三维四向编织复合材料力学性能预测及实验验证

基于三单胞模型,分别采用刚度平均化理论和数值分析方法对编织角为20°,30°,45°的三维四向编织复合材料的弹性常数及其随编织角变化规律进行预测,并在MTS试验机上开展了静态拉伸实验。结合理论分析、数值仿真与实验测试结果,发现随着编织角的增大,纤维束的刚度在纵向分量减小,而在横向分量增加,因此三维四向编织复合材料纵向刚度逐渐减小,横向刚度和横向剪切刚度逐渐增大。实验结果还发现不同编织角的复合材料纵向拉伸曲线具有较大差异,20°编织角实验件呈现线弹性,30°编织角实验件呈现非线性,45°实验件呈现双线性;而三种编织角的实验件的横向拉伸力学行为基本呈线性。通过与实验件纵横向拉伸实验结果对比,发现刚度平均化方法和数值模拟方法对三维编织复合材料编织方向刚度预测较为准确,但由于忽略了纤维与基体脱胶现象,对横向刚度预测偏差较大。     

三向编织玻璃/环氧复合材料刚度性能

通过实验研究了三向编织玻璃/环氧复合材料的刚度性能 , 并考虑编织角和试件宽度参数的影响 , 探讨了拉伸和压缩刚度性能的差异。实验结果表明 : 在同一纤维体积分数条件下 , 随着编织角的增大 , 试件的纵向弹性模量有所减小 , 泊松比 (在编织角约大于 35° 时) 也有所减小 ; 宽度为两倍和三倍单胞宽度的试件的刚度性能基本相同; 试件的纵向弹性模量和泊松比远大于横向弹性模量和泊松比; 拉伸和压缩时试件的弹性模量和泊松比基本接近 ; 在横向拉伸和压缩时试件的应力2应变曲线具有明显的非线性特征。实验结果为编织复合材料结构设计提供了数据参考。      

2D-C/ SiC 复合材料的宏观拉压特性和失效模式

通过拉伸、压缩实验, 从宏观上研究了平纹编织C/ SiC 复合材料在简单载荷作用下模量、残余应变及泊松比的变化。通过断口观察, 分析了材料在面内拉、压载荷作用下的损伤与失效模式。实验结果表明, 拉伸载荷作用下, 材料在低应力就开始损伤。0°纤维束表面基体开裂和层间裂纹是主要损伤形式。损伤后, 随着应力增加, 拉伸卸载模量、泊松比线性减小, 残余应变增加; 压缩应力-应变基本呈直线关系, 模量、泊松比基本不变。拉伸破坏表现为韧性断裂, 断裂机理为分层后0°纤维束的断裂、携带90°纤维束拔出; 压缩破坏形成一个与加载方向成13°的断裂平面, 破坏机理为层间裂纹、0°/ 90°纤维束之间裂纹和90°纤维束内裂纹的产生和迅速扩展、最后0°纤维束剪切断裂。      

碳/碳复合材料疲劳损伤失效试验研究

对单向碳/碳复合材料纵向拉-拉疲劳特性及面内剪切拉-拉疲劳特性进行了试验研究; 对三维四向编织碳/碳复合材料的纵向拉-拉疲劳特性及纤维束-基体界面剩余强度进行了试验研究。使用最小二乘法拟合得到了单向碳/碳复合材料纵向及面内剪切拉-拉疲劳加载下的剩余刚度退化模型及剩余强度退化模型, 建立了纤维束-基体界面剩余强度模型。结果显示: 单向碳/碳复合材料在87.5%应力水平的疲劳载荷下刚度退化最大只有8.8%左右, 在70.0%应力水平的疲劳载荷下, 面内剪切刚度退化最大可达30%左右; 三维四向编织碳/碳复合材料疲劳加载后强度及刚度均得到了提高; 随着疲劳循环加载数的增加, 三维四向编织碳/碳复合材料中纤维束-基体界面强度逐渐减弱。      

纤维束波动效应对平纹编织复合材料损伤行为的影响

平纹编织复合材料中纤维束波动效应会引起随动材料主方向变化及面外剪切应力集中,为了研究其对平纹编织复合材料力学性能及损伤行为的影响,提出改进的像素法细观有限元单胞模型。模型根据纤维束波动曲线定义了材料主方向的变化,采用Hashin准则模拟纤维束的损伤起始,并引入剪切修正因子考虑面外剪切应力对面内拉伸损伤的影响。模型可以预测平纹编织复合材料的面内拉伸强度和损伤演化过程,结果表明:纤维束材料主方向波动会引起平纹编织复合材料面内拉伸强度下降;面外剪切应力集中是导致复合材料最终失效的主要原因,且随着剪切修正因子增大,复合材料面内拉伸强度显著降低;纤维束材料主方向波动和面外剪切应力集中均对平纹编织复合材料的损伤行为和破坏机理产生了影响,需要在数值分析中对其进行准确描述。      

