铺层顺序对复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性的影响研究

采用仿真和试验相结合的方法探讨复合材料薄壁圆管在准静态轴向压缩载荷下的失效吸能特性和吸能机理。首先,建立复合材料薄壁圆管"层合壳"有限元模型,通过显式动力学方法求解其在准静态轴向载荷下的压溃失效力学行为。仿真与试验结果在圆管轴向压溃变形过程、初始峰值载荷、平均压溃载荷及比吸能等主要吸能参数上具有很好的一致性,验证了"层合壳"复合材料圆管有限元模型和建模方法的有效性。其次,采用解析模型与仿真分析方法分别对[0/90]_3s、[0/90/0₂/90₂]_s、[0₃/90₃]_s三种不同铺层顺序的复合材料圆管的屈曲载荷与吸能特性进行了对比,进一步分析了铺层顺序对圆管失效吸能特性的影响。研究表明,0°与90°铺层交替程度对复合材料圆管的吸能特性影响较大,保证纤维失效方式在结构宏观失效中占主导地位能够提高材料失效吸收能量。     

CFRP薄壁C型柱轴向压缩破坏机制及吸能特性

为研究碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）薄壁C型柱轴向压缩破坏机制及吸能特性,制备了4种铺层方式、3种厚度组合共12种T700/MTM28 CFRP薄壁C型柱试件。考察C型柱低速轴向压缩过程中的失效模式及载荷变化,通过比较初始峰值载荷、平均压缩载荷、比吸能和载荷效率,分析铺层数及铺层角度对C型柱失效模式及吸能特性的影响。结果表明,纯0°铺层C型柱在轴压载荷作用下发生整体失稳,不具备实际意义上的能量吸收作用;0°/90°铺层、±45°铺层、45°/90°/-45°/0°铺层试件均发生了渐进式破坏,呈现出局部屈曲叠缩的失效模式。其中,45°/90°/-45°/0°铺层的C型柱比吸能随铺层数的增加而增加,具有更大的吸能设计与应用潜力。     

铺层方式对CFRP-铝合金单搭接胶接接头低速冲击损伤及剩余拉伸性能的影响

采用热压罐成型方法制备铺层方式为[+45/-45]_4s、[0/+45/-45/90]_2s和[0/90]_4s的碳纤维复合材料层合板,通过胶黏剂与铝合金板进行粘接获得异质材料单搭接胶接接头。利用落锤冲击试验机和万能电子试验机分别对三种接头进行低速冲击与冲击后静态拉伸测试,获得接头接触力-时间曲线和拉伸强度。通过CT扫描技术和数字图像相关(DIC)方法表征接头冲击损伤模式及表面应变演化过程,研究了铺层方式对接头抗冲击性能、冲击损伤模式以及剩余拉伸性能的影响。结果表明,复合材料铺层方式为[+45/-45]_4s时,接头在冲击载荷作用下具有较高的抗冲击性能,但胶层界面脱粘损伤较为严重。与胶层界面脱粘相比,接头剩余强度对层合板分层损伤更为敏感。相较于[+45/-45]_4s,[0/+45/-45/90]_2s和[0/90]_4s铺层方式接头的胶层界面脱粘范围与冲击后失效载荷退化程度较小,同时接头冲击后拉伸载荷主要集中于临近胶层的0°铺层且失效模式较为复杂...     

铺层方式对CFRP-Al单搭接接头胶接性能的影响

使用热压罐制备[45/-45]_4s、[0/90]_4s和[0/45/-45/90]_2s三种铺层方式的CFRP层合板,然后在室温下与Al胶接制备出单搭接试样。使用电子万能试验机、数字图像相关法(DIC)和扫描电子显微镜(SEM)等手段测量胶接接头的拉伸载荷-位移曲线和应变分布并观察断口形貌。基于试验数据分析不同铺层方式下CFRP-Al单搭接接头的拉伸性能,研究了铺层方式对CFRP-Al单搭接接头胶接性能的影响和铺层方式胶接接头的破坏机制。结果表明,在拉伸过程中[45/-45]_4s试样出现塑性变形阶段其拉伸位移最大,而[0/45/-45/90]_2s和[0/90]_4s试样的拉伸位移较小且发生了脆性断裂。铺层方式从[45/-45]_4s到[0/45/-45/90]_2s再到[0/90]_4s,试样的极限载荷和纤维束断裂数量增加、层间剪切力减小、应变集中程度和分层破坏程度降低。     

