶片的剪切腹板中,在替代PVC泡沫使用在壳体蒙皮的夹芯层中,若要保证蒙皮的刚度不变则需要增加PS泡沫的厚度。     

复合材料蜂窝夹芯结构紧固件连接拉脱失效行为研究

结合数值仿真计算和试验研究,得到了复合材料蜂窝夹芯结构紧固件连接在拉脱载荷作用下的破坏形式及承载能力,揭示了相应的失效机理。介绍了复合材料夹层结构的刚度理论,并建立了有限元模型,数值预测了结构的失效模式与极限载荷,通过与试验结果的对比,证明了本文数值模拟方法的有效性。试验与数值计算结果均表明复合材料蜂窝夹芯结构的失效区域主要集中于连接区域,故为提高结构承载能力,尝试将连接区域的蜂窝挖空后进行灌封,并对此局部灌封形式的复合材料蜂窝夹芯结构进行数值计算,结果表明,采用对复合材料蜂窝夹芯结构连接区域蜂窝灌封的方式,其性能要优于挖空蜂窝灌封的结构,承载能力有显著提高。     

脱粘对平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧压性能的影响

为研究脱粘对平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧压性能的影响,采用ABAQUS/Explicit有限元分析平台,结合VUMAT子程序,建立基于渐进损伤失效理论的有限元分析模型。开展无损伤和三种不同直径脱粘的平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧压性能试验,并将结果与有限元分析结果进行对照。研究表明:试验与有限元仿真得到的失效载荷和破坏模式吻合很好,验证了所建立有限元模型的正确性;无损伤和含不同直径脱粘的平纹编织面板蜂窝夹芯结构在侧压作用下的破坏模式均为面板屈曲、压缩断裂以及蜂窝芯子的压缩破坏;脱粘对平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧压承载能力的影响较小,面板是侧向压缩的主要受力部分;随着脱粘直径增大,载荷位移曲线波动更剧烈且波动频次更高;胶层损伤主要发生在临近脱粘的较小区域,对结构整体性能影响很小;面板的损伤从自由边沿垂直于承载力的方向扩展,直至断裂。     

横隔板增强型泡沫夹芯复合材料梁抗剪性能试验研究

复合材料泡沫夹芯结构易发生芯材剪切破坏,需对泡沫芯材进行增强。本文对比分析了不同增强泡沫夹芯结构的增强原理、芯材对界面性能和抗剪能力的贡献以及各自的局限;采用真空导入工艺制作了横隔板增强泡沫夹芯梁,并对其进行了剪跨比为3的三点弯试验,研究了横隔板及其间距对泡沫夹芯结构抗剪性能的影响。试验结果表明,横隔板的存在能有效提高构件的延性,且横隔板间距越小,延性越好,改善了泡沫夹芯结构脆性破坏的特性;但横隔板增强对夹芯梁强度和刚度的影响不大,该结果与垂直缝纫增强泡沫夹芯结构的试验结果类似。横隔板增强泡沫夹芯结构具有良好的设计性,其制作过程比较简单,可改变横隔板角度或采用双向隔板增强,从而在保持延性的优势下,提高其强度和刚度。     

不同纤维面层对泡沫夹层复合材料低速冲击性能的影响

采用玻璃纤维、碳纤维、混杂碳/Kevlar和Kevlar纤维织物为面层,自制闭孔硬质聚氨酯泡沫芯材,通过RTM工艺制备了泡沫夹芯复合材料,分析了25J能量下的冲击损伤程度。提出了以泡沫夹芯结构的平均损伤角度、穿透深度和最大开裂宽度作为表征试样损伤程度的参数。结果表明:25J冲击能量下,Kevlar纤维面层泡沫夹芯试样,冲击载荷—时间历程曲线峰值最高,完成一次冲击试验历程最短,冲击后试样损伤程度最低;玻璃纤维面层泡沫夹芯试样,低速冲击载荷—时间历程曲线峰值最低,冲击后试样损伤程度最高。     

