平面编织复合材料层压板低速冲击后的压缩失效

采用超声C扫描检测、断口分析、有限元分析等方法研究低速冲击损伤对G803/5224与G827/5224两种平面编织复合材料层压板失效行为的影响。结果表明,低速冲击后压缩载荷作用下,G803/5224层压板最终为剪切分层失效,G827/5224层压板最终为剪切屈曲失效,两种层压板低速冲击后压缩的失效模式与未受损伤层压板基本相同。建立了平面编织复合材料层压板的损伤扩展与失效模型,该模型的计算结果与试验结果吻合较好,可用于平面编织复合材料层压板的失效仿真。     

三维正交机织复合材料厚向压缩性能试验研究

采用方柱形试样对UHMWPE/乙烯基酯三维正交机织复合材料进行了压缩试验。研究了该类材料的厚向压缩强度和压缩模量与z向增强纤维细度的关系,并讨论了材料的压缩破坏失效模式。结果表明:z向增强纤维细度的增加导致材料厚向压缩性能的下降。降低z向增强纤维束的细度,有利于提高材料厚向抗压性能。三维正交机织复合材料的压缩破坏具有塑性特征。三维正交机织复合材料主要的破坏模式是z向纤维在试样表面的应力集中、纤维束的剥离和剪切破坏。     

树脂含量及分布对三维中空复合材料性能的影响

三维中空复合材料是一种新型的结构、功能材料,具有优异的可设计性。研究了树脂含量及分布对三维中空复合材料性能的影响,重点分析了树脂分布引起的复合材料各向异性。结果表明:随树脂含量增加,复合材料下面层与上面层质量比、平压强度和弯曲强度明显增加;树脂质量含量从42.87%增加至51.19%、57.40%和66.92%时,其平压强度分别增加65%、352%和568%;随复合材料下面层与上面层质量比增加,其反向弯曲强度提高幅度更大,树脂质量含量为66.92%的三维中空复合材料反向弯曲强度(39.21MPa)为正向弯曲强度(16.67MPa)的2.35倍。研究结果为该材料的结构优化设计奠定了基础。     

Prediction of Impact-Induced Fibre Damage in Circular Composite Plates

A simple analytical impact damage model for preliminary design analysis is developed on the basis of experimental findings observed from quasi-static lateral load and low velocity impact tests. The analytical model uses a non-linear approximation method (Rayleigh–Ritz) and the large deflection plate theory to predict the number of failed plies and damage area in a quasi-isotropic composite circular plate (axisymmetric problem) due to a point load at its centre. It is assumed that the deformation due to a static transverse load is similar to that occurred in a low velocity impact. It is found that the model, despite its simplicity, is in good agreement with finite element (FE) predictions and experimental data for the deflection of the composite plate and gives a good estimate of the number of failed plies due to fibre breakage. The predicted damage zone could be used with a fracture model developed by the second investigator to estimate the compression after impact strength of such laminates. This approach could save significant running time when compared to FE numerical solutions. Corresponding author.     

三维机织陶瓷基复合材料的面内剪切性能及损伤研究

采用IOSIPESCU纯剪切试件, 考虑纤维的编织结构和失效机理, 研究了三维机织碳/碳化硅(C/SiC)复合材料在面内剪切载荷作用下的力学性能和损伤过程. 材料具有明显的非线性应力-应变行为和残余变形等特性. 材料主要的损伤机制为基体微裂纹开裂, 界面脱粘和纤维断裂, 其中界面裂纹是材料应力-应变等力学行为的主要影响因素. 基于连续介质损伤力学分析方法, 提出了简单的损伤演化模型并对损伤演化过程进行了描述.     

碳纤维预成型立体积物纤维表面处理及效果评价

对三维正交纺织碳预成型物中的纤维表面进行了空气等离子体处理研究,采用微脱粘技术评价了其复合材料的界面结合性能。结果表明,处理后复合材料的界面结合性能有较大幅度的提高,并且织物层区域纤维表面与织物内部区域纤维表面改性效果基本等同。同时,分析了等离子体处理时碳纤维单丝本体强度的影响。     

三维机织夹芯复合材料的制备与压缩性能研究

以玻璃纤维为原料,采用2个系统经纱(一个为上下表层经纱,另一个为夹芯层经纱)、1个系统纬纱,在SU111型全自动剑杆织机上制织经向截面为“口”字形的新型三维夹芯织物.以环氧树脂E-44与9055型固化剂为基体体系,采用手糊成型工艺将上述机织物复合制成三维机织夹芯复合材料.研究三维机织夹芯复合材料的压缩性能,分析材料结构与压缩性能之间的关系,并与“8”字形中空复合材料进行比较.结果表明,芯材间距为5mm的“8”字形中空复合材料的压缩强度高于芯材间距为25 mm的三维机织夹芯复合材料,但是后者的弹性模量高于前者.实验结果对该类结构材料的优化设计与力学性能研究具有极其重要的指导价值.     

