单向不连续CF／PEEK复合材料结构参数与力学性能关系研究

采用有限元法建立了有关的单胞模型和相关的边界条件。着重研究了复合材料的结构参数与单向不连续碳纤维增强聚醚醚酮（ＣＦ／ＰＥＥＫ）复合材料的细观弹塑性应力应变的关系,分析了纤维重叠比、纤维中的不连续性对复合材料中纤维与纤维、纤维与周围基体相互作用以及应力场变化的影响。此外利用体积平均法预测了在外载荷作用下不同结构参数的单向不连续碳纤维增强复合材料的弹塑性应力－应变关系。     

偏轴剪切载荷下单向纤维增强金属基复合材料弹粘塑性响应

提出一种可以描述单向纤维复合材料多轴弹粘塑性行为的细力学模型。详细考究了纤维取向,纤维体积含量及应变率对单向上Ｂ／Ａｌ复合材料总体剪切弹粘塑性行为的影响。     

T800碳纤维增强树脂基单向复合材料动态力学性能测试研究

使用霍普金森压杆(SHPB)装置对国产T800碳纤维增强环氧树脂基单向复合材料的动态压缩性能进行测试,根据样品内应力均匀和恒应变率加载要求,优选了整形器尺寸和样品尺寸,并对复合材料的动态压缩性能和失效方式进行了初步探索。结果表明,通过控制退火态紫铜整形器直径和撞击杆入射速度,可以获得具有不同上升沿斜率的加载波,厚度为0.5mm、直径为8mm的紫铜整形器可以获得理想的入射波;厚度为7mm、直径为12mm的圆柱型样品可实现动态压缩过程中的恒应变率加载;在动态压缩条件下,碳纤维增强环氧树脂单向复合材料具有显著的应变硬化和应变率强化效应,其断裂形式包括纤维/基体脱粘、纤维拔出断裂、复合材料整体剪切断裂、基体解理开裂和基体分层剪切断裂等5种混合断裂形式。     

CFRP纤维方向对切削过程影响规律的仿真研究

碳纤维增强复合材料是一种典型弹脆性材料,其纤维铺层方向与材料加工性能、破坏机理和切削质量有着密切的关系。针对复合材料各向异性的特点,利用Abaqus/Explicit有限元仿真软件,基于Hashin失效准则,建立碳纤维复合材料单向纤维铺层二维正交切削宏观模型。研究不同铺层方向条件下纤维和基体的破坏机理,开展复合材料平面铣削试验,并将试验加工得到的铣削表面与仿真结果进行了比较,验证了模型的合理性。     

B340LA低合金高强钢动态力学性能研究

采用液压伺服高速拉伸试验方法对低合金高强钢材料的动态力学性能进行了研究,试验应变率范围为0.003～530/s。研究了B340LA低合金高强钢的动态力学特性,得到了不同应变率下的应力-应变曲线,并对不同应变率下的材料延伸率、流变应力、抗拉强度以及显微组织变化进行了分析。试验测试结果表明,随着材料动态测试应变率的升高,B340LA材料的流变应力、屈服强度和抗拉强度均随着升高,且B340LA高强钢材料在中应变率范围内的延伸率和成型性最好。分析了B340LA钢的高速拉伸断裂后的显微组织,结果表明,低合金高强钢的微观变形机制主要为晶体间滑移和晶粒沿着拉伸方向变形,晶粒拉伸发生变形形成扁平晶,并沿着高速拉伸方向产生流动。     

机织复合材料各向异性超弹性本构模型

基于纤维增强连续介质力学理论,提出一种超弹性本构模型来描述机织复合材料织物在成形过程中由于大变形所引起的非线性各向异性力学行为。在这一模型中,应变能函数被分解成两部分:一部分代表由于经纱和纬纱各自拉伸所产生的拉伸应变能;另一部分代表由于经纱和纬纱之间角度变化而产生的剪切应变能。本构模型中所需的材料参数通过对机织复合材料织物的单向拉伸以及偏拉试验数据的分析与拟合来求得。利用对一平纹机织复合材料的单曲率半球形冲压成形试验进行有限元模拟来验证模型。模拟结果与试验结果对比表明所提出的超弹性本构模型能够很好地表征机织复合材料在大变形下的非线性各向异性力学行为。这一本构模型具有简单实用、材料参数容易确定的优点。该模型对于机织复合材料成形的数值模拟与成形工艺优化设计有着重要的意义。     

三向正交C/C复合材料弹性性能预测与分析

根据三向正交C/C复合材料的细观结构,建立典型单胞模型,运用均匀化法预测了材料的9个工程弹性常数,与试验值误差较小。采用预测的弹性常数对三向正交C/C复合材料开孔板的拉伸力学行为进行有限元模拟,得到的孔边应变与试验值吻合。讨论了该材料偏轴向弹性性能,分析了组分性能对材料弹性性能的影响。材料主方向拉伸模量主要由纤维控制,剪切模量由基体控制,当偏轴角为45°时,面内剪切模量转为纤维控制。     

