碳纤维复合材料层合板三点弯曲损伤仿真研究

研究碳纤维复合材料在弯曲载荷作用下的失效形式与损伤过程,以预测材料抗外力损伤性能,指导碳纤维复合材料车身结构设计。进行碳纤维复合材料性能试验和三点弯曲试验,获得材料力学性能参数。建立基于Tiebreak算法的碳纤维复合材料层合板三点弯曲有限元模型,与试验对比验证模型的有效性。研究单元划分方式和Tiebreak接触层设置方式对仿真结果的影响规律,实现碳纤维复合材料分层破坏和纤维断裂的复杂失效及弯曲大变形损伤过程模拟。研究结果表明,计算精度与Tiebreak接触层设置相关,层合板弯曲变形的层间裂纹和层内裂纹扩展速度不同且相互影响。     

CFRP层合板爆炸分离损伤模式研究

爆炸分离技术已发展成为航空发动机包容试验中复合材料叶片飞断控制的关键技术,为探究不同埋药槽深对碳纤维增强复合材料层合板爆炸分离损伤模式的影响,采用数值模拟和试验研究相结合的方法,研究层合板在爆炸作用下的损伤过程、加速度响应与动能变化趋势,分析了层合板爆炸分离的破坏模式和机理。结果表明：针对25 mm厚层合板,当两侧开槽深度为3 mm时,部分冲击波沿厚度方向形成压缩和拉伸波使纤维出现断裂损伤,部分反射拉伸波沿层间传播使层合板出现分层损伤,层合板未被切断;当两侧开槽深度增大到3.5 mm时,冲击波主要沿厚度方向形成压缩和拉伸波使纤维出现大面积断裂损伤,层合板被完整切断;爆炸产生的能量可以限制在局部范围内,传递给层合板的额外动能较小。该研究成果可为复合材料叶片的爆炸飞脱研究提供先验知识。     

含圆孔复合材料层合板在拉伸载荷下的破坏机理

综合考虑了基体开裂、基纤剪切、分层及纤维断裂等四种复合材料层合板的主要破坏模式,同时在通用有限元分析软件ANSYS基础上进行二次开发,编制了参数化的分析模拟程序,应用此三维逐渐累积损伤理论和有限元模拟方法,对两种不同铺层参数的含圆孔复合材料层合板在拉伸载荷作用下的逐渐破坏过程进行了分析。结果表明:该程序可以预测任意材料体系和任意铺层参数的层合板在拉伸载荷作用下的逐渐损伤破坏过程及最终失效载荷;与参考文献中的试验结果比较发现,该方法的预测精度较高,验证了其正确性。     

T700/QY8911缝合复合材料层合板的拉伸与疲劳性能

对T700/QY8911缝合复合材料层合板进行了静载拉伸试验和拉-拉疲劳试验,研究了不同缝合方向[0/90]4s和[0/45/90/-45]2s铺层层合板的拉伸和疲劳性能;建立了T700/QY8911缝合复合材料层合板有限元模型并对其弹性模量进行了模拟。结果表明:缝合能明显提高复合材料层合板抵抗分层破坏的能力;缝合层合板在静拉伸载荷下呈线弹性材料的特点,当载荷达到峰值时,缝合层合板具有后续承载能力,而未缝合层合板在峰值后承载能力出现连续下滑,并发生最终破坏;缝合层合板在拉-拉载荷下的疲劳刚度衰减曲线呈三阶段函数特征;缝合层合板的纵向弹性模量的有限元计算结果与试验结果吻合较好,证实了模型的有效性。     

纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能研究

采用模压工艺制备了连续纤维增强聚丙烯复合材料与短纤维增强聚丙烯复合材料的层合材料,测试了含不同连续纤维层比例的层合材料力学性能,分析了其失效机理。结果表明,连续纤维层可以显著提高层合材料的强度,层合材料的强度随连续纤维层的增加而提高。连续纤维层与短纤维层的界面在拉伸测试中保持完好,可以有效传递应力,20%连续纤维层的层合材料拉伸失效以撕裂为主。层合材料在弯曲过程中尽管部分连续纤维断裂,但连续纤维层有效抑制了材料截面的穿透性裂纹扩展,阻止了材料的宏观断裂。连续纤维层与短纤维层的强度差异导致层合材料在冲击过程中扭转,层间界面在扭转剪切作用下分层失效。     

冲击后复合材料板剩余抗拉强度影响因素分析

应用提出的全程分析方法和三维逐渐累积损伤理论,对层合板的冲击过程以及冲击后含损伤层合板在拉伸载荷下的破坏过程进行详细分析.研究不同冲击能量、不同材料的冲头、不同复合材料体系和不同铺层方式等因素对层合板冲击损伤及剩余抗拉强度的影响规律,为更有效地进行复合材料抗冲击结构设计提供一定的指导作用.     