缝合增强泡沫夹芯结构复合材料力学性能研究

采用机械缝合设备连续制备了"X"型构型缝合增强泡沫夹芯结构预成型体,并采用真空导入模塑工艺(VIMP)整体成型了缝合增强泡沫夹芯结构复合材料。实验研究了面板纤维布层数、面板纤维布穿透缝合层数、缝合角度、缝合针距及纱线股数对缝合增强泡沫夹芯结构复合材料弯曲性能和平压性能的影响规律。实验结果表明:与未缝合结构相比,缝合结构在质量未明显增加的情况下,弯曲性能和压缩性能得到了显著提高,其弯曲刚度最大提高了4.66倍,破坏载荷最大提高了13.8倍;压缩强度和压缩模量最大分别提高了26.2倍和15.2倍。     

碳纤维/PMI复合材料在湿热环境下的损伤扩展分析

运用三点弯曲试验研究和数值模拟的方法对新型材料碳纤维/PMI泡沫夹芯复合材料在高温湿热的弯曲性能以及损伤扩展进行了分析。研究结果表明：复合材料在高温湿热下的弯曲破坏载荷误差为9.13‰,预测了复合材料在湿热环境下的最大破坏载荷和破坏趋势。同时发现复合材料在湿热环境下的破坏机制：夹芯结构首先发生芯层压缩失效,然后才是剪切失效,结构最后的破坏是由剪切失效引起的,损伤扩展过程与试验保持一致。     

格构腹板增强泡沫夹芯复合材料梁准静态压陷试验

采用真空导入成型工艺,制备以聚氨酯泡沫为芯材,以玻璃纤维增强复合材料为面板和格构腹板的双向格构腹板增强泡沫夹芯复合材料梁。对普通泡沫夹芯梁和格构腹板增强泡沫夹芯梁进行准静态压陷性能测试并进行对比分析。结果表明:格构腹板增强泡沫夹芯梁相对于普通泡沫夹芯梁,其抗压陷能力得到了显著提升,通过理论推导得出格构腹板增强泡沫夹芯复合材料梁准静态压陷表达式,并且与试验进行对比,结果较吻合。     

夹芯复合材料T型连接结构悬臂弯曲强度特性分析

针对夹芯复合材料T型连接结构,建立了有限元模型,模拟其在悬臂弯曲位移载荷下损伤产生、扩展及失效的过程,进行了悬臂弯曲试验验证模拟结果,进行了结构优化分析。试验结果表明:初始损伤产生时的位移为30 mm~32 mm,对应载荷为7.5 k N~7.7 k N,损伤产生后结构刚度降低,随着位移增加,承载力持续上升,失效强度较初始损伤强度提高了41%~55%;计算结果与试验结果相吻合,且表明初始损伤为复合材料压缩失效,产生于隔板下面板与增强区连接处,随着位移载荷的增加,损伤面积增大最终导致整体结构失效;优化结果表明,提高隔板下面板和芯材厚度,可降低隔板下面板的最大应力和失效因子,缩小上下面板的失效因子差,充分发挥结构性能。     

PMI泡沫夹层碳纤维复合材料的制备及力学表征

由于具有较好的力学性能和工艺稳定性,聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫夹层结构在航空领域得到了大量的应用。目前飞机上通常采用预浸料与泡沫热压罐固化制造夹层结构,这种工艺成本较高且只能保证贴模面的表面质量。本文中采用闭模液体成型工艺制备了质量稳定的泡沫夹层结构,对比了同时注胶与交替注胶的制备方法,结果表明交替注胶可以得到更好的成型质量。并对泡沫芯材的力学性能进行了测试,在此基础上建立了泡沫材料的失效模型,并通过有限元分析了其三点弯曲、侧压屈曲等力学性能,有限元模型分析结果与实际测试结果基本一致,有限元模型可揭示在这些加载条件下夹层结构的破坏机理及渐进损伤过程,研究结果可推动高性能的航空用复合材料夹层结构的低成本化制备以及结构服役的虚拟试验。     