碳纤维平纹机织复合材料低速冲击及冲击后压缩性能多尺度分析

构建了多尺度模型对碳纤维平纹机织复合材料低速冲击及冲击后压缩性能进行预测分析,该多尺度模型包括微观、细观和宏观模型三部分。构建“碳纤维基体”的微观代表性体积单元模型,用于预测纤维束等效力学参数。根据平纹机织复合材料内部几何构型及求得的纤维束等效力学参数,构建“纤维束基体”的细观单胞模型,并通过周期性边界条件对其施加不同的位移载荷,预测细观单胞模型的等效力学性能。基于局部均匀化方法将细观单胞模型简化为含有0°和90°单层的等效交叉层合板模型,并将其阵列扩展为宏观模型,以分析低速冲击及冲击后压缩性能。通过对比不同冲击能量下的低速冲击及冲击后压缩的试验与仿真结果,验证了模型的有效性。      

纤维增强复合材料结构的宏细观一体化分析方法

基于复合材料细观结构周期性假设 ,建立了一种数值型细观力学模型 ,通过将该细观力学模型与有限元分析相结合 ,建立了纤维增强复合材料结构的宏、细观一体化分析方法。该方法在结构分析中能够在获得宏观应力、应变场的同时获得细观应力、应变场。该方法可用于复杂细观结构特征的复合材料结构分析 ,也能用于涉及材料非线性的复合材料结构分析。     

基于玄武岩纤维的新型混杂布的制备和性能研究

介绍了由玄武岩纤维、碳纤维、芳纶纤维等编织的新型单向层内混杂纤维布的制备工艺和方法,并通过试验研究了它的极限拉伸强度、弹性模量、延性等规律,根据试验结果与应力-应变关系曲线,分析了纤维混杂比例对单向层内混杂纤维布性能的影响。结果表明,与B/A、B/C混杂纤维增强材料相比,B1A1的延性较好,抗拉强度偏低,而B2C1的抗拉强度较高,延性也较好。环氧树脂在复合材料中起到应力传递和重分配作用,有效提高了纤维混杂复合材料的整体力学性能。     

基于CFRP切削过程仿真的面下损伤形成分析

由于碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)宏观上呈现非均质、各向异性,细观上表现为纤维和树脂的特殊混合形态,导致其制件加工过程中极易产生分层、开裂等损伤,严重影响其制件的加工精度及承载性能。研究CFPR加工损伤产生机理并以此降低加工损伤是提高其加工质量的关键。基于宏观各向异性本构、Hashin失效起始准则及损伤演化,建立了可实现任意纤维角度单向板连续动态切削过程仿真分析的直角切削有限元模型,分析了任意纤维角度CFRP单向板连续切削过程面下损伤,得到了纤维角度、切削参数、刀具结构对面下损伤深度的影响规律。具体结果:纤维角度为影响面下损伤的主要因素,随纤维角度增大,切削力增大同时面下损伤深度也明显增加;面下损伤的主要原因为切削力过大导致的基体破坏及扩展;对于135°单向板面下损伤深度随刀具前角增大呈先增大后减小的趋势。     

碳纤维复合材料电磁特性研究

测试了碳纤维复合材料层合板的有关电磁参数。数据表明，随着电场方向与纤维方向夹角的增大，材料的ε′r值增大而tgδe值减小，铺层呈现极大的各向异性，然后，应用时域有限差分法（FDTD法）分析了复合材料整体电磁特性。     

碳纤维增强树脂基复合材料的热膨胀行为

采用光纤法对碳纤维增强树脂基复合材料沿纤维方向的热膨胀应变进行测试,然后分别用传统的片状模型和改进模型对复合材料沿纤维方向的热膨胀应变进行了理论计算,将计算结果与测试结果进行对比分析;之后利用改进模型和ABAQUS有限元软件分别计算得到了复合材料沿垂直于纤维方向的热应力,并利用有限元模拟了纤维排布对热应力的影响,得到了热应力的分布。结果表明:随着温度升高,复合材料的热膨胀应变基本呈线性增加,纤维分布集中区域的热应力可达到一般区域的1.5倍以上,应力集中现象产生于纤维与基体的接触处;与片状模型相比,改进模型计算得到的热应变与试验结果更吻合,误差小于10%,证明了改进模型的正确性和所建有限元模型的合理性。     

T300/Al金属基复合材料动态Monte Carlo细观数值模拟

以修正的剪滞模型和大型精细复合材料计算模型为基础,用Monte Carlo方法对精细网格单元的纤维性能进行随机赋值,同时对网格单元的基体弹塑性能和界面性能(包括摩擦力)以及残余应力进行确定性赋值,建立单向金属基复合材料的Monte Carlo损伤细观数值动力学本构模型.从细观角度对T300/Al复合丝的静、动态拉伸变形、损伤和破坏过程进行了模拟,并对纤维就位性能、纤维原位性能与复合材料性能之间的关系进行了讨论.结果表明,用纤维就位性能模拟出的应力应变曲线与试验结果一致吻合,用纤维原位性能模拟出的结果偏离了试验结果(预报强度高于试验强度),同时也揭示了复合材料的强度主要由纤维的就位强度控制.     

