碳纤维复合材料假脚冲击后疲劳性能影响因素分析

基于三维逐渐损伤理论和有限元法,对碳纤维复合材料假脚在冲击载荷及冲击后疲劳载荷作用下的破坏过程进行分析,研究了不同冲击能量、不同冲头材料、不同应力水平等因素对碳纤维假脚的冲击损伤及疲劳性能的影响规律。结果表明,在冲击载荷作用下,碳纤维复合材料假脚的损伤模式主要为基体开裂、纤维压缩和分层。随着冲击能量的增加,上述3种破坏模式的损伤单元数逐渐增大;尽管随着冲击能量的增加,碳纤维复合材料假脚的疲劳循环次数逐渐降低,但二者之间并不满足线性关系,即存在冲击能门槛值。对于碳纤维复合材料假脚而言,其冲击能门槛值为7J;冲头材料越硬,碳纤维复合材料结构件的冲击损伤面积越大,疲劳性能下降越剧烈;碳纤维复合材料假脚的疲劳循环次数随着加载应力的增加而显著降低。     

碳纤维复合材料假脚工艺参数对其冲击后疲劳性能的影响

基于三维逐渐损伤理论和有限元法,对碳纤维复合材料假脚的冲击及冲击后疲劳破坏过程进行分析,研究了不同的复合材料体系、几何尺寸、纤维铺设方式等工艺参数对碳纤维假脚的冲击损伤及疲劳性能的影响规律。结果表明,在冲击载荷作用下,碳纤维复合材料假脚的损伤模式主要为基体开裂、纤维压缩和分层;复合材料体系的横向和法向拉伸强度以及剪切强度等参数越小,假脚的冲击损伤面积越大,所能承受的疲劳循环次数越低;随着后龙骨厚度的增加,基体开裂损伤面积越来越大,分层损伤面积略有减小,而纤维压缩损伤几乎没有变化。尽管随着后龙骨厚度的增加,假脚的疲劳循环次数逐渐增大,但是相对于厚度的增加量,疲劳循环次数的增加量相对较小;不同铺层参数对碳纤维复合材料假脚的冲击损伤模式几乎没有影响。适度增加0°铺层的含量,可有效提高碳纤维复合材料假脚的疲劳性能。     

受冲击损伤复合材料加筋壁板的抗剪切承载能力

对两种不同铺层参数的复合材料加筋壁板结构进行了冲击损伤预制及剪切承载能力试验。讨论了冲击强度、铺层参数对加筋壁板剪切承载能力的影响。结果表明,随着冲击强度的增大,加筋壁板剪切承载能力逐渐减小,不同铺层参数的试样T2和P1在相同能量的冲击下,损伤面积虽然大致相同,试件P1比T2的破坏载荷高出19.1%。     

碳/芳纶混杂纤维增强波纹夹芯结构低速冲击性能

采用碳纤维和芳纶纤维增强复合材料对波纹夹芯结构的面板进行层间混杂铺层设计,通过真空辅助树脂灌注(VARI)成型工艺制备混杂波纹夹芯结构。在60 J、80 J和100 J三种不同冲击能量下,研究了面板混杂铺层方式对波纹夹芯结构低速冲击性能及冲击后压缩强度的影响,并利用超声C扫和工业CT断层成像两种无损检测技术对波纹夹芯结构的冲击损伤机制进行了分析。结果表明：冲击能量较低时,波纹夹芯结构的吸收能量基本不受面板的混杂铺层方式影响,而凹坑深度随表层碳纤维层数增加而减少。冲击能量较高时,面板为分层式混杂(碳/芳纶纤维单层交替铺层)的波纹夹芯结构的抗冲击性能最好,纤维断裂损伤和层间分层主要发生在试样表层,但损伤面积较大;面板为夹层式混杂(以碳纤维为蒙皮、芳纶纤维为芯材)的波纹夹芯结构具有较高的吸收能量,整个上面板的纤维都发生了断裂破坏,但损伤面积较小。碳/芳纶混杂波纹夹芯结构的面板采用分层式和夹层式的混杂铺层设计时,具有较高的冲击后压缩强度。     

复合材料层合板冲击后压-压疲劳寿命预测方法

针对冲击后复合材料层合板, 发展了含冲击初始损伤层合板的压-压疲劳寿命预测方法。该方法基于无损单向板的力学性能和疲劳特性, 对不同铺层参数、 不同几何尺寸以及不同冲击条件下层合板的疲劳寿命进行预测。为消除人为假设冲击损伤造成的误差, 对层合板在冲击载荷及冲击后疲劳载荷作用下的破坏进行全程分析, 即把冲击后层合板的实际损伤状态直接作为疲劳分析的初始状态。同时基于逐渐损伤思想, 推导了含冲击初始损伤层合板的应力分析过程, 建立了相应的三维逐渐累积损伤模型, 开发了参数化的复合材料层合结构冲击及冲击后疲劳破坏模拟程序, 为复合材料层合结构的抗冲击设计及其疲劳损伤扩展行为研究提供了较好的技术平台。      