三维正交机织复合材料的动态压缩性能

本文作者利用分离式Hopkinson压杆装置对玻璃纤维三维正交机织复合材料进行了高应变率下面外、面内方向的压缩试验,并在万能试验机下进行了相应的准静态压缩。获得3 个高应变率及准静态下的应力-应变曲线,观察了试样的破坏形貌。结果表明：玻纤三维正交机织复合材料是应变率敏感材料,最大应力、压缩模量随着应变率的增大而增大。三维正交结构使复合材料体现出各向异性：面外的最大应力、失效应变比面内大;面内的压缩模量大于面外,且压缩模量对于应变率的变化比面外方向敏感;经纬向相比,纬向的最大应力大于经向。     

基于径向基函数神经网络的编织复合材料结构脱层损伤监测研究

鉴于传统的BP网络的速度慢和局部极小值问题，以及针对基于实验数据训练神经网络存在样本不足的缺陷，文中提出了利用径向基函数（Radial Base Function，简记为RBF）神经网络通过有限元方法对含有脱层损伤的复合材料试件进行数值模拟，把前五阶弯曲模态频率进行修正，以修正后的前五阶弯曲模态频率再经过归一化处理构建训练样本的新思路，将实验模态分析结果经归一化处理后送入训练好的RBF神经网络进行预测，从而实现对编制复合材料梁的脱层损伤定位和损伤程度评估。最后给出了编织复合材料结构损伤大小伤识别及定位的算例，仿真结果表明RBF神经网络速度快，稳定性好，精度高，在复合材料结构损伤监测中具有光明的应用前景和重要的工程应用价值。     

Characterization of Nonlinear Behavior in Woven Composite Laminates

Nonlinear stress–strain behavior in woven glass/epoxy laminates under off-axis tension has been investigated experimentally. The validity of an orthotropic plasticity model of such behavior, with three parameters, is discussed. The parameters have been determined from the experimental results. An attempt is also made to describe the nonlinear behavior of the woven composite as a cross-ply laminate using assumed unidirectional composite properties. The nonlinear behavior of the unidirectional laminate is assumed to be described by the one-parameter plasticity model. It is shown that there is a possibility that the one-parameter plasticity model can be used to predict the nonlinear behavior of woven composites.     

三维正交机织复合材料的单胞模型及应用

根据三维正交机织复合材料的结构特点,在假设纤维束横截面为矩形的基础上建立一种单胞模型,该模型由3组互相正交的纤维与基体组成。首先利用这一模型,推导出纤维体积分数与纤维粗度、机织密度等织物参数的关系式,通过测量单胞单元的单层厚度得到纤维体积分数,计算值和实验值较为吻合。然后在假定纤维和基体均为线弹性材料的基础上,利用材料力学方法推导出了3 个正交方向的杨氏模量表达式,该表达式简单明了,给出了三维正交机织复合材料杨氏模量与纤维和基体的杨氏模量以及纤维体积分数间的关系,算例的计算结果与实验值有良好的一致性,这说明所建立的单胞模型具有合理性。     

三维编织玻璃/环氧复合材料梁的低速冲击和冲击后压缩性能研究

试验制备了三维编织四向结构、五向结构和六向结构的玻璃纤维预制件增强环氧树脂梁的复合材料试样,每种试样包含20°、30°和40°三个编织角度.研究了编织结构和编织角参数对复合材料低速冲击及冲击后压缩性能的影响,分析了损伤后的试样形貌及破坏情况.试验结果表明:编织参数对复合材料的损伤容限影响较显著;编织角相同时,五向结构具有较高的CAI强度,而六向结构则表现出较好的冲击韧性;编织结构相同时,30°编织角试样的抗冲击性能较好;同时,冲击后压缩试样表现出脆性断裂特征.     

三维机织复合材料预制体经密与弯曲性能的有限元分析

借助绘图软件PRO/E构建出不同经密的三维浅交弯联机织复合材料结构模型。使用有限元分析软件ANSYS对构建出的复合材料三维模型在位移为1mm的弯曲载荷作用下复合材料的弯曲力学性能进行模拟,并分别对纤维、树脂的应力、应变分布进行模拟,分析其弯曲破坏机理。并通过定性实验,得到了与模拟结果相同的结论,验证了模拟结果的准确性。结果表明:在1mm的弯曲载荷作用下经密为4根/cm的复合材料弯曲性能优于经密为3根/cm的复合材料;复合材料与弯曲试样接触的位置更容易发生破坏;该复合材料模型在1mm的弯曲载荷作用下破坏模式主要为树脂的破碎、纤维与树脂间的脱粘。     

