碳纤维-玻璃纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击性能及其模拟

本文基于实验和数值模拟方法研究了碳纤维-玻璃纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击性能.采用商业有限元软件ABAQUS建立了层间/层内两类混杂复合材料低速冲击模型,采用基于应变形式的Hashin失效准则模拟面内损伤;零厚度Cohesive内聚力单元预测层间分层;编写VUMAT子程序定义渐进失效过程,并结合C扫和Micro...     

玻璃纤维-碳纤维混杂增强PCBT复合材料层合板的制备及低速冲击性能

采用环状对苯二甲酸丁二醇酯(CBT)预浸料,利用真空袋辅助热压工艺制备了玻璃纤维机织布-碳纤维机织布/聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(GF-CF/PCBT)混杂复合材料层合板。利用双悬臂梁(DCB)和三点端部开口弯曲(3ENF)试验对连续纤维增强PCBT复合材料层合板的层间强度做出评估。同时,利用低速冲击试验结合Abaqus/Explicit有限元仿真重点考察了混杂纤维增强PCBT复合材料层合板的低速冲击性能。试验结果表明:尽管CF/PCBT复合材料层合板具有优异的层间性能,当冲击能量为114.3J时,由于CF自身的脆性,CF/PCBT复合材料层合板被完全穿透,而GF-CF/PCBT混杂复合材料层合板只在表面形成凹痕。与纯CF增强PCBT复合材料层合板相比,铺层形式为[CF/GF/CF]25的GF-CF/PCBT混杂复合材料层合板的抗冲击损伤能力提高2倍。仿真得到的云图显示,冲击引起的应力在CF中的分布区域要明显大于在GF中的分布区域。     

半球形头弹不同角度冲击下编织复合材料板的侵彻特性

利用一级气炮发射半球形头弹冲击2 mm厚的编织复合材料层合板,冲击角度为0°、30°和45°,通过高速相机记录弹靶撞击过程并得到弹体速度数据。利用拟合公式处理试验数据,得到不同冲击角度时的弹道极限值,并和理论模型结果进行对比。分析了冲击角度对靶板弹道极限、能量吸收率和失效模式的影响。结果表明：45°斜冲击时的靶板弹道极限最高,正冲击次之,30°斜冲击最低。相同冲击能量时,45°斜冲击的能量吸收率最高,低能量（<80 J）冲击时,30°斜冲击比正冲击能量吸收率高,高能量（>80 J）时,正冲击更高。正冲击时,靶板正面因剪切失效而形成圆形凹坑,背面因纤维拉伸失效形成菱形鼓包,斜冲击形成椭圆形扩孔,且其面积随冲击角度增加而增加。     

碳纤维-玻璃纤维混杂增强环氧树脂三维编织复合材料薄壁圆管压溃吸能特性与损伤机制

基于三维编织成型及真空辅助树脂传递成型技术,制备了编织纱和轴纱不同混杂方式(编织纱/轴纱:碳纤维-碳纤维(CF-CF)、碳纤维-玻璃纤维(CF-GF);玻璃纤维-碳纤维(GF-CF))增强环氧树脂(EP)的三类三维编织复合材料薄壁圆管,通过准静态轴向压溃及详细的破坏断面观察,研究了纤维混杂方式对薄壁圆管的能量吸收性能和破坏模式的影响。研究发现:CF-CF/EP样品的比能量吸收值分别比GF-CF/EP大36%,比CF-GF/EP大12%。编织纱为碳纤维时(CF-CF/EP及CF-GF/EP),圆管的破坏模式均为折叠破坏模式,编织纱采用碳纤维能有效地遏制中央裂纹的轴向扩展,折叠变形的三维结构内部发生了较多细小的微观破坏。而编织纱为玻璃纤维的GF-CF/EP,破坏模式则为开花内外弯曲式,中央裂纹产生,三维结构呈现分层并向圆管内外弯曲。      

铝合金三角形波纹夹芯板抗平头弹冲击的损伤特性研究

为研究铝合金三角形波纹夹芯板受到平头弹冲击后的损伤形式与抗冲击性能,利用一级气炮对铝合金三角形波纹夹芯板的两种冲击位置进行冲击试验。根据试验数据,对比分析三角形波纹夹芯板及等面密度单层板的弹道极限速度与耗能,并结合有限元仿真分析夹芯板的动态损伤过程、动态载荷响应及损伤机理。研究结果表明,三角形波纹夹芯板损伤形式为剪切破坏、撕裂破坏与弯曲变形。波纹板的抗冲击性能低于等面密度的单层板,并且波纹板节点位置的抗冲击性能高于基座位置。当弹体冲击速度较低时,波纹板的耗能低于单层板,随着冲击速度增加,波纹板节点位置的耗能高于单层板,基座位置的耗能与单层板相近。此外,波纹板的动态载荷响应与失效机理均受到冲击位置与弹体冲击速度的影响。     