CFRP加固紧凑拉伸钢试件的疲劳试验研究

以紧凑拉伸试件(Compact-tension specimen,CT试件)为研究对象,针对未补强及不同碳纤维增强树脂复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)粘贴补强工况的CT试件开展疲劳试验。以CFRP材料类别、单/双面粘贴与CFRP材料用量作为变量,运用沙滩纹加载制度与非接触式全场应变测量(Digital image correlation,DIC)技术记录测量疲劳裂纹扩展长度与试件CFRP表面应变场,分析CFRP粘贴延长疲劳寿命的作用,从疲劳寿命与疲劳裂纹扩展速率入手,比较疲劳试验结果用以指导CFRP粘贴加固疲劳损伤钢构件。结果表明粘贴CFRP发挥其抗拉和抗压作用可以减小乃至抑制疲劳裂纹扩展速率的增长,从而有效推迟试件疲劳破坏,在特定工况下可最多延长试件疲劳寿命至未补强状态下的3.14倍。其中,双面粘贴的加固效果明显优于单面粘贴;增加碳纤维布的铺贴层数对疲劳寿命的增长具有一定的贡献;碳纤维复材板与试件粘接边缘的脱胶导致其补强效果不及刚度相似的碳纤维布;粘接界面是补强体系破坏过程中的薄弱环节,碳纤维复材板加固试件的破坏模式主要为胶层破坏与...     

碳纤维-超高分子量聚乙烯纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击性能与失效机制

碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板在航天、汽车等领域应用广泛,使用中难免遇到低速冲击事件(生产使用过程中工具坠落等)产生安全隐患,分层破坏是其受到低速冲击后的主要损伤形式,会严重影响复合材料层合板的强度和使用寿命。为提高其抗冲击性能,通过短纤维增韧的方式探究超高分子量聚乙烯短纤维的铺层数量和铺层位置对复合材料层合板低速冲击性能的影响。研究结果表明：添加6层短纤维的复合材料层合板最大载荷由3.19 kN增加到4.86 kN,吸收能量由18.27 J增加到28.89 J,分别提高了52.3%和58.12%。冲击后剩余强度明显提高,两层短纤维铺层增韧方式的复合材料层合板冲击后剩余强度最大,为164.73 MPa,相比原样提高95%。超高分子量聚乙烯短纤维加入后复合材料层合板的冲击损伤阻抗提高,冲击后的凹痕深度下降,并且抗分层能力提升。其增韧机制是断裂面表面能增加,冲击使部分纤维被拔出,出现纤维桥联现象,拔出的纤维会降低分层前沿的应力集中,增大分层扩展的阻力,使分层破坏在扩展过程中需要消耗更多的能量,有效阻碍了裂纹的传播。     

湿热环境对HT3/5222复合材料冲击损伤影响的数值模拟

运用ABAQUS有限元软件建立了HT3/5222碳纤维环氧树脂复合材料层合板的湿热冲击有限元模型,计算了室温干燥环境下不同冲击能量的冲击损伤结果,损伤形状与文献实验结果吻合较好。采用该模型计算分析了温度和吸湿率对层合板冲击损伤的影响,结果表明:冲击损伤面积随着温度的升高而增大,且温度越高,增幅越大;温度的升高对低能冲击影响更为严重,20J的冲击能量下,120℃下的损伤面积较20℃扩大了16.3倍;吸湿率对层合板冲击损伤的影响与温度类似,但高湿较高温对冲击损伤的影响更大;温度及吸湿率对层合板初始损伤冲击能量及穿透能量影响显著,初始损伤冲击能量由20℃时的14.7J下降到120℃时的6.2J。     

无机微纳米粒子改性对碳纤维复合材料力学性能的影响

为评价无机微/纳米粒子改性对碳纤维复合材料力学性能的影响,采用真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺分别制备了[±45/0/90]_S铺层角度下纳米SiO_2、纳米Al_2O_3、微米SiO_2、微米Al_2O_3改性碳纤维环氧树脂基复合材料(CFRP)。对其横向拉伸、损伤阻抗及损伤容限性能进行测试,通过扫描电镜和水浸超声C扫描检测观察试件内部损伤状态,对比分析无机微/纳米粒子对复合材料的增韧机理。实验结果表明,相比未改性CFRP,无机微/纳米粒子改性CFRP的冲击损伤初始阈值能量显著提高,冲击损伤面积明显减小,纳米SiO_2改性碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CF/EP/NSI)试件的横向拉伸断裂模式由单一的脆性断裂转为韧性断裂,最大冲击载荷和低速冲击后压缩强度(CAI)值达到了3484 N,62.4 MPa,相比未改性CFRP分别提升了30.4%,48.2%。[±45/0/90]_S铺层角度下试件的冲击损伤形状为花生状,冲击后压缩破坏模式为穿过中间损伤区域的压缩破坏(LDM)。     