复合材料层合板侵彻行为的计算机模拟

本文以复合材料层合板抗侵彻性能分析为目的,采用ABAQUS/Explicit建立了纤维增强复合材料层合板高速冲击有限元分析模型,结合Hashin失效准则进行损伤识别,给出了层合板在球形弹头冲击下的侵彻破坏特征和模态,获得了弹道极限速度。模拟结果与理论计算结果和已有实验结果吻合良好,证明了该方法合理有效,探讨了弹头形状、冲击速度和入射角等因素对层合板损伤的影响规律,获得了一些有价值的结论,可以为工程实际提供参考。     

T700/3234碳纤维层合板的拉伸疲劳特性分析

通过对T700/3234碳纤维复合材料层合板进行静力拉伸试验和拉-拉疲劳试验,得到层合板的拉伸性能、疲劳寿命和刚度衰减规律,然后采用数值分析方法对层合板的拉伸强度进行预测,并对碳纤维层合板的疲劳S-N曲线以及疲劳刚度衰减进行了研究。结果表明:采用逐渐累积损伤的数值方法所得到的拉伸强度与试验结果较为吻合,根据疲劳理论拟合得到的S-N曲线和刚度衰减曲线很好地描述了材料的疲劳性能,为研究T700碳纤维层合板的疲劳损伤演化提供了重要参考。     

基于三维CDM的复合材料开口层合板失效分析

建立了复合材料层合板三维连续介质损伤力学模型,并将该模型应用于复合材料开口层合板的损伤破坏分析中。与相关试验中开口层合板强度和损伤破坏情况对比分析表明:本文模型能够有效地模拟开口层合板从初始损伤到完全破坏的全过程,具有较高的计算精度和良好的数值模拟收敛性。基于该模型,详细分析了在单向拉伸载荷作用下开口层合板不同铺层的损伤破坏情况。     

含孔复合材料层合板在压缩载荷下的三维逐渐损伤

通过逐渐损伤分析可以清楚地了解承载复合材料层合板内部损伤的产生及扩展过程,应用三维逐渐累积损伤理论和有限元分析技术,对不同材料不同宽孔比的含孔复合材料层合板在压缩载荷作用下的逐渐破坏过程进行分析,综合考虑了基体开裂、基纤剪切、分层及纤维断裂等四种复合材料层合板的主要破坏模式。在通用有限元分析软件ANSYS基础上进行二次开发,编制了参数化的分析模拟程序,该程序可以预测任意铺层角度和铺层厚度层合板在压缩载荷作用下的逐渐损伤破坏过程及最终失效载荷,通过与已有参考文献结果进行比较,验证了方法及程序的正确性。该程序可以较大程度地提高最终失效载荷的预测精度,为复合材料层合板结构的设计和使用提供了有力的技术支持。     

橡胶基密封复合材料中混杂纤维增强效应的研究

分别选用芳纶纤维、预氧化丝纤维以及两者构成的混杂纤维作为增强纤维制备了非石棉纤维增强橡胶基密封复合材料(NAFC),以材料高温时效处理后的残余横向抗拉强度为指标,研究了不同增强纤维对NAFC材料高温性能的影响。利用扫描电镜(SEM)分析了材料拉伸断面形貌,探讨了混杂纤维增强机制,分析了混杂效应系数的主要影响因素,研究了混杂效应系数与材料横向抗拉强度和应力松弛率之间的关系。研究结果表明,采用混杂纤维作为增强纤维可大大提高NAFC材料的耐高温性能,混杂纤维构成的网状结构中纤维间的相互作用限制了两者间的相对位移,有效抑止了裂纹的传播。采用纤维混杂效应系数可以较好地表征混杂纤维增强NAFC材料的力学性能。     

多元变参数振动钻削复合材料的研究

根据复合材料力学和线弹性断裂力学，假设钻削轴向力为一集中作用载荷，从而构造了正交纤维束增强复合材料的钻削分层临界力的数学模型，仿真结果表明，随着待钻削深度的减小，分层临界力急剧降低。基于这一特点，提出了多元变参数振动钻削纤维增强复合材料的新思路，并进行了实验验证。     

玻璃纤维/PC树脂/LY12铝合金叠层复合材料界面处理及其性能

采用热压固化成型工艺,成功制备了玻璃纤维／PC树脂／铝合金叠层复合材料,并对该材料的界面结合状况与性能进行了分析。结果表明：通过对铝合金表面进行喷丸和酸腐蚀综合处理及对玻璃纤维进行0．5％硅烷偶联剂水溶液涂层处理,叠层复合材料各界面的结合状况良好;抗拉强度达到210．2MPa,抗弯强度达到325MPa,冲击韧度大于173．5kJ／m^2,其阻尼性能尤其突出,自由衰减率达到0．332,可与粘弹性阻尼材料媲美。     