卵形弹斜冲击作用下平纹织物的动态响应分析

利用LS-DYNA有限元软件模拟了卵形弹倾斜冲击作用下平纹织物的动态响应,分析了织物的变形、纱线断裂以及能量吸收特性,讨论了边界约束条件对织物动态响应的影响。结果表明:在弹体贯穿织物过程中,纱线应变能和摩擦耗散能是弹体动能转变的主要形式。在给定的计算时间内,对于四边无约束、对边(经向和纬向)固定约束和四边固定约束的四种边界条件,两者之和占弹体动能损失量的比例不小于80.5%。模拟结果还表明,边界条件对织物的变形、纱线断裂以及能量吸收特性均有明显影响。边界条件不同,纱线断裂数目不同,弹体动能损失量转变成其它能量的比例也不同,导致织物的能量吸收特性也发生变化。     

碳纤维-玻璃纤维层内混杂单向增强环氧树脂复合材料拉伸性能

采用不同混杂比的碳纤维-玻璃纤维层内经向混编单轴向织物制备了混杂纤维增强环氧树脂复合材料, 研究了不同混杂结构和不同混杂比的碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料拉伸性能的变化及破坏形式。0°拉伸结果表明:同种混杂织物的不同混杂结构中, 碳纤维相对集中的完全对齐结构强度最高, 不同混杂比织物的完全对齐结构强度相当;碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料的模量遵循混合定律。90°拉伸结果表明:纤维与树脂间的界面结合强度为碳纤维/树脂>玻璃纤维/树脂, 碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料的强度、模量与材料厚度方向上界面的不同形式(单一或交替界面、碳纤维或玻璃纤维的分布位置等)有关, 与碳纤维的含量基本无关。      

碳纤维-超高分子量聚乙烯纤维混杂层合板抗低速冲击性能研究

碳纤维复合材料在受到垂直于纤维方向的冲击时,易发生脆性断裂,导致结构完整性受损,进而产生安全隐患。为提升碳纤维层合板在低速冲击后的结构完整性,研究了不同层间混杂比例的碳纤维/超高分子量聚乙烯（CF/UHMWPE）纤维复合材料层合板的低速冲击性能。通过[0°/90°]_n铺层方式制备了4种等厚度、不同混杂比的层合板,并对其低速冲击性能及冲击后的破坏形貌进行了分析。结果表明：随着UHMWPE纤维在层合板中的混杂比例增加,层合板的低速冲击性能呈现出先提升后下降的趋势。当CF/UHMWPE层合板的UHMWPE纤维层间混杂比例达到11%时,层合板在冲击后的结构完整性最佳,冲击性能最优,落锤冲击载荷3197N,吸收能量25.47J,冲击后压缩强度（CAI）达到135MPa。与纯碳纤维层合板相比,其冲击载荷、吸收能量和冲击后压缩强度分别提升了10.6%、15.6%和9.7%。冲击后的破坏形貌表明,在碳纤维层合板的层间适量引入UHMWPE纤维插层,能够有效延缓纤维的脆性断裂,抑制裂纹的生成与扩展,从而显著提升层合板的抗冲击性能和冲击后的结构完整性。     

单向连续碳纤维-玻璃纤维层间混杂增强环氧树脂基复合材料的力学性能

为了研究连续单向纤维的层间混杂方式对复合材料力学性能及破坏方式的影响,采用碳纤维-玻璃纤维体积比为1∶1,以拉-挤成型法制备了具有不同层间混杂结构的连续单向纤维增强环氧树脂基复合材料,并研究了不同层间混杂结构的连续单向碳纤维-玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能及破坏形式。结果表明：具有层间混杂结构的复合材料抗拉强度处于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料之间,复合材料的拉伸断裂方式为劈裂;具有层间混杂结构的复合材料的层间剪切强度均优于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料,复合材料的剪切断裂方式为层间断裂。     

刚性卵形头弹撞击角度对编织复合材料层合板侵彻特性的影响

利用一级气炮发射卵形头弹撞击2 mm厚度的编织复合材料层合板,撞击角度分别为0°、30°和45°,通过高速相机记录弹靶撞击过程,并获得弹体速度数据。基于拟合公式处理试验数据,计算获取弹道极限,分析撞击角度对弹道极限、靶板能量吸收率及其失效模式的影响规律及机制。结果表明：弹体撞击角度为45°时,靶板弹道极限最高,其次为0°,撞击角度为30°时最小。随着冲击角度增加,层合板损伤形状从菱形逐渐转变为椭球形,损伤面积随冲击速度增加而增大,且45°冲击时层合板损伤面积最大,0°和30°冲击时损伤面积近似相等。弹体初始撞击角度对靶体失效模式存在影响,弹体撞击角度为0°时,纤维断口主要是剪切应力导致的横截面。撞击角度为30°时,纤维断口主要是剪切应力和拉伸应力导致的斜截面。45°斜撞击时,纤维断口主要是拉伸应力导致的横截面。