纤维增强聚合物基复合材料低速冲击研究进展

综述了连续纤维增强聚合物基复合材料的低速冲击响应研究进展。讨论了测试方法及相关影响参数,例如冲头的形状、冲击速率对复合材料冲击的影响;介绍了冲击损伤的类型,进一步描述了层压板结构参数(如层合板厚度,铺层和缝纫)、复合材料组分材料性能(如纤维,树脂和纤维/树脂界面)以及预应力、环境条件等的影响;提出了纤维增强聚合物基复合材料冲击响应研究今后的发展方向。     

缝合复合材料低速冲击损伤研究

通过三维动力学有限元法,采用空间杆单元来描述缝线,结合试验系统地研究了缝合复合材料的低速冲击损伤问题。采用修正的赫兹接触定律计算冲击接触力,NewMark直接积分法求解运动方程,求解冲击过程中的应力应变;在Chang和Hou等的分层扩展准则基础上,提出一修正的分层扩展准则并考虑纤维断裂,建立了分析低速冲击损伤面积的方法;对相同铺层的缝合与未缝合复合材料层板进行了低速冲击试验。分析结果与实验结果具有良好的一致性,证明本文中提出的修正的分层扩展准则是正确的。计算及试验结果均表明,在相同冲击能量作用下,缝合使冲击损伤面积明显减小。      

碳纤维-玻璃纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击性能及其模拟

本文基于实验和数值模拟方法研究了碳纤维-玻璃纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击性能.采用商业有限元软件ABAQUS建立了层间/层内两类混杂复合材料低速冲击模型,采用基于应变形式的Hashin失效准则模拟面内损伤;零厚度Cohesive内聚力单元预测层间分层;编写VUMAT子程序定义渐进失效过程,并结合C扫和Micro...     

复合材料层合板低速冲击损伤的有限元模拟

建立了用于预测复合材料层合板在低速冲击作用下损伤的3D有限元模型。采用应变描述的失效判据来判断铺层层内的各类损伤, 如纤维断裂、 纤维挤压、 基体开裂、 基体挤裂, 并结合相应的刚度折减方案对失效单元进行刚度折减。使用界面元模拟层间区域, 结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来定义分层损伤的起始和演化规律, 提出了一种界面元损伤起始强度沿厚度方向的分布函数。通过对数值仿真结果和实验结果的比较, 验证了模型的合理性和准确性。      

复合材料机翼格栅结构低速冲击损伤仿真研究

针对采用格栅结构的某无人机机翼,研究了机翼格栅结构在承受低速冲击下结构材料的损伤特性;在ABAQUS软件中建立了冲击损伤过程有限元模型,采用Hashin-Rotem应变失效准则和Camanho参数退化方式,对无穿透破坏前提下的单侧带蒙皮格栅结构进行了冲击仿真实验.研究了针对不同格栅结构构型、不同冲击位置、不同冲击能量等情况下的损伤特性.结果表明:对结构不同位置进行冲击时,结构损伤类型、面积、扩展特性等都有极大的不同,而且复合材料结构不同铺层的损伤特性也有很大差异;验证了格栅结构对损伤扩散具有良好的限制能力,表明格栅结构具有很好的抗损伤能力.     

复合材料机翼格栅结构低速冲击损伤仿真研究

针对采用格栅结构的某无人机机翼, 研究了机翼格栅结构在承受低速冲击下结构材料的损伤特性; 在ABAQUS软件中建立了冲击损伤过程有限元模型, 采用Hashin-Rotem应变失效准则和Camanho参数退化方式, 对无穿透破坏前提下的单侧带蒙皮格栅结构进行了冲击仿真实验。研究了针对不同格栅结构构型、 不同冲击位置、 不同冲击能量等情况下的损伤特性。结果表明: 对结构不同位置进行冲击时, 结构损伤类型、 面积、 扩展特性等都有极大的不同, 而且复合材料结构不同铺层的损伤特性也有很大差异; 验证了格栅结构对损伤扩散具有良好的限制能力, 表明格栅结构具有很好的抗损伤能力。     

