湿热环境对复合材料正交板静拉伸性能的影响

对CCF300/BA9916复合材料正交板进行吸湿-脱湿实验,测定其在干态、湿态和脱湿条件下的静拉伸性能,研究了湿热环境下该材料的吸湿和脱湿行为。结果表明:在70℃水浸条件下CCF300/BA9916复合材料的吸湿过程与脱湿过程均符合Fick第二定律,试验件约在35 d后达到有效吸湿平衡状态,有效吸湿平衡率为0.85%;吸湿导致复合材料试验件的静拉伸性能下降了10.3%,而脱湿处理可使静拉伸性能得到一定程度的恢复。     

湿热环境下复合材料含孔层合板静力拉伸性能及工程估算模型

湿热环境下的复合材料结构件力学性能预测对其工程应用具有重要意义。文中针对复合材料层合板静力拉伸性能和强度预测问题,开展6种湿热环境下复合材料含孔层合板的静力拉伸试验,分析其结构失效响应及损伤表征。基于应力场强法建立湿热环境下复合材料含孔层合板工程估算模型,与有限元渐进损伤模型和试验结果进行对比,分析了湿热环境对含孔层合板力学性能和拉伸失效的影响。结果表明,工程估算模型预测结果与有限元及试验结果误差范围较小,可用于预测温度和吸湿率对含孔层合板拉伸失效强度的影响;相比于室温干态,75℃吸湿饱和态下试件拉伸失效强度下降了6.1%;25℃干态和75℃吸湿饱和态下含孔层合板0°铺层出现最为严重的纤维拉伸失效,90°铺层出现最为严重的基体拉伸失效,纤维拉伸失效和基体拉伸失效为层合板主要破坏模式;通过扫描电镜对75℃吸湿饱和态下层合板厚度方向微观形貌进行分析,发现试件0°方向纤维与树脂的脱粘程度加重且出现明显的裂痕,90°方向纤维分布较为齐整,但黏附的树脂较少。     

不同湿热条件下碳纤维/QY9611复合材料湿热性能研究

研究国产碳纤维/QY9611复合材料在3种不同湿热环境(水煮、70℃水浸、70℃下85%相对湿度)下的吸湿规律;考察不同湿热条件对复合材料层间剪切性能的影响规律;在3种不同湿热环境下对复合材料进行定量吸湿,并测试定量吸湿下复合材料常温的层间剪切性能。结果表明:湿热环境越恶劣,平衡吸湿量越大,吸湿速率越快;3种湿热环境的吸湿过程中材料并没有发生化学变化;碳纤维/QY9611复合材料在湿态23℃和150℃层间剪切性能保持率分别在88%和70%以上;碳纤维/QY9611复合材料吸湿后层间剪切性能主要由吸湿率决定,不同湿热条件相同吸湿率下层间剪切性能的下降幅度基本相同。     

激光选区熔化成形铝合金板与CFRP复合材料层合板螺栓连接结构失效分析方法评估

对激光选区熔化成形(SLM)铝合金板与碳纤维增强树脂基(CFRP)复合材料层合板两列四排沉头螺栓单剪连接件在拉伸载荷作用下进行了数值分析和试验研究。基于渐进损伤法的三维有限元模型准确地预测了连接件材料损伤萌生和演变,对比试验和三维有限元所得钉载比例、极限载荷及失效模式,可以发现,通过拟合SLM铝合金板断裂应变和应力三轴度曲线,编写UMAT子程序引入韧性准则和Hashin失效准则的三维有限元模型预测的连接件失效载荷与试验值误差仅为1.9%,且失效模式均为净截面拉断,两者吻合,此方法可以满足工程精度要求。利用经过验证的数值模型,分别预测了SLM铝合金板和CFRP层合板损伤演变过程,并分析了SLM铝合金板刚度对连接结构失效模式的影响,当SLM铝合金板厚度增大到4mm时,连接结构失效模式由SLM铝合金板净截面拉断转移到CFRP层合板上。     

湿热、紫外环境对T300/QY8911复合材料孔板静力性能的影响

采用试验方法研究了湿热、紫外环境对T300 碳纤维/QY8911双马树脂复合材料静力拉伸和压缩性能的影响。针对 T300/QY8911复合材料层板的中心开孔试件,进行了常温干态、湿热环境、紫外辐射以及湿热和紫外共同作用下的静力拉伸和压缩试验。吸湿试验的结果表明,T300/QY8911复合材料试件的平衡吸湿率在0.6%左右。静力试验的结果表明：孔板的拉伸强度受到环境的影响较小;湿热会降低由基体性能主导的压缩强度、刚度等复合材料性能,吸湿后75℃ 和105℃ 环境下试验件压缩强度分别下降6.8%和20.3%;而紫外使复合材料孔板的压缩强度有所升高,300 MJ/m2 以上的紫外辐射量使试验件的压缩强度提高了10%左右,显示其对复合材料的性能有着更为复杂的影响规律,并且可能与湿热的影响存在交互作用。     

