结构参数对复合材料V型构件固化变形影响试验及解析分析

为研究结构参数对复合材料V型构件固化变形的影响,完成了针对V型构件厚度、拐角半径、拐角角度及铺层等结构参数的变形影响研究试验。基于剪力滞后理论和弯曲理论,利用解析法建立了考虑结构参数影响的复合材料V型构件固化变形预测模型,利用模型预测了V型构件的回弹变形并分析了不同结构参数对V型构件回弹变形的影响机制。结果表明:回弹变形随着厚度的增大而减小,厚度为1~3mm之间,角度回弹变形差异最大在30%左右;回弹变形与拐角角度的补角呈约为0.014的比例;拐角半径的不同导致变形的差异不超过5%;准各向同性铺层试验件展现了最大回弹变形,0°铺层的变形减小了23.5%,90°铺层几乎不发生变形。模型分析结果表明,厚度主要通过弯曲刚度和剪切变形两方面影响回弹变形;铺层引起的力学性能和泊松效应的变化是使回弹变形有较大区别的主要原因;V型构件直边变形最大为0.20°,对回弹变形影响较大。变形预测结果与试验结果对比验证了解析法模型的准确性。     

变厚度复合材料U型零件固化变形仿真预测与结构影响因素

为了准确预测变厚度CCF800H/AC531碳纤维/环氧树脂复合材料U型零件的固化变形,并分析弯边以及变厚区参数对变形的影响。首先,利用自洽方法确定了单层复合材料力学性能,采用细观有限元方法预测了层合板的整体性能以避免仿真建模时复杂的铺层设置。而后结合固化硬化瞬时线弹性模型建立了零件的固化变形预测方法并进行了验证。变厚区对相邻区域的变形的影响规律由变厚区结构参数确定,与铺层方式和材料种类无关。运用Box-Behnken响应面方法,拟合了两个二次模型以分析弯边参数和变厚度结构参数对固化变形的影响规律。变厚区对较薄区域的影响较大,变形最大减小幅度达15%,而对较厚区域的影响可以忽略。采用方差分析比较了不同因素的影响,变厚区的宽度变化对变形的影响较小。当截面距变厚区的距离大于150 mm时,变厚区对较薄区域的影响接近为0。     

铺层取向误差对CFRP可折叠管件半片变形影响的数值分析与试验研究

以单层厚度为0.04mm的碳纤维/树脂(T300/5228,CFRP)超薄单向预浸料,采用真空袋-固化炉成型方法制备了一系列不同铺层复合材料"Ω"型可折叠管件半片,并采用ANSYS软件进行了有限元分析,通过实验和数值模拟方法研究了铺层方式及取向误差对变形的影响,制备的四种铺层方式制件实验测量其变形趋势与相应模拟分析结果一致,得到了铺层取向误差对变形影响较小的铺层方式。研究发现:±45°铺层比0°铺层的铺层取向误差对变形影响更大,增加90°铺层可以在一定程度上控制因铺层取向误差导致的可折叠管件半片的变形。研究结果表明通过铺层设计可以在一定程度上实现对CFRP可折叠管件半片变形的控制。     

复合材料补偿方法及其对变形的影响

固化变形一直是困扰复合材料零件后期快速、精确装配的重要问题之一，通过在复合材料零件装配面设计补偿层，待固化后再借助数控机床加工至理论型面，为复合材料零件精确制造提供了新的思路。通过半圆型复合材料零件固化变形仿真和实验验证发现，补偿层材料体系、铺层角度等均会影响补偿层与主体结构共固化试样的固化变形规律，其中，补偿层材料的纤维种类对零件固化变形影响最大，树脂种类次之，补偿层铺层角度不对称也会增加零件固化变形量，通过对称铺层处理，可有效控制变形量。在材料和铺层角度均匀对称的情况下，补偿层厚度变化不会导致固化变形规律及变形量状态的改变。经过机加处理后，试样会发生二次变形，但是机加后半圆型件在自由状态下型面最大变形<1mm,相比于无补偿的试样，变形量减小约33%,可满足工程装配需求。     