聚氨酯涂层对复合材料层合板抗反复低速冲击性能的影响

本文采用模压成型工艺制备出三种不同厚度的复合材料层合板,对其表面进行喷砂粗糙处理后喷涂相同厚度聚氨酯,制备聚氨酯喷涂复合材料层合板。使用落锤冲击试验机反复冲击复合材料裸板与喷涂过聚氨酯的复合材料层合板,直到其完全穿透,通过超声波C扫描检测对冲击后试样的分层面积进行分析。结果表明:随着冲击能量增大,聚氨酯对复合材料层合板抗反复冲击性能的影响逐渐减弱,冲击后试样的损伤面积逐渐增大;随着层合板厚度的增加,聚氨酯对复合材料层合板抗反复冲击性能的影响增强,致使试样冲击后损伤面积减小。     

基于迟滞耗散能的纤维增强陶瓷基复合材料疲劳寿命预测方法

纤维增强陶瓷基复合材料(CMCs)在疲劳载荷作用下,纤维相对基体在界面脱粘区往复滑移导致其出现疲劳迟滞现象,迟滞回线包围的面积,即迟滞耗散能,可用于监测纤维增强CMCs疲劳损伤演化过程。提出了一种基于迟滞耗散能的纤维增强CMCs疲劳寿命预测方法及考虑纤维失效的迟滞回线模型,建立了迟滞耗散能、基于迟滞耗散能的损伤参数、应力-应变迟滞回线与疲劳损伤机制(多基体开裂、纤维/基体界面脱粘、界面磨损与纤维失效)之间的关系。分析了疲劳峰值应力、疲劳应力比与纤维体积分数对纤维增强CMCs疲劳寿命S-N曲线、迟滞耗散能和基于迟滞耗散能的损伤参数随循环次数变化的影响。疲劳寿命随疲劳峰值应力增加而减小,随纤维体积含量增加而增加;迟滞耗散能随疲劳峰值应力增加而增加,随应力比和纤维体积分数增加而减小;基于迟滞耗散能的损伤参数随纤维体积分数增加而减小。      

Low velocity impact and compression after impact characterization of woven carbon/vinylester at dry and water saturated conditions

The low velocity impact response and compression after impact strength of dry and water saturated plain weave carbon/vinylester composites have been determined. The composites employed T700 carbon fibers and vinylester 510A and 8084 resins. Quasi-static impact tests were conducted on dry C/VE510A and C/VE8084 to estimate the threshold impact force required to initiate damage in the composites. Falling-weight impact tests were conducted on the composites over a range of impact energies from 6.7 to 47 J. Destructive inspection of damaged panels revealed damage in the form of matrix cracks as well as delamination between fiber bundles. The quasi-static estimation of the threshold impact force was in reasonable agreement with that measured in the impact test. To examine structural degradation due to impact loading, impacted panels were tested in compression (CAI). The CAI strength decreased with increasing impact energy. Absorbed moisture caused further reductions of the CAI strength.     

Influences of thermal cycling and low-energy impact on the fatigue behavior of carbon/PEEK laminates

Effects of low-energy impact and cyclic thermal loading on fatigue behavior of carbon fiber reinforced polyetheretherketone (carbon/PEEK) laminates have been examined. The fatigue behavior of the virginal composites, low-energy impacted composites, and low-energy-impacted and thermally exposed composites were investigated. Cyclic thermal loading was performed in the temperature range between 60 and −60°C. Residual tensile strength was measured to aid in understanding the influence of low-energy impact on the retention of tensile strength. Fatigue testing involved a stress ratio of 0.1, with a frequency of 3 Hz. The Weibull distribution function was used to evaluate the ultimate tensile strength and fatigue life. S–N curves were plotted and the influence of thermal cycling and the low-energy impact on the fatigue sensitivity of the carbon/PEEK laminates was investigated. Stiffness variation during fatigue testing was monitored and differences in stiffness reduction for three test conditions were compared. C-scan was used to investigate the damage zone under different low-energy impacts and to understand damage propagation during fatigue testing. Moreover, scanning electron microscopy (SEM) was used to examine the fracture morphologies of carbon/PEEK composites in both tensile failure and fatigue failure conditions.     