三维编织SiC/SiC复合材料拉伸和弯曲损伤机制

为了研究三维编织SiC/SiC复合材料损伤机制,开展了室温条件下的单调拉伸和三点弯曲试验。实验前,利用CT扫描手段,明确了三维编织SiC/SiC复合材料试样的编织组织形态。对拉伸和三点弯曲试样的微观分析表明:原生孔洞和微裂纹导致了材料在单调拉伸过程中形成局部应力集中,随着拉伸载荷的增大,基体的横向开裂和纤维束间纵向层间裂纹逐渐演化形成纤维内部裂纹,导致材料最终的脆性断裂失效;在三点弯载荷作用下,表现为剪切、拉压共生的多耦合破坏模式,拉应力一侧首先发生失效,随后在中性面处发生剪切破坏,紧接着失效迅速向上下两侧扩展,直至截面在整个厚度方向发生失效;断口与纤维束的走向相关性很大,裂纹基本上沿着纤维束之间的界面进行扩展,导致最终失效未发生在理论失效位置处。      

二维编织C/SiC复合材料的热膨胀系数预测

根据二维编织 C/ SiC复合材料的细观结构及其制备工艺特点 , 提出了一种预测该材料面内热膨胀系数的单胞模型。模型充分考虑了编织结构复合材料中的纤维束弯曲和 CVI工艺制备陶瓷基复合材料产生的孔洞对热膨胀系数的影响。利用单胞模型预测了二维编织 C/ SiC的结构参数、 纤维体积含量、 孔洞含量对复合材料热膨胀系数的影响规律 , 结果表明 : 随着纤维束扭结处产生间隙与纱线宽度比值的增大 , 热膨胀系数增大 ; 当其它参数不变时 , 随着纤维体积含量的增大 , 热膨胀系数反而下降; 随着孔洞含量的增加 , 热膨胀系数也出现了下降的趋势。利用 DIL402C热膨胀仪测试了二维编织 C/ SiC复合材料纵向热膨胀系数 , 试验结果与模型预测结果吻合较好。     

复杂面内应力状态下平面编织高铝纤维增强氧化铝基复合材料强度及疲劳寿命预测方法

针对平面编织氧化铝基复合材料提出了一种复杂面内应力状态下的强度准则和疲劳寿命预测方法。通过拉伸、压缩及纯剪切试验,分别获得了材料的静强度指标。考虑材料拉、压性能的差异和面内拉-剪联合作用对材料强度的影响机制,提出了修正的Hoffman强度理论。采用该强度理论预测得到的偏轴拉伸强度与试验结果基本一致,偏差不超过10%。开展了偏轴角θ=0°、15°、30°、45°,应力比R=0.1,频率f=10 Hz的拉伸疲劳试验,试验结果表明随着偏轴角的增加,相同轴向拉伸载荷下的疲劳寿命逐渐降低。由于面内剪切应力分量的作用,疲劳失效由纤维主导逐渐过渡到纤维和基体共同主导的模式。基于单轴疲劳寿命曲线,采用Broutman-Sahu剩余强度模型表征剩余强度随疲劳循环次数的变化规律,结合剩余强度演化模型和修正的Hoffman强度理论,提出了一种面内复杂载荷条件下的疲劳寿命预测模型,并引入疲劳剪切损伤影响因子表征拉-剪应力联合作用对材料疲劳行为的影响。采用本文提出的疲劳寿命预测模型,预测不同偏轴角拉伸疲劳寿命,预测结果与试验结果基本一致,偏差在1倍寿命范围内。比较结果表明在给定应力比、温度和疲劳载荷频率条件下,该疲劳寿命预测模型可以用来预测平面编织氧化铝基复合材料拉-剪复杂面内载荷条件下疲劳寿命。      

含面内波纹缺陷的复合材料层合板刚度性能

基于经典层合板理论（CLT）,并考虑面内波纹引起的拉伸-弯曲耦合作用,提出了含面内波纹缺陷的复合材料层合板刚度预测模型,定量研究了波纹比、纤维偏转角和波纹位置等面内波纹参数对其三维刚度性能的影响。结果表明：理论模型预测值与文献中的结果吻合较好;面内波纹对纵向弹性模量、横向弹性模量、面内剪切模量、主泊松比和面内弯曲刚度均产生了显著影响。该建模方法为研究波纹缺陷对复合材料力学性能影响提供了参考。     

三维编织复合材料RTM工艺和力学性能

以气瓶、真空泵、热电烘箱组装了ＲＴＭ工艺装置，探索了三维编织碳／环氧６４８、碳／双马ＱＹ８９１１－ＩＶ成型的最佳温度、时间、压力等工艺参数，并用Ｘ射线对部分试质量谰定，研究了纺织工艺参数对力学性能的影响，结果发现随着编织角的增大，拉压模量和强度降低；编织角，尤其横向编织角影响泊松比；轴向纱能增加弹性模量和强度性能，减小泊松比。