氧化锌晶须辅助增强复合材料压缩性能

采用万能实验机和分离式Hopkinson压杆装置(SHPB)为加载手段,对5种不同质量分数的ZnO晶须辅助增强玻璃纤维/环氧树脂复合材料层合板厚度和平面内2 个方向的准静态和动态压缩性能进行了实验研究,分别得到了5种材料的压缩应力应变曲线;采用SEM对材料断口进行了宏、细观观察,对其破坏机制进行了初步研究。结果表明：该类材料具有明显的非线性特征的本构关系和应变率强化效应,在厚度和平面内2个方向的压缩破坏也具有完全不同的复杂的破坏机制,同时还发现试样的压缩强度和失效应变与氧化锌晶须的质量分数有关。     

碳纤维/环氧树脂复合材料动态拉伸试验研究与损伤分析

利用MTS试验机和分离式Hopkinson拉杆对2种碳纤维/环氧树脂(T300/epoxy)层合板试件[(45/-45)₄]_S和[(0/45/90/-45)₂]_S进行了准静态(应变率10-5~10-4 s-1)、中速(应变率10-1~101 s-1)和高速(应变率102~104 s-1)冲击拉伸试验。在热力学框架内建立了基于损伤能释放率的弹塑性动力损伤本构模型,用该损伤模型来分析试件的动态拉伸失效过程。模型中提出了3种基本损伤机制(纤维断裂、基体开裂及面内剪切)的演化规律,通过对损伤阈值黏性归一化的方法考虑了应变率对损伤演化的影响。编写了该模型有限元用户材料子程序,并模拟了拉伸试验过程,计算结果表明该模型能够较好地模拟碳纤维/环氧树脂层合板动态拉伸失效过程。     

平纹机织玻璃纤维增强复合材料面内压缩力学行为及破坏机制

为了研究平纹机织玻璃纤维复合材料SW200/LWR-2 的面内压缩力学性能并建立其本构模型, 对其进行了应变率为0. 001 s-1 、0. 1 s-1 、500 s-1 , 温度从- 55 ℃到100 ℃范围内的面内压缩实验研究。动态压缩实验在SHPB 装置上进行, 通过波形整形器实现了恒定应变率加载, 且经过验证试样两端应力平衡。实验结果表明, SW200/ LWR-2 复合材料性能具有明显的应变率敏感性及温度敏感性, 其强度随着应变率的升高而增大, 随着温度的升高而减小。对破坏后试样进行宏观及微观观察发现, 准静态加载时试样为剪切破坏, 伴随大量纤维束内脱粘和纤维拔出; 动态加载时试样为剪切破坏与分层破坏并存, 并出现大量碎屑, 纤维束为整束剪断, 束内脱粘受到抑制。根据损伤力学理论, 建立了SW200/ LWR-2 复合材料应变率及温度相关面内压缩损伤统计本构模型, 本构模型结果与实验结果吻合较好。      

碳/环氧树脂复合材料应变率效应的实验研究

选择两种铺设方式( _S和 _S)的T300/Epoxy(炭纤维/环氧树脂)层合板, 利用MTS试验机以及Hopkinson拉伸杆分别对其进行了准静态拉伸试验(应变率为10-5~10-4 s-1)、 中应变率拉伸试验(应变率为100 ~101s-1)和高速冲击拉伸试验(应变率为102~104s-1)。静态、 动态实验的试件形状及尺寸均相同。获得了不同应变率加载条件下T300/Epoxy的应力-应变曲线。基于所获得的应力-应变曲线, 讨论了应变率对炭纤维增强复合材料力学性能的影响。研究结果表明: 复合材料T300/Epoxy是应变率相关的材料; 层合板的铺设方向对其应变率效应有着显著的影响; 随着应变率的增加, 材料的强度及弹性模量有较大程度的提高, 但破坏应变有所降低。通过对试验结果的数据拟合, 提出了材料应变率相关的动态本构模型。      