碳纤维增强环氧树脂基复合材料轴管的低速冲击失效机制及剩余压缩性能

采用落锤冲击试验模拟低速冲击过程,对碳纤维增强环氧树脂基复合材料传动轴的轴管在不同能级冲击下的损伤行为以及冲击后的剩余压缩性能进行了研究;通过ABQUAS有限元分析软件和X射线断层扫描技术(CT）相结合的方法观察了复合材料轴管在受到低速冲击时的损伤形式,研究其内部损伤规律。结果表明,复合材料轴管的抗冲击形变能力随着冲击能量的增加先增强后减弱,在冲击能量为10 ~20 J之间出现最大值。CT无损检测结果显示复合材料轴管的失效形式包括分层损伤、树脂开裂和纤维破裂(断裂)。在低能量冲击时,复合材料轴管主要产生分层损伤和树脂的开裂,而纤维断裂损伤只出现在冲击位置,且随着冲击能量的增加纤维断裂现象愈加显著。有限元仿真结果显示复合材料轴管中的碳纤维在拉伸方向的失效明显小于压缩失效,压缩失效沿纤维排布方向扩散,拉伸失效沿轴向和横向呈十字扩散,轴向失效的程度大于横向失效的程度;而树脂的压缩失效沿轴向从冲击位置向横向扩散,扩散形状近似圆形,越靠近圆心失效越明显,拉伸失效范围呈十字,整体失效沿十字边缘扩散。      

复合材料低速冲击损伤研究及等效模型的应用

复合材料低速冲击损伤的特殊性及危害性使得对航空复合材料冲击损伤的评估尤为重要。该文通过建立数值计算模型并结合实验数据解决了4个方面的应用问题:1)在ABAQUS子程序VUMAT中引入损伤模式及损伤演化,结合层间连接单元对层合板低速冲击损伤进行了模拟;2)损伤容限设计方法要求对含缺陷结构的极限强度做出正确的评估,通过ABAQUS子程序USDFLD引入损伤模式及材料折减方案,得到了含圆孔的层合板极限拉压强度;3)通过ABAQUS子程序UMAT引入损伤模式及刚度折减方案,结合层间连接单元,模拟了含预制分层的层合板压缩失效问题;4)针对共用铺层结构的工程有限元计算问题,提出了力学等效模型,将该模型应用到结构级的静力实验模拟并拓展至结构冲击模拟。     

内埋传感光纤用于复合材料冲击损伤探测的研究

本文提出了一种采用埋入式光纤传感器对复合材料结构状态进行无损检测的新方法,将一种新颖的、结构简单的“城墙”型光纤传感阵列埋置于教－１１飞机的层合复合材料垂直翼式件内,用于探测复合材料结构内由于外部冲击造成的损伤等状态参数,实验结果显示了该方法探测复合材料结构的可行性。     

2D C/SiC复合材料低速冲击损伤研究

通过2D C/SiC复合材料的低速冲击试验和冲击后压缩试验,以及超声C扫描和红外热波两种无损检测方法,研究了冲击能量与冲击损伤的关系及其对压缩性能的影响.结果表明:C/SiC具有较好的损伤容限能力,冲击能量低于1.5J时几乎无目视损伤,高于9J时有被击穿的趋势.冲击后的名义压缩强度和压缩模量随着冲击能量的增加呈下降趋势,最多分别下降了44.7%和16.9%.     

Dynamics of impact of sphere on flat surfaces of polymer matrix composites

The primary objective of this work was to evaluate the influence of various reinforcements and matrix materials on the dynamic hardness of polymer matrix materials (PMC). Therefore, the impact of a WC ball, using a gravity drop system, was studied on PMCs. The two parameters, coefficient of restitution and dynamic hardness, of PMCs were determined. The mechanical properties of the PMCs were evaluated, and the correlation of the two parameters with the mechanical properties of PMCs was attempted.     

复合材料加筋板低速冲击损伤的数值模拟

建立了复合材料加筋板在横向低速冲击载荷作用下的渐进损伤有限元模型.该模型考虑了复合材料加筋板受低速冲击时的纤维断裂、基体开裂及分层脱粘等五种典型的损伤形式,在层内采用应变描述的失效判据,结合相应的材料性能退化方案,通过编写VUMAT用户自定义子程序以实现相应损伤类型的判断和演化.在层间以及筋条与层板间加入界面元,模拟层间区域的情况,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来判断分层损伤的起始和演化规律.通过对数值模拟结果与实验数据的比较,验证了模型的合理性和有效性.同时探讨了不同位置、不同冲击能量以及含初始损伤(脱粘)等因素对复合材料加筋板低速冲击性能的影响.     