复合材料轴结构力学性能预测及铺层方案设计

针对连续纤维增强金属基复合材料轴结构力学性能预测问题,考虑纤维呈四边形和六角形两种周期性排列方式,基于细观力学有限元方法,建立六种代表体积元(RVE)模型,计算该材料的宏观力学性能参数,并与已有的三种细观力学模型计算结果进行对比分析。在此基础上,以低压涡轮轴为研究对象,将选定的RVE模型预测所得的宏观力学性能参数应用于该纤维增强复合材料轴结构的铺层方案设计中,利用数值模拟方法计算该轴结构在给定弯矩、扭矩作用下的变形量和应力,并分析铺层角度、厚度及铺层顺序对轴结构抗弯、抗扭性能的影响规律。研究发现纤维按某种特定的铺层角度组合铺设,可有效提高轴结构的抗弯、抗扭性能,通过计算分析提出了铺层设计方案。     

复合材料V型构件的固化变形预测及其工装型面设计

利用固化动力学模型对20mm厚度和3mm厚度的ZT7H/5429碳纤维复合材料层合板进行了固化模拟,在固化过程中,20mm厚度平板出现了温度峰值,中心温度与表面温度差不超过6℃,3mm平板温度分布均匀,温度历程与热压罐工艺温度基本一致。利用简化的温度场和等效热膨胀系数对60°和90°拐角的V型基准试件进行了固化变形模拟,并进行了V型基准试件的固化试验。60°和90°拐角试件的固化回弹角的模拟值分别为1.58°和1.18°,试验测得的回弹角的平均值分别为1.59°和1.11°。对V型复合材料蒙皮构件进行了固化变形模拟,并得到了补偿过的工装型面,在该工装上成型的试件与设计形状基本一致。     

复合材料圆柱壳轴压屈曲性能分析

对完整复合材料圆柱壳轴向压缩性能进行了试验研究,得到了圆柱壳结构的破坏载荷和各测量点的载荷-应变曲线,通过分析得出结构的破坏形式为屈曲破坏。利用ANSYS有限元软件建立了模型,对复合材料圆柱壳进行屈曲分析,将有限元计算的结构变形和屈曲载荷与试验结果进行对比,计算结果与试验结果一致,验证了模型的有效性。利用建立的有限元模型,分析了开口尺寸和铺层角度对含矩形开口的复合材料圆柱壳屈曲载荷的影响。在开口处加装复合材料口盖对结构进行补强,补强后的柱壳结构满足强度设计要求。     

复合材料层合板声功率及灵敏度研究

采用分层理论结合有限元模型分析复合材料层合板结构的振动特性,并用声辐射模态理论进行结构声辐射分析。在此基础上,分析声功率关于设计参数的灵敏度,推导声功率灵敏度的表达公式。以四层复合材料层合板为例,着重对声功率关于层合板结构铺层角度和铺层厚度的灵敏度进行了分析研究。数值计算结果显示在层合板基频处,辐射声功率达到最大值,同时在该处灵敏度有明显的升降过程。另外,对于低噪声层合板应以±45°对称的铺设将是最为恰当的设计方案。     

基于自动铺放技术的变刚度复合材料层合板固化变形特性

准确预测和控制变刚度结构的固化变形是合理进行变刚度设计的关键环节,复合材料结构的固化变形不仅会影响结构的刚度强度特性、同时会对结构的装配性能产生影响。基于自动铺放技术,提出面向过程的丝束-路径-面板多级三维变刚度有限元模型算法。结合Kamal自催化固化动力学模型和广义Maxwell黏弹性本构模型进行热-化学-力多场耦合分析,计算固化过程中结构内部温度场、固化度场和残余应力场的变化,最终得到变刚度层合板的固化变形特性。通过参数化分析,研究了自动铺放过程中轨迹控制参数T₀、T₁和覆盖法则对结构固化变形产生的影响。研究结果表明：T₀=45°时,当T₁0变刚度结构的固化变形随着T₁的增大而增大,当T₁>T₀,变刚度结构的固化变形随着T₁的增大而减小。100%覆盖法则有效减小结构的固化变形,而0%覆盖法则使固化变形增大。本文提出的方法可以有效预测工艺参数对变刚度结构固化变形的影响。     

纤维铺层角度对复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性影响研究

研究T700/3234复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性受纤维铺层角度变化的影响规律。开展复合材料力学性能试验和薄壁圆管轴向准静态压溃试验。通过对比圆管轴向压溃峰值载荷及比吸能等指标的试验结果,验证建立的复合材料圆管有限元模型和分析方法。基于验证的有限元分析方法,探讨了复合材料纤维铺层角度的变化对薄壁圆管轴向压溃吸能特性的影响规律。结果表明,在准静态轴向压缩载荷下,随着纤维铺层角度的增大,比吸能先增大后减小;纤维角度为±45°时,初始峰值载荷最低,载荷效率最高,圆管易于进入渐进破坏吸能阶段。研究结果可为复合材料纤维铺层角度设计及复合材料薄壁结构有限元建模提供参考。     