复合材料波纹板准静态轴压性能试验及数值模拟

以[+45/-45]_(4s)和[0/+45/-45/0]_(2s)碳纤维增强复合材料波纹板为研究对象,通过准静态轴压试验获得其失效形貌及载荷-位移曲线;通过CT扫描分析其破坏机理,基于吸能特性评价指标进一步研究其吸能特性。针对[0/+45/-45/0]_(2s)波纹板,建立考虑层间模型的多层壳模型进行轴压仿真,通过对比失效形貌、载荷-位移曲线及吸能特性评价指标来验证有限元模型。试验结果表明:[+45/-45]_(4s)波纹板出现整体失稳现象,材料利用率较低导致其吸能特性较差,且试验获得的比吸能的离散系数大于15%,试验重复性较差。[0/+45/-45/0]_(2s)波纹板为典型的层束张开失效模式,材料利用率较高导致其吸能特性较好,吸能特性评价指标的离散系数均小于15%,具有良好的轴压稳定性与可重复性。在±45°纤维铺层中增加0°纤维铺层,可改变其轴压失效模式,并显著提升其轴压吸能特性。仿真结果表明:多层壳模型能较好地复现[0/+45/-45/0]_(2s)波纹板轴压过程及层束张开失效模式;同时仿真获得的比吸能比试验均值高2.27%,能较好地复现[0/+45/-45/0]_(2s)波纹板轴压吸能特性,从而验证了多层壳模型。     

碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料MT300/KH420高温力学性能(I)——拉伸和层间剪切性能

研究了碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料MT300/KH420的高温力学性能, 重点揭示了MT300/KH420的[0°]₇、[0°]₁₄ 和[±45°/0°/90°/+45°/0°₂]_s层合板在常温~500 ℃的拉伸和层间剪切性能的变化规律。结果表明:在350 ℃以内,[0°]₇层合板拉伸强度随温度升高有所提高, 拉伸模量几乎不变, 在420 ℃时拉伸强度和模量均出现明显下降, 在500 ℃时分别保持在65%和83%以上, 表现出优异的高温拉伸性能。MT300/KH420的[0°]₁₄层合板层间剪切强度在常温~420 ℃随温度升高不断降低至52.8%, 在高温下呈现出黏弹效应, 且在420 ℃时最为明显。相比于单向层合板, [±45°/0°/90°/+45°/0°₂]_s多向层合板高温力学性能较为稳定, 且由纤维控制的纵向试件力学性能受温度影响较小。      

基于断裂韧性预报复合材料层合板的开孔拉伸强度

开孔层合板的强度预报往往取决于孔边的临界长度,它不仅与材料性能,而且与铺层、孔径都有关。本文基于线弹性断裂力学,提出了一种预报对称铺层层合板开孔拉伸强度的新方法,只需提供正交层合板的断裂韧性和无缺口层合板的拉伸强度,显著降低对实验数据的依赖性。首先,将临界长度表作为层合板断裂韧性和无缺口拉伸强度的函数,再通过正交层合板[90/0]_8s的紧凑拉伸试验和虚拟裂纹闭合技术,确定出0°层断裂韧性,进而计算得到任意对称铺层层合板的断裂韧性。本文测试了T300/7901层合板[0/±45/90]_2s和[0/±30/±60/90]_s的开孔拉伸强度,孔径分别为3 mm、6 mm和9 mm。理论预报结果与试验值吻合较好,最大误差为15.2%,满足工程应用需求。      

准各向同性纤维增强复合材料层合板的开孔拉伸破坏模拟

建立了一种新的有限元三维模型,对准各向同性纤维增强复合材料层合板[45/0/-45/90]_s和[45/-45/90/0]_s进行了开孔拉伸的破坏模拟。每一层均采用三维实体单元(ABAQUS中的C3D8R单元),由于基体比纤维强度低,在很低的拉伸载荷下,圆孔周围基体受到剪切力会出现沿纤维方向的纵向劈裂或基体开裂,从而钝化圆孔,大大减小应力集中,提高材料承载能力。为了准确模拟层合板的破坏,在每层圆孔周围(90°层除外)沿纤维方向引入2组基于表面的内聚力接触来模拟层内纵向劈裂,同时用这种接触来模拟层间的分层特性。为了提高计算效率并且保证计算精度,在圆孔周围采用精细的网格,其余地方采用相对稀疏的网格。在内聚区保证足够的单元个数,这样既能准确刻画内聚区应力分布,又能缓解网格依赖性。与文献中实验结果的对照显示,取得了较好的一致性。      