湿热环境下Carbon/Epoxy复合材料层合板动态压缩性能

随着纤维增强复合材料的广泛应用, 研究其在湿热环境下的动态力学性能具有重要的理论研究意义与工程应用价值。首先对碳纤维增强环氧树脂基(Carbon/Epoxy)复合材料层合板试件进行了湿热处理, 其后采用分离式霍普金森压杆(SHPB)技术开展了干/湿态试件高应变率压缩实验并对实验结果进行分析。结果表明: 材料脱(吸)湿过程呈现出两段式特点, 存在二次脱(吸)水现象; Carbon/Epoxy复合材料层合板的强度在垂直铺层方向具有显著的应变率敏感性, 随着应变率从1 500 s-1增加至6 000 s-1, 其强度增加近3倍, 与此同时应变率对其弹性模量的影响却非常微弱; 此外, 湿热处理有助于提升该材料的动态力学性能, 经20 d吸湿后材料动态强度有最大12.45%的增幅, 吸湿使得材料动态强度的上升在应变率较低时比较明显。      

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。      

缝合复合材料可用性--环境条件下层合板的冲击后压缩性能

为了解决缝合复合材料在航空航天结构中的应用问题,对国内生产的缝合/树脂膜渗透成型工艺复合材料层合板在三种不同环境条件下的低速冲击后压缩性能进行试验研究.结果表明,缝合改变了含冲击损伤层合板的压缩破坏机理,可以大幅度提高层合板在干态常温下的冲击后剩余压缩强度,但是对湿态高温下层合板的冲击后剩余压缩强度影响不大;缝合方向对冲击损伤面积和剩余压缩强度的影响较小,其中以0°缝合较为有利.     

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。     

基于数字图像相关方法的CFRP层合板高温压缩性能实验研究

高温压缩性能是复合材料结构设计关键的力学参数,但是传统技术手段难以对其进行有效测量.通过搭建基于数字图像相关方法的高温实验系统,开展了复合材料的高温压缩实验,获得了130℃环境下CCF300/5228A碳纤维增强复合材料层合板0°和90°压缩性能、应力-应变曲线以及不同载荷情况下轴向应变分布及演化,并且与室温实验结果进行了对比.进一步通过扫描电镜进行了压缩试样的断口分析,结合实验结果,探讨了高温和铺层形式对压缩性能的影响.最后,通过实验验证了高温实验系统及相应实验方法的可行性和可靠性.结果表明:130℃环境下0°与90°压缩强度保持率分别为70.5％和62.6％,压缩模量保持率分别为88.0％和75.4％,说明由基体控制层合板的强度和模量对高温更敏感.     

基于率相关三维弹塑性损伤模型的复合材料渐进失效分析

建立了一个同时考虑复合材料非线性力学响应、应变率效应和损伤累积导致材料属性退化的弹塑性三维损伤本构模型。采用改进的塑性力学模型表征材料在动态荷载下的非线性力学行为。为准确预测复合材料在动态荷载下的弹塑性力学响应,引入了率相关放大系数对准静态下的塑性强化函数进行修正。采用“断裂带模型”对已开发的本构模型软化段进行规则化,以减轻有限元分析结果的网格敏感性。采用分区反抛物线插值法对基体损伤初始断裂面角度及纤维扭结/劈裂平面角度进行求解。开发包含数值积分算法的用户材料自定义子程序VUMAT,并嵌于有限元程序ABAQUS V6.14中,对力学行为展现显著非线性力学效应和应变率效应的IM7/8552碳纤维/环氧树脂复合材料层合板进行了渐进失效分析,验证本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示,预测结果与已报道的试验结果吻合良好,表明已建立的率相关三维弹塑性损伤本构模型能准确预测此类复合材料层合板的在动态荷载下的力学行为,为复合材料构件及其结构设计提供了一种有效的分析方法。