PMI泡沫夹芯复合材料湿热老化性能研究

通过对夹芯结构复合材料湿热老化性能的研究,探究环境对夹芯结构复合材料性能的影响。实验中采用了聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)、玻璃纤维增强环氧树脂(SW110C/608)复合材料面板制备了PMI泡沫夹芯结构复合材料,研究了PMI泡沫夹芯结构复合材料的耐湿热老化特性,并讨论了湿热对PMI泡沫夹芯结构复合材料的压缩性能以及弯曲性能的影响。结果发现,PMI泡沫夹芯结构复合材料浸泡在水中时的饱和吸湿时间为30d,饱和吸水率为4.08%,通过Fick第二扩散定律发现水分子在PMI泡沫中的扩散系数为水分子在面板扩散系数的29.29倍,由于水分子的增塑作用以及浓度梯度扩散的影响,湿热处理后的PMI泡沫夹芯复合材料的平压强度下降了32.86%,侧压强度下降了16.73%,弯曲强度下降了23.94%。     

非对称夹芯结构低速冲击响应

为研究非对称夹芯结构的低速冲击响应，以环氧树脂/碳纤维复合材料层合板为面板，以Nomex蜂窝为芯材制备蜂窝夹芯板，通过落锤冲击试验研究了不同上下面板厚度比对夹芯结构抗低速冲击性能的影响。同时，基于Hashin失效准则、渐进损伤模型、内聚力模型、理想弹塑性模型，在有限元仿真软件ABAQUS中建立了碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)面板/Nomex蜂窝夹芯板精细化低速冲击仿真模型，仿真结果与试验结果吻合较好。结果表明，当上下面板总厚度不变时，增大上下面板的厚度比，有助于提高夹芯结构的抗低速冲击性能，且建立的有限元模型可以有效地预测蜂窝夹芯板的低速冲击响应和冲击损伤。通过提出的仿真模型，观察并讨论了低速冲击响应下的结构内部损伤及演化过程。     

NACA构型泡沫夹层复合材料空气风门的结构强度分析

泡沫夹层复合材料具有比强度、比刚度大,保温隔热性能优异等优点,广泛应用于航空航天等诸多领域,在飞机上则应用于一些载荷不大而厚度较小的部件或结构。研究的NACA构型泡沫夹层复合材料空气风门以其材料的特殊性,在组合工况下受力情况复杂,目前对其在多工况下进行强度分析的相关研究较少。以NACA构型的泡沫夹层碳纤维复合材料空气风门为研究对象,建立了有限元模型。通过重点对多工况下风门壳体的等效应力分布情况进行对比和分析,并对夹层结构各层的应力危险区域进行强度校核,得到了各工况下复合材料面板层和泡沫芯材层的应力敏感区域和失效情况,以及载荷对模型应力影响的规律。     

面芯增强泡沫夹芯结构复合材料工艺技术及力学性能

结构轻量化是航空航天、车辆、船舶等领域发展的永恒主题,复合材料泡沫夹芯板是轻量化结构中的重要组成部分,一般由强度高、模量大的复合材料作为上下面板,由轻质多孔泡沫作为中间芯材。但是泡沫夹芯结构面芯脱胶失效成为制约其工程应用的主要原因。本文将对面芯增强泡沫夹芯结构复合材料的设计、制备和力学性能表征方面的最新研究成果进行总结,重点介绍缝合、簇绒和Z-pin等泡沫夹芯结构面芯增强手段以及对应的设计和制备工艺,重点从力学性能试验表征和面芯增强前后的性能对比等角度评述了面芯增强后的性能改进效果。     

PMI泡沫芯材填充GFRP帽型筋梁弯曲性能研究

通过三点弯曲试验得到聚甲基丙烯(酰)亚胺(PMI)泡沫芯材填充玻纤增强塑料(GFRP)帽型筋梁的弯曲性能数据,发现该结构有较好的延性,破坏形式较为安全.采用有限元方法对试验进行了数值模拟,得到了与试验相符的模拟结果,证明了数值模拟的可行性.在此基础上研究了泡沫芯材倾角、宽度、厚度的变化对结构刚度的影响并进行了数值计算,进一步考虑工艺等因素得出用于电动汽车车身覆盖件的PMI泡沫芯材填充GFRP帽型筋梁的优化设计参数.