复合材料层合结构破坏机理及压溃吸能特性分析

针对纤维增强复合材料层合试验样件,对[90]_(16)和[0]_(16)试验样件分别进行拉伸、压缩试验,对[±45]_(4s)试验样件进行剪切试验,分析其破坏模式,通过SEM扫描电镜观察试验样件断口微观形貌,揭示其细观破坏机理。针对纤维增强复合材料层合薄壁结构,对[±45/0/0/90/0]_s圆管、[0/90]_(3s)圆管、[0/90]_(3s)方管和[±45]_(3s)方管进行准静态轴向压溃试验,分析其宏观破坏模式及吸能特性。结果表明:宏观破坏模式是多种细观破坏机理共同作用的结果,包含纤维断裂、基体变形与开裂、层间与层内裂纹扩展等;[±45/0/0/90/0]s圆管为横向剪切破坏模式,比吸能最大;[0/90]_(3s)圆管为层束弯曲失效模式,比吸能次之;[0/90]_(3s)方管为层束弯曲失效模式,比吸能第三大;[±45]_(3s)方管为局部屈曲失效模式,比吸能最小。不同铺层方式复合材料层合薄壁圆管和方管压溃破坏失效模式差异较大,比吸能差距也较大,通过合理设计可以改变复合材料层合薄壁结构破坏模式,改进其吸能特性。     

玻璃纤维/环氧树脂复合材料叠层板冲击损伤特性的若干实验研究

用落重法对玻璃纤维/环氧树脂[0₂/90₂/+45₂/-45₂]_s叠层板作低速冲击试验。检测复合材料内部损伤特性时,探索出一种价廉易得的元素造影液──乙酸锰/丙酮溶液代替昂贵的氯化金/乙醚溶液,可获得满意的效果。用热解剥层技术揭示了复合材料冲击损伤区的形貌特征,并研究了冲击能量与分层损伤实际面积之间的关系,发现起始层间开裂有一冲击能量门槛值,层间分层损伤面积与冲击能量呈线性关系。用扫描电镜观察冲击损伤区的微观形态,发现平行于纤维方向的开裂是基体受拉开裂、层间分层是剪切开裂。      

复合材料开孔层板压缩渐进损伤试验

为研究碳纤维增强树脂基复合材料开孔层板在压缩加载过程中的损伤起始、演化方式和损伤特点,采用微距拍摄、逐级加载超声C扫描、X光扫描和扫描电子显微镜观测4种观测手段对国产CCF300/5228A[45/0/-45/90]4s、[452/02/-452/902]2s、[454/04/-454/904]s3种铺层方式的开孔层板进行了压缩试验研究。对压缩载荷作用下开孔层板的损伤起始和损伤演化进行了观察和对比。对试验中观测到的纤维微屈曲、纤维挤出、孔边开裂和分层扩展等现象之间的关系进行了分析和说明。试验结果表明:压缩载荷下45°和90°铺层相邻位置为层板易分层位置,含45°和90°铺层相邻位置的开孔层板渐进损伤过程较为明显:开孔层板在压缩载荷下较早出现损伤,损伤的起始和演化缓解了孔边应力集中,促使压缩应变能在孔边逐步释放,推迟开孔层板压缩破坏的发生,提高层板压缩承载能力。研究结果可为材料结构损伤容限设计提供依据。     

Effects of temperature on impact damages in CFRP composite laminates

In this paper, the effect of temperature variations (low and high temperatures) was studied experimentally on impact damage to CFRP laminates. The composite laminates used in this experiment were CF/EPOXY orthotropic laminated plates with lay-up [0₆/90₆]_s and [0₄/90₄]_s, and CF/PEEK orthotropic laminated plates with a lay-up of [0₆/90₆]_s. A steel ball launched by the air gun was used to generate the CFRP laminate impact damage. For impact-damaged specimens, nondestructive evaluation (NDE), such as a scanning acoustic microscopy (SAM) was performed on the delamination-damaged samples to characterize damage growth at different temperatures.

Therefore, this study was undertaken to experimentally determine the interrelations between impact energy and impact damage (i.e. the delamination area and matrix) of CFRP laminates (CF/EPOXY and CF/PEEK) subjected to foreign object damages (FOD) at low and high temperatures.     