磨削纤维角对碳纤维复合材料磨削性能的影响

为了研究单向碳纤维复合材料在不同磨削纤维角(磨削方向与纤维取向之间的夹角)下表面的磨削特性和机理,通过一系列磨削实验,研究了磨削纤维角对磨削力、粗糙度和表面形貌的影响,并用扫描电镜(SEM)对磨削加工表面的特征进行了分析.结果表明:不同磨削纤维角下的磨削力遵循45°>90°>0°的顺序;表面粗糙度恰好与此相反,磨削纤维...     

TC17钛合金在高温与高应变率下的动态压缩力学行为研究

采用微型分离式霍普金森压杆实验系统对TC17钛合金在高温、高应变率条件下的动态力学行为进行研究,测试材料的应力应变行为,分析实验温度、应变率和应变对其动态力学性能的影响规律。实验结果表明：当应变率为3000s-1时,TC17钛合金表现出明显的应变硬化效应,但在高温、高应变率条件下其应变硬化效应明显减弱;TC17钛合金具有应变率强化效应,但在温度升高过程中其应变率敏感性随着实验温度的升高而先减小后增大;实验温度对TC17钛合金的动态压缩力学行为的影响非常明显,温度敏感性因子随温度的升高大幅度增大。     

三维四向编织复合材料弹性性能细观分析

从四步法 1× 1编织复合材料细观结构的代表性单胞模型入手 ,将预成形件划分为三个不同的区域 ,识别预成形件的两种局部单胞 (内部单胞和表面单胞 )模型 ,将单胞中的四个不同方向的纤维束看成是空间四个不同方向的单向复合材料 ,纤维束的性能可以等价于单向复合材料的宏观性能。采用复合材料中的细观力学分析方法 ,计算单向复合材料的弹性常数。认为每一纤维束的纤维体积含量与整个单胞的纤维体积含量相等。研究了三维编织复合材料代表性单胞模型的弹性常数预测 ,探寻三维编织工艺参数与力学性能之间的关系 ,利用刚度体积平均概念 ,预测三维四向编织复合材料的弹性常数 ,理论值与试验值取得了理想的吻合。     

锂离子电池单体卷芯代表性体积单元静动态压缩特性实验研究

通过对电动汽车用磷酸铁锂电池单体内部卷芯代表性体积单元试件做在面内方向的约束压缩测试,研究了电池单体卷芯的静动态压缩特性。试验结果研究表明,试件的变形行为主要包括屈曲,塑性铰和相应剪切带的形成以及卷芯组分材料的密实化。试件的静动态压缩的力学响应具有显著的差异,主要表现为随着加载速度的增大应力增强明显,试件的变形模式发生改变。最后,利用试件结构的惯性效应和试件材料的应变率效应解释了试件在约束压缩试验中产生的这种动态效应。     

纤维增强金属基复合材料弹塑性行为分析

在分析复合材料宏、细观场量之间联系的基础上 ,基于复合材料细观结构周期性假设 ,选取适当的代表性体积元 ,采用弱化的边界连续性与周期性条件 ,通过对细观力学方程的建立与求解 ,建立了一种纤维增强金属基复合材料宏、细观统一力学模型。该模型建立起了宏、细观场量的联系 ,获得了宏观应力 -应变关系。试验及理论计算表明 ,该模型能够较好地预测复合材料宏观弹塑性性能。利用该模型分析了复合材料宏观弹塑性应力 -应变响应以及细观几何结构特征对宏观弹塑性性能的影响。此外 ,将该模型与常规的结构分析方法 (如有限元法 )相结合 ,能够开展对金属基复合材料结构的弹塑性行为分析。     

碳纤维增强热塑性复合材料动态力学性能及损伤模式实验研究

碳纤维增强热塑性复合材料具有优良的力学性能和成型性能,在轿车中已有应用。通过实验研究碳纤维增强热塑性复合材料的动静态拉伸力学性能,应变率从0.001/s至50/s。实验结果表明,随着应变率的增加,其弹性模量,抗拉强度均有所增加,表现出较强的应变率敏感性。采用含损伤的相关动态本构方程拟合了其应力应变曲线,为该材料的有限元分析提供了准确的本构方程,同时采用扫描电镜进行微观形貌分析,对该材料的损伤模式进行了初步探讨,为该材料的工程应用打下了基础。