碳纤维/树脂复合材料多钉连接钉载系数测试方法

为解决由于碳纤维/树脂复合材料多钉连接结构中钉载分配状态和测试方法不同导致的钉载系数测试分散性不明确的问题,针对应变片和钉载矢量传感器两种测试方法,提出基于不确定度理论的钉载系数相对测量不确定度的计算模型,并计算两种测试方法对碳纤维X850/树脂复合材料单剪、双剪连接结构钉载系数的相对测量不确定度。结果表明,应变片测试方法中,单剪结构钉载系数无法准确测量,双剪结构钉载系数相对测量不确定度通常超过2.8%,且随结构中螺栓数目和应变片贴片角度偏差的增加而增大;钉载矢量传感器测试方法中,单剪、双剪结构钉载系数均可测试,且针对任意螺栓数目结构,其钉载系数相对测量不确定度最大不超过1.5%。      

湿热环境对碳纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响及其损伤机理

采用加速吸湿法研究经3种湿热环境(湿度为85%RH,温度分别为25,70,85℃)处理后CFRP层合板的吸湿特性,对吸湿前后的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板分别进行拉伸、压缩、剪切实验,研究其力学性能变化规律,利用扫描电镜和红外光谱分析湿热环境中CFRP层板的损伤机理,最后采用最小二乘法拟合提出湿热环境下CFRP层合板力学性能的预测公式。结果表明:CFRP层合板的吸湿初期特性符合Fick定律;相同湿度下环境温度越高,CFRP的吸湿速率和平衡吸湿率越大,达到吸湿平衡所需时的间越长;3种湿热环境处理后的CFRP层板的90°拉伸和剪切力学性能下降最明显;经湿热环境处理后水分子通过氢键与环氧树脂发生缔合,但CFRP层合板中的各组分未发生化学结构变化;拟合建立的不同湿热条件下力学性能衰退公式与实验结果基本一致。     

碳纤维增强树脂基复合材料层合板胶螺混合连接失效机制

为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板单搭接双螺栓胶螺混合连接失效机制,采用基于断裂能断裂准则的连续渐进退化方式,仿真CFRP层合板刚度退化,采用基于能量的B-K准则仿真胶层的损伤演化,建立胶螺混合连接结构渐进损伤三维有限元模型,有限元模型预测的最大失效载荷与实验结果吻合较好。搭接长度L_a为影响胶螺混合接头刚度和强度的重要几何参数,螺栓的位置不会明显影响接头的刚度,粘结面积越大,强度越大。胶螺混合接头在拉伸载荷作用下,由于二次弯曲效应的影响,螺栓向左倾斜,搭接区域的胶层损伤起始于搭接区域胶层外侧,并由外侧向内部扩展到钉孔附近,当胶层损伤扩展到钉孔附近时,螺栓承载增加,胶层和螺栓共同承载,此时CFRP层合板开始出现损伤;最终,左侧钉孔处的上层合板和右侧钉孔处的下层合板产生分层损伤并发生断裂。      

层合板连接结构挤压强度测试方法的研究

利用单钉单剪层合板连接结构挤压性能测试方法和单钉双剪层合板连接结构挤压性能测试方法 (ASTM D 5961A/B),对T700/5429开孔层合板螺栓连接结构的挤压性能进行试验研究,分析不同测试方法对开孔层合板连接结构挤压性能的影响。研究表明:两种试验方法中层合板连接构件均在连接孔处出现有效的挤压破坏形式,但单剪连接试验的稳定性差,影响因素较多,试验数据的离散性较大,且测得的连接结构的极限挤压强度和偏移挤压强度均低于双剪试验的结果。因此,双剪试验方法更适合用于复合材料层合板连接结构设计中挤压许用值的测量。     