Micromechanics modeling of fatigue failure mechanisms in a hybrid polymer matrix composite

Initiation of fatigue damage for a hybrid polymer matrix composite material was studied via 3-Dimensional viscoelastic representative volume element modeling in order to gain further understanding. It was found that carbon fiber reinforced composites perform better in fatigue loading, in comparison to glass fiber reinforced composites, due to the fact that the state of stress within the matrix material was considerably lower for carbon fiber reinforced composites eliminating (or at least prolonging) fatigue damage initiation. The effect of polymer aging was also evaluated through thermal aging of neat resin specimens. Short-term viscoelastic material properties of unaged and aged neat resin specimens were measured using Dynamic Mechanical Analysis. With increasing aging time a corresponding increase in storage modulus was found. Increases in the storage modulus of the epoxy matrix subsequently resulted in a higher state of predicted stress within the matrix material from representative volume element analyses. Various parameters common to unidirectional composites were numerically investigated and found to have varying levels of impact on the prediction of the initiation of fatigue damage.     

电阻法预报CFRP层板疲劳损伤演变过程

通过类比方式,以电阻变化作为复合材料的损伤参数,建立了用电阻损伤参数预报CFRP层板疲劳损伤的数学模型,通过拉-拉疲劳试验,对CFRP层板的疲劳损伤与疲劳寿命预报进行研究,建立了累积损伤中电阻与疲劳损伤状态之间的关系.研究表明,在疲劳损伤过程中,电阻损伤参数的变化同材料的疲劳损伤过程密切相关,电阻损伤规律可分为下降阶段、平稳阶段和破坏阶段;碳纤维材料的电阻变化能够反映纤维的损伤程度和破坏形式,可以作为表征复合材料纤维损伤的有效参数.     

含低速冲击损伤复合材料层合板剩余压缩强度及疲劳性能试验研究

对T300/QY8911复合材料层板进行了低速冲击、 冲击后压缩以及冲击后疲劳试验研究。通过对冲击后的层板进行目视检测和超声C扫描获得了层板受低速冲击后的若干损伤特征; 在压-压疲劳试验中, 测量了损伤的扩展情况。讨论了冲击能量与损伤面积以及冲击后剩余压缩强度的关系, 分析了含冲击损伤层合板在压缩载荷及压-压疲劳载荷下的主要破坏机制。结果表明, 低速冲击损伤对该类层板的强度和疲劳性能影响很大, 在3.75 J/mm的冲击能量下, 层板剩余压缩强度下降了65%; 在压-压疲劳载荷作用下, 其损伤扩展大致可分为两个阶段, 占整个疲劳寿命约60%的前一阶段损伤扩展较为缓慢; 而疲劳寿命的后半阶段损伤则开始加速扩展, 并导致材料破坏。     

用应变能密度法分析纤维金属层板的微动疲劳特性

为研究纤维金属层板的微动疲劳特性,首先,基于三维坐标系下的临界平面法求解了纤维金属层板铝层临界平面上的应力和应变分量,并进一步求解了Smith-Watson-Topper （SWT）和I型Nita-Ogatta-Kuwabara （NOK）应变能密度参数;然后,建立了应变能密度参数-微动疲劳寿命关系式,并通过实验数据得到了寿命预测公式中的待定参数;最后,采用I型NOK应变能密度准则分析了铝层厚度、纤维层厚度、各层相对厚度和桥足圆角半径等对微动疲劳损伤位置和寿命的影响,并为纤维金属层板抗微动疲劳设计提出了一些合理化建议。结果表明:增加铝层厚度可以延长微动疲劳寿命,但增加纤维层厚度和桥足圆角半径不会改善微动疲劳特性。提出的方法可为分析纤维金属层板铆接和螺栓连接中的微动疲劳问题提供理论依据。      

Monitoring the damage evolution of flexural fatigue in unidirectional carbon/carbon composites by electrical resistance change method

This paper reported simultaneous monitoring damage evolution of flexural fatigue in unidirectional carbon-fiber-reinforced carbon composites (C/C composites) by electrical resistance change (ERC) methods. The degree of irregularity in electrical resistance changes increased with stress levels increasing. The shapes of electrical resistance change rate–fatigue cycle curves can reflect stress levels and damage types of tested samples: sawtooth shapes reflected delamination at a higher stress level; and “peak” shapes reflected inner damages in one fiber bundle at the fatigue limit stress level. In addition, the similarity of initial electrical resistance–fatigue life curve and S–N curve was observed clearly. In summary, ERC methods can monitor the damage evolution and qualitatively estimate the fatigue life of unidirectional C/C composites.