聚酰亚胺树脂基MT300/KH420复合材料高温力学性能(Ⅱ)——弯曲性能

从宏、微观的角度研究了碳纤维增强聚酰亚胺树脂基MT300/KH420复合材料的高温力学性能,重点揭示了MT300/KH420复合材料[0°]14和[±45°/0°/90°/+45°/0°2]s层合板在常温~500℃的弯曲性能变化规律。研究表明:MT300/KH420复合材料高温力学性能优异,[0°]14层合板在420℃的弯曲强度保持在51%以上,弯曲模量在500℃以内变化很小。[0°]14层合板在常温下断口粗糙,且贯穿厚度,表现为脆性破坏;随温度升高,树脂流动性增强,呈现出黏弹效应,破坏逐渐集中在加载点处,在500℃,部分树脂热解,纤维束脱离基体并氧化。[±45°/0°/90°/+45°/0°2]s层合板高温弯曲性能较为稳定,主要破坏为上、下表面沿45°方向开裂,并伴有层间分离,在500℃出现严重分层破坏;相比于受基体控制的层合板弯曲性能,温度对受纤维控制的层合板弯曲性能影响较小。     

Fatigue damage mechanics of composite materials Part III: Prediction of post-fatigue strength

A damage-based model for post-fatigue notch strength is presented. The model is an extension of a method developed previously to predict the notch strength of laminated composites. A simple finite element representation of the notch tip damage zone is used to obtain the localized damage-modified stress distribution. A uniaxial tensile stress failure criterion is applied to the 0° plies from which the laminate strength is evaluated. In conjunction with the fatigue damage growth law described in Part II, residual strength is calculated as a function of the applied loading conditions, specimen geometry and lay-up for (90/0)_s, (90/0)_2s and (90₂/0₂)_s T300/914C carbon-fibre/epoxy laminates subjected to tension-tension fatigue cycling.     

Nonlinear analysis of interlaminar stress in graphite/epoxy laminates with and without delamination cracks

A quasi three-dimensional yield function, which is quadratic in stresses except for σ₁₁, is proposed for graphite/epoxy composites. The elastic-plastic interlaminar stress response near a free edge in the [90/0]_s, [0/90]_s, and [45/−45]_s laminates with and without delamination cracks was investigated using the pseudo three-dimensional finite element technique. The plasticity model was evaluated by comparison with off-axis experimental data. Since shear response is the key element for nonlinear stress-strain behavior of graphite/epoxy composites, the plasticity theory predicts interlaminar stresses in the [45/−45]_s laminate significantly different from linear elasticity. Moreover, the existence of a delamination crack caused more plasticity effects on interlaminar stresses.     

基于应变能耗散的复合材料层合板面内缺口强度分析CDM模型

基于伴随能量释放的渐进损伤演化思想,建立了复合材料层合板面内失效分析的连续介质损伤力学（CDM）分析模型,该模型包含损伤表征、损伤起始判定和损伤演化法则3个方面。基于CDM模型,通过引入损伤状态变量表征损伤,建立了平面应力状态下的材料损伤本构模型。采用损伤参量 f_E改写Hashin准则,以判定损伤的起始。损伤演化由特征长度内的应变能释放密度控制,建立了损伤状态变量关于等效应变的渐进损伤演化法则。模型中还同时考虑了面内剪切非线性和网格敏感性,并进行了对比分析。对含缺口的[90/0/±45]_3s和[（±θ）₄]_s 2类典型复合材料层合板的面内拉伸失效进行了分析,结果表明,本文中的模型能有效预测复合材料层合板的面内拉伸强度。     

Matrix cracking behavior of K3B/IM7 composite laminates subject to static and fatigue loading

The matrix cracking behavior of a new high-performance thermoplastic composite material, K3B/IM7, was systematically investigated. Laminates in various grouped thickness and ply stacking sequences, [0₂/90₂/0₂], [0₂/90₄/0₂], and a quasi-isotropic laminate [+45/0/−45/90]_s were tested under static and tension–tension fatigue loading. Depending on the stacking sequence of the laminates and the type of loading, various matrix cracking behavior were found. Under static loading, the matrix cracks were mainly close to the specimen edges. A few cracks were found to penetrate the specimen width, even when the load was large enough to break the specimen. However, under fatigue cyclic load, the edge initiated cracks propagated fully across the specimen width. Combined with the fatigue Paris Rule and considering the ply thickness and stacking sequence, the energy release rate method was applied to predict the relations between the loading strain amplitude and fatigue cycles for matrix cracking failure.