碳纤维增强树脂基复合材料切削机理研究

碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced plastic,CFRP）在细观尺度上由纤维、树脂及界面不同相组成,在宏观尺度上呈层叠特征,具有非均质性和各向异性。CFRP切削过程的实质是在切削力、热共同作用下同时去除高强度纤维和低强度树脂的复杂过程,极易出现加工损伤。抑制加工损伤的前提是准确揭示CFRP切削机理,而揭示其切削机理的关键是分析材料去除过程。由于纤维是复合材料内部承受主要载荷的组成相,材料的去除过程主要由纤维的断裂过程决定。因此,通过分析切削过程中纤维的受力状态,以双参数弹性地基梁理论为基础,建立了虑及纤维所受法向及切向约束,且兼虑树脂及界面温变特性的单纤维切削模型,可准确表征纤维实际受力状态,实现纤维断裂过程的准确求解。研究发现：切削深度和纤维角度影响纤维变形深度,即切深越大,纤维变形深度越大,更易产生加工损伤;随着纤维角度增加,纤维变形深度减小。同时,为解决单纤维切削模型难以直接验证的难题,利用其求解得到宏观切削力理论值,通过与试验值对比,间接验证了单纤维切削模型的正确性。同时与未考虑被切削纤维所受切向约束和树脂及界面温变特性时相比,同时考虑这两个因素可使CFRP宏观切削力计算精度平均提升20%。所建立的单纤维切削模型不仅能够从细观尺度准确揭示CFRP去除机理,而且可为后续有关损伤抑制的研究提供理论依据。     

基于超声复解析信号的碳纤维层压复合材料检测方法研究

采用超声波检测碳纤维层压复合材料时,换能器将接收到层间产生的反射信号。为了有效利用层间反射信号表征碳纤维层压复合材料内部树脂及纤维铺层的几何状态,开展基于超声复解析信号的检测方法研究。介绍超声复解析信号的基本理论,阐述其相对原始A型信号的优势;定义用于成像的复解析信号表征参量,设计基于表征参量的检测成像算法,采用简化声学模型分析碳纤维层压复合材料微观结构超声响应对表征参量的影响;针对包含冲击损伤的碳纤维增强复合材料层压板开展阵列超声检测试验,试验结果表明基于超声复解析信号的检测成像方法可清晰观测出碳纤维层压复合材料微观结构内部的纤维铺层几何形态,基于原始A型信号的检测成像方法无法有效观测,超声复解析信号具有用于表征评价复合材料脱层、褶皱等缺陷的巨大潜力。     

光纤端面的断裂机理及制备方法

为从理论和试验两个方面解决光纤端面制备问题,根据固体断裂力学原理,分析和讨论了脆性均匀固体物质的断裂过程,得到了圆柱形物质在某一点的断裂路径具有在裂纹发展方向上的稳定性和唯一性的结论,并据此提出了一种简便的制备光纤端面的设想。根据该设想,设计了一个光纤切割装置并进行了光纤端面制备的试验。在试验过程中,分别对光纤芯径为0.2,0.3,0.6,0.8,1mm的光纤端面进行了切割,并应用读数显微镜和可见激光传输光束显示等技术手段测试了制备的光纤端面的光学质量。实验结果显示,制备的光纤端面质量完全满足实际应用的要求,质量完好的概率达到100%。     

断裂力学判据存在的一个问题及讨论

利用细观力学对材料断裂机理的认识，结合脆性材料常规破坏试验结果，提出了一个新的拉断破坏条件，该拉断强度条件与常用的几何脆断强度条件相比，能更好地解释材料在复杂应力状态下发生的脆断与小塑性韧断，并对常用的断裂力学判据存在的问题进行了讨论，通过分析影响裂尖空穴扩张的主要因素，给出能适应不同应力状态的新的断裂判据。     

Al2O3短纤维/铝基复合材料强度预测公式探讨

测定了Al_2O_3短纤维增强不同铝基复合材料的抗拉强度,利用SEM动态拉伸装置观察了复合材料的微观断裂过程,根据这些试验结果以及有限元计算结果对强度预测公式进行了修正。结果表明：目前普遍采用的强度预测公式,仅适用于断裂机理是纤维断裂型的复合材料,取向因子应为0．49。     

基于三相微观结构的纤维复合材料切削仿真研究

为了研究纤维增强复合材料在切削过程中的材料去除机理及切削性能,本文建立了基于三相微观结构的纤维增强复合材料的二维有限元切削模型。针对纤维、基体和界面相组成三相微观结构,分别建立了它们的本构模型和失效准则,并完成复合材料二维正交切削的动态物理仿真。通过切削力仿真值与实验值的比较,验证了该模型的准确性和有效性。并基于此模型,分析材料的切屑形成机理、切削损伤及加工参数对切削力的影响。结果表明,纤维增强复合材料的切屑形态、损伤模式和切削力具有明显的各向异性。