铺陈角度对芳纶/玻璃纤维层合板抗冲击性能的影响

采用Abaqus软件建立了圆锥形子弹正冲击芳纶/玻璃纤维复合材料层合板的有限元模型,将模拟结果与文献中的实验结果相比较验证了模型的可靠性,进而研究子弹以不同的速度对不同铺陈角度下的复合材料层合板冲击后初始速度与剩余速度的关系以及层合板的破坏特征。结果表明:当层合板铺陈角度不变且子弹击穿层合板时,子弹初始速度与剩余速度接近于线性关系;在子弹未穿透层合板时,[0/90°]铺陈角度的层合板抗弹性能最好,在子弹以600~900 m/s的较高速度穿透层合板时,[45/-45°]铺陈角度的层合板吸能效果最好;由破坏特征图表明铺陈角度对层合板的损伤面积和破坏机制影响不大。该研究可为防护装备的设计和优化提供参考。     

面内线性变化载荷作用复合材料层合板的振动与屈曲优化

采用广义微分求积（GDQ）法开展了不同边界条件下承受面内线性变化载荷作用复合材料层合板振动与屈曲的分析与优化。针对GDQ法求解面内线性变化载荷工况复合材料层合板屈曲问题存在计算振荡、不收敛现象,提出载荷扰动策略实现了GDQ法对复合材料层合板屈曲问题的稳定高效求解。基于基础圆频率和临界屈曲载荷系数的归一化指标,分析了铺层角度对复合材料层合板综合性能的影响,并结合直接搜索模拟退火算法开展了复合材料层合板的铺层顺序优化。结果表明:铺层角度变化对屈曲性能的影响明显强于频率特性;面内线性变化载荷中,以弯曲载荷作用下复合材料层合板的优化综合性能受边界条件变化的影响最小,而优化铺层角度受边界条件变化的影响最大。研究结果为复杂载荷作用下复合材料层合板的设计提供了参考。      

复合材料壁板铺层参数对大展弦比机翼气动弹性优化的影响

开展了大展弦比复合材料机翼气动弹性综合优化设计研究,以复合材料层合板铺层厚度为设计变量,以多种气动弹性约束与强度/应变约束为限制条件对结构进行优化设计,从铺层比例和铺层非均衡两方面分析了蒙皮铺层参数的影响。研究表明: 在满足综合约束的条件下,随着0°铺层比例的增加,翼尖变形略微减小,颤振速度略有下降,副翼效率变化不大; 蒙皮铺层非均衡程度主要影响机翼静气动弹性能,随着蒙皮非均衡引起的机翼刚轴绕翼根向前缘逐渐偏转,翼尖垂直变形变化不明显,但翼尖负扭转变形的绝对值加大,副翼效率下降。     

The effect of the measurement frequency on the elastic anisotropy of fibre laminates

Static tests and ultrasonic measurements (2.25 MHz) have been carried out on a series of composite laminates of glass fibres in a polypropylene matrix. A range of angle ply laminates were prepared for this study, with laminate angles θ of ±0, 10, 20, 30 and 40^∘. The high frequency measurements were made using the ultrasonic immersion technique, which allows the determination of a complete set of the elastic constants of a material. The relationship between the ultrasonically determined elastic constants of the angle ply laminates was found to be in excellent agreement with theoretical predictions, as previously validated for carbon fibre/epoxy angle ply laminates. A comparison between the ultrasonic and statically measured values was made for two of the angle ply laminates (θ = 0 and 20^∘). It was found that the static values were lower than those measured at ultrasonic frequency, particularly those constants that were more matrix dominated (for example the transverse moduli of the laminates). Measurements on a pure polypropylene sample at both testing frequencies confirmed that the change in matrix properties with frequency was the cause of this difference. The change in properties with test frequency is likely to be much larger in this system than in other composite materials because the glass transition temperature of polypropylene is close to ambient temperature. Dynamic mechanical tests (1 Hz) were carried out on a sample of pure polypropylene to assess this effect. We also give an appropriate method of estimating the dependence of glass transition temperature on frequency. The results for polypropylene are compared with those for other commonly used polymer matrix materials: epoxy resin, nylon and polyetheretherketone (PEEK): DMTA measurements were also made on these samples. The effect of test frequency on matrix properties, for the glass/PP laminates, was further investigated by examining the relationship of the Poisson's ratios with laminate angle using a mixture of ultrasonic experiments and theoretical predictions. Previously we have shown that the degree of anisotropy between the reinforcing fibre and the matrix phase is paramount in determining whether the material will show a negative Poisson's ratio at a critical laminate angle. The ultrasonic measurements carried out in this study on the glass/PP laminates showed a minimum in one of the Poisson's ratio at a laminate angle of 32°, but the value did not become negative. However, theoretical predictions showed that for a static frequency measurement (1 Hz), where the matrix is softer and hence the anisotropy of each laminate ply is higher, the laminate will show a negative Poisson's ratio with a minimum at a laminate angle of around 28°.     