复合材料加筋板低速冲击损伤的数值模拟

建立了复合材料加筋板在横向低速冲击载荷作用下的渐进损伤有限元模型。该模型考虑了复合材料加筋板受低速冲击时的纤维断裂、基体开裂及分层脱粘等五种典型的损伤形式, 在层内采用应变描述的失效判据, 结合相应的材料性能退化方案, 通过编写VUMAT用户自定义子程序以实现相应损伤类型的判断和演化。在层间以及筋条与层板间加入界面元, 模拟层间区域的情况, 结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来判断分层损伤的起始和演化规律。通过对数值模拟结果与实验数据的比较, 验证了模型的合理性和有效性。同时探讨了不同位置、不同冲击能量以及含初始损伤(脱粘)等因素对复合材料加筋板低速冲击性能的影响。     

平面编织复合材料层合板低速冲击后的拉伸性能

对两种不同铺层形式的平面编织复合材料层合板低速冲击后拉伸性能进行了实验研究,在此基础上建立了有限元损伤扩展仿真模拟。在所建立的有限元模型中,将低速冲击损伤等效为形状规则的软化夹杂,并针对两种铺层形式采用不同的损伤判据和模量衰减准则。研究结果表明:该有限元模拟结果与实验结果符合,说明该模型能够准确地预测低速冲击后平面编织复合材料层合板的损伤扩展规律和剩余拉伸强度;不同铺层形式的平面编织复合材料层合板在低速冲击后拉伸的损伤扩展规律不同;它们的冲击后拉伸强度降均>50%,在复合材料结构设计中应该受到重视。      

Modeling and damage repair of woven thermoplastic composites subjected to low velocity impact

The low velocity impact behavior of three layer thermoplastic laminates consisting of woven glass fiber and polypropylene has been investigated for two different fiber volume configurations. Panels with configurations of 50/50 and 20/80 in the warp and fill directions were subjected to low velocity impact energies between 4 and 16 J using an instrumented dropping weight impact tower. Load vs. displacement plots showed the excellent energy absorbing capabilities exhibited by the woven composites. Both configurations dissipated approximately 75% of the 16 J incident impact energy. An energy-balance model was used to successfully predict the impact response of the woven thermoplastic composites. The impact damaged plates were tested under four point bend (4 PB) loading conditions. Results showed a reduction in flexural strength and modulus as the impact energy increased. A simple compression molding damage repair process was applied to the 16 J impacted composite plates. 4 PB testing of the repaired samples revealed a significant recovery in the flexural strength and modulus of the thermoplastic woven composite with both fiber configurations.     

嵌入式共固化复合材料阻尼结构低速冲击性能数值模拟

嵌入式共固化复合材料阻尼结构是一种新型阻尼处理结构,在航空、航天、高速列车等高科技领域有广阔的应用前景。采用LS-DYNA显式动力学软件建立了该结构的有限元分析模型,对这种新型阻尼结构的低速冲击性能进行数值模拟,并将数值模拟结果与实验数据进行比较以说明模拟方法的有效性。结果表明这种新型复合材料阻尼结构的抗冲击性能大大优于相同材质的复合材料结构。     

纤维增强热固性聚合物基复合材料层间增韧研究进展

综述了纤维增强热固性聚合物基复合材料（PMC）层间增韧的最新研究进展。热固性复合材料由于基体树脂高的交联密度而呈脆性,表现出低的冲击损伤阻抗和损伤容限特征。柔性聚合物层间增韧是改善聚合物基复合材料层间断裂韧性和抗冲击性的有效手段,且不会降低热固性树脂的热性能和高模量。目前有3种层间增韧方法：颗粒增韧、聚合物纤维增韧和薄膜增韧。讨论了3种方法的概念、实施方案、增韧机理及研究成果。最后重点阐述了创新性的复合材料“离位”增韧思想,介绍了具有全部自主知识产权的“离位”复合材料高性能化技术体系,包括预浸料和液态成型两大复合材料产品系列。     

纤维增强聚合物基复合材料的低温性能

对纤维增强聚合物基复合材料在低温领域的实际应用进行了分类介绍,通过对纤维增强聚合物基复合材料的低温性能、性能影响因素和作用机理、低温应用安全性等方面的研究工作进行总结,突出各类纤维增强聚合物基复合材料低温下的性能优势,阐明了材料性能的不足之处及相应改进措施.对于实际低温应用中纤维增强聚合物基复合材料的选择、性能设计优化,系统安全性的增强提供了参考作用.