2.5D机织复合材料冲击后剩余强度研究

本文主要对2.5D机织复合材料冲击后的剩余拉伸强度进行研究。采用落锤法预制冲击损伤,并进行剩余拉伸试验。用了基于层合板理论的软化夹杂法对冲击后试样进行刚度衰减的模拟,用有限元软件根据点应力破坏准则计算得到剩余强度,并与剩余拉伸试验结果进行比较,验证了模型的有效性。为便于对比,对平面机织斜纹布铺设的层合板进行了同种计算和实验,得到了在相同冲击能量下2.5D机织复合材料剩余拉伸强度衰减比例小于层合材料的结论,证明2.5D机织复合材料由于Z方向经纱的存在因而具有良好的抗冲击性。     

2.5维机织复合材料强度准则

2.5维机织复合材料已有较为广泛的应用,目前对该类复合材料强度理论的研究还相对较少。根据2.5维机织复合材料拉伸破坏的细观机理,基于单向复合材料的三维Hoffman准则,建立了2.5维机织结构复合材料拉伸破坏准则,通过对2.5维机织复合材料3种结构24个试件进行拉伸试验,与计算预测结果的对比表明了本文建立的强度准则的合理性。研究表明,纤维拉伸断裂是2.5维机织复合材料拉伸破坏的主要原因;相比基于最大应力准则、Hashin准则建立的强度准则,基于Hoffman准则建立的强度准则综合考虑了纤维在外载荷作用下各应力分量对纤维断裂破坏的影响,其预测结果与实际试验结果更为接近;在其他条件不变情况下,随纱线取向角增大,纱线拉伸断裂应力呈非线性降低。随纱线纤维体积含量增加,纱线拉伸断裂应力成线性增加。     

Impact of a 3D Woven Textile Composite Thin Panel: Damage and Failure Modeling

An orthotropic elastic resultant shell constitutive model is presented. The constitutive model includes a Tsai-Wu failure criterion to indicate the onset of material failure, and an isotropic scalar damage formulation is incorporated to describe the postfailure material reponse. The model has been implemented in the explicit finite-element code DYNA3D. The model was used to simulate the response of a flat-panel impact test with severe damage. Comparisons with a representative sample from the experimental results, including details of one strain history, are presented. While not addressing the many material complexities of 3D woven textile composites, the resulting engineering tool appears to be useful for assessing the response of thin textile composite structures subjected to damaging impacts.     

玻/涤混杂3D机织复合材料拉伸性能的研究

混杂纤维增强复合材料是一种新型的复合材料.本文探索了混杂纤维复合材料体积含量的计算方法,通过改变混杂比设计了四种线型并对复合材料拉伸性能进行研究,观察断口形貌,分析其断裂机理.结果表明:混杂纤维增强复合材料拉伸断裂过程与纤维各组分的强度、伸长以及树脂材料性质关系密切.随着涤纶含量的增加,混杂纱线密度逐渐减小,而板材的断裂伸长率逐渐增加.试样抗拉强度与涤纶百分含量呈二次方关系,涤纶含量为60.682%时复合材料抗拉强度达到最小值,材料发生二次断裂.     

三维浅交弯联机织复合材料拉伸性能的有限元分析

本文通过绘图软件PRO/E5.0构建了用于拉伸性能研究的三层浅交弯联机织复合材料的数字化结构模型。借助大型有限元分析软件ANSYS Workbench对复合材料在1mm的拉伸变形下复合材料、纤维增强体及树脂基体的拉伸应力、应变分布情况进行模拟、计算,并对1mm拉伸位移下复合材料的破坏行为和破坏机理进行分析。结果表明:复合材料承受拉伸载荷时,纤维增强体起主要承载作用,树脂基体起次要承载作用;平行于拉伸方向的纬纱比垂直于拉伸方向的经纱承受更大的载荷作用;1mm拉伸位移下,复合材料破坏行为主要为纤维拉伸变形、纤维与树脂间脱粘及树脂的破碎。     

Finite Element Computation of Woven Ply Laminated Composite Structures up to Rupture

For unidirectional ply laminates, the great diversity of the damage mechanisms and their patterns of evolution make it extremely difficult to estimate the strength margins. In the case of woven ply laminates, the number of damage mechanisms is fairly small (no transverse rupture occurs and the material has a greater resistance to delamination) and the behaviour of the material is fairly simple to model up to rupture. In this study, a numerical model for woven ply laminated composite structures up to rupture is developed. The implementation is performed in a Euler Backward scheme and the consistent tangent stiffness matrix is calculated. Comparison with some experiments on structures are made and the model predicts these experiments well.     

三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料高温老化后低速冲击性质

研究了三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料在180℃高温环境下老化不同时间后的低速冲击力学性能,测试得到了不同老化时间的试样在低速冲击过程中的载荷-位移曲线。研究发现:随着老化时间增加,三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料能承受的最大载荷下降,位移逐渐增加,载荷-位移曲线斜率逐渐下降;随着冲击能量增加,老化条件相同的三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料试样最大承受载荷增大,位移和曲线斜率增加。对高温老化后三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料试样进行SEM观察,发现纤维与树脂基体脱粘有裂纹产生,且裂纹数目和面积随着老化时间延长而增加。