变角度纤维层合板的弯曲问题研究

变角度纤维层合板是一种新型的变刚度结构,该文将对其弯曲问题进行研究。假定每层的纤维方向角沿板的长度方向按照线性变化,基于经典层合板理论,导出了变角度纤维层合板弯曲问题的控制方程,采用有限元线法进行求解,获得了任意边界条件下变角度纤维层合板弯曲问题的数值解。与ABAQUS有限元计算结果的对比,验证了该文采用有限元线法的正确性。通过数值算例分析了边界条件、铺层方式、纤维方向角以及长宽比等参数的变化对变角度纤维层合板弯曲性能的影响。研究结果可为变角度纤维层合板的设计提供一定的参考。     

复合材料层合板及机翼格栅结构的动态特性优化设计

以复合材料层合板各单层连续变化的铺层角度为设计变量, 在有限元软件中对层合板结构的基频进行优化分析, 在四边简支和固支两种不同的边界条件下, 结构的基频分别提高了4.9%和16.2%, 并对优化前后结构的静力失效强度进行了对比分析。随后将这种优化方法应用到某无人机复合材料机翼格栅结构中, 针对格栅结构蒙皮和肋板共计24个纤维铺层角度进行了优化设计, 使结构基频提高了10.6%, 同时结构的承载能力也有了一定程度的提高。     

基于新修正偶应力理论的斜交铺设层合Kirchhoff板模型与尺度效应

基于新修正偶应力理论, 建立了只含有1个尺度参数的复合材料斜交铺设层合Kirchhoff板模型, 并分析了铺设角对尺度效应的影响。采用虚功原理推导了任意铺设角的层合Kirchhoff板的弯曲方程和边界条件。通过新模型给出了四边简支反对称角铺设微尺度层合Kirchhoff板的解析解。结果表明:细观尺度各向异性层合板的尺度效应并不仅仅受其几何尺寸的影响, 还受铺设角的影响;铺设角对尺度效应可能产生非常显著的影响。      

固化度与固化收缩对非对称复合材料层合板固化变形的影响

采用三维有限元方法研究复合材料非对称层合板在热载荷和固化收缩载荷下的固化变形情况, 建立了材料力学特性、 固化体积收缩量和温度与固化度之间的函数关系, 考察了层合板变形曲率与温度和固化度之间的关系。数值计算结果表明: 非对称层合板变形曲率与固化终止时固化度有密切关系; 固化变形主要发生在降温阶段; 固化收缩对层合板变形曲率影响很小, 主要发生在第二个保温平台的前半段。      

碳纤维复合材料层合板低速冲击损伤应力分析

目的 为掌握碳纤维复合材料板在低速冲击载荷作用下的损伤规律,延缓失效破坏,对其冲击损伤的应力状态进行研究。方法 基于ABAQUS平台,建立碳纤维复合材料层合板低速冲击有限元模型,采用Hashin失效准则和VUMAT用户子程序,对碳纤维复合材料层合板的冲击过程进行数值模拟,同时考虑层合板层内与层间失效,以此来研究低速冲击条件下复合材料的损伤机理,分析冲击损伤过程中的应力变化趋势,讨论应力的分布状态。重点研究铺层角度及铺层距离冲头远近对应力的影响。结果 不同角度铺层的应力传播轨迹均沿着纤维方向和垂直于纤维方向同时扩展,应力均先增加至极限值而后迅速下降;铺层角度越大,板料的承载能力越弱,0°铺层的极限应力为1 432 MPa,而90°铺层的极限应力降至1 206 MPa;离冲头越远的铺层应力越小,达到峰值的时间更早且率先下降,说明远离冲头的铺层更早发生失效。结论 揭示了碳纤维层合板在低速冲击载荷作用下的应力状态及其对损伤的影响规律,能够为复合材料层合板零件设计提供参考。