结合改进单胞模型的单钉双剪层合板螺栓连接结构挤压性能的多尺度表征分析

为提高螺栓连接层合板结构的可靠性和承载能力,基于ABAQUS软件及用户子程序(USDFLD),结合改进的单胞模型,建立了考虑组分材料失效的多尺度数值模型。利用该模型表征分析了单钉双剪层合板螺栓连接结构的力学性能,研究了铺层形式及几何尺寸对连接结构性能的影响。该模型的预报结果与试验结果吻合较好。结果表明:准各向同性层合板螺栓连接结构的挤压强度高于正交各向异性层合板连接结构的挤压强度,前者的失效模式为挤压失效,后者为剪出失效,该模式导致结构承载能力降低,设计中应避免。层合板边径比大于3时,不同宽径比连接结构的挤压强度趋近稳定值;但相同边径比的连接结构,其挤压强度随宽径比的增大而增大,连接结构设计时应给予考虑。      

Influence of stamping on the compressive behavior and the damage mechanisms of C/PEEK laminates bolted joints under severe conditions

Bolted joint tests have been performed in order to evaluate the influence of stamping on the behavior of thermoplastic-based woven-ply laminates subjected to structural loadings under severe service conditions (120 °C after hygrothermal aging). Compressive tests have been carried out on carbon fabrics reinforced PolyEtherEtherKetone (PEEK) laminates to investigate fibers buckling due to changes induced by stamping on the non-planar interply structure of woven-ply laminates. As compressive strength decreases by 13% in stamped laminates, it facilitates the plastic buckling of 0° and ±45° oriented fibers due to compressive loads in bolted joints. Contrary to double-lap joints, stamping does not affect the strength of single-lap joints, as the geometry of single-lap joints is non-symmetric. Stamping modifies the damage mechanisms of PEEK-based laminates under bolt-bearing loadings, such as the failure of stamped bolted joints is dominated by bearing failure mode.     

T800碳纤维增强复合材料双剪单钉连接的拉伸试验及强度估算

为系统地研究T800碳纤维增强复合材料螺栓连接的力学性能,首先,对T800碳纤维增强复合材料双剪单钉连接进行了面内准静态拉伸试验,探讨了铺层比例、铺层顺序、螺栓直径以及固化工艺对复合材料螺栓连接刚度和2%偏移挤压强度的影响;然后,根据试验结果得到了T800碳纤维增强复合材料螺栓连接的应力集中减缓因子;最后,结合相应铺层比例的无缺口层合板的应力集中减缓因子和拉伸强度,建立了复合材料连接最终挤压强度的工程算法。结果表明:当螺栓断裂时,连接的最终挤压强度由螺栓剪切强度和螺栓直径/板厚比决定;连接存在挤压和剪切2种失效形式,与±45°铺层比例有关;工程算法的计算结果与试验结果吻合良好。所得试验结果和工程算法可为T800碳纤维增强复合材料螺栓连接的初步设计提供理论依据和技术支持。      

碳纤维增强环氧树脂复合材料与铝板胶螺混合连接接头失效仿真

基于商用有限元软件ABAQUS,建立了碳纤维增强环氧树脂复合材料（CFRP）层合板和铝板双搭接胶螺混合连接接头强度预测模型,并进行了仿真分析,同时与试验结果进行对比,探究了此类混合接头在拉伸载荷工况下的失效形式和承载能力。结果表明,拉伸加载过程中,螺栓通过分担部分载荷加强了胶接连接。混合接头的失效形式先表现为胶层的断裂失效,最终表现为层合板孔边挤压失效。利用模型预测的接头承载能力与试验结果的误差为9.7%,具有较好的吻合性。该分析方法能够为复合材料-金属胶螺混合连接的分析和设计提供一定的参考。      

交变载荷对CFRP复合材料-铝合金粘接接头剩余强度的影响

为了给碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料粘接结构的安全设计及应用提供参考,针对CFRP复合材料-铝合金对接接头,研究了拉-拉交变载荷作用下的疲劳寿命特性及剩余强度变化规律。设计专用夹具,完成接头的制作及固化,并测试其拉伸、剪切准静态失效强度,在此基础上进行不同载荷水平下的疲劳寿命测试。选取特定载荷水平,测试不同循环次数后的接头剩余强度,并对失效形式进行观察分析。结果表明:CFRP复合材料-铝合金对接接头强度-寿命（S-N）曲线在单对数坐标上符合线性函数规律;随着交变载荷循环周期的增加,接头剩余强度呈先慢后快的下降趋势,而且在较大的载荷水平下,下降幅度更为明显;经历交变载荷循环前、后接头失效形式发生改变,由局部CFRP复合材料表层撕裂转变为局部界面破坏。结合试验测试所获得的初始失效准则,并引入疲劳退化因子,建立内聚力模型对交变载荷作用下的粘接接头强度衰减进行数值模拟,结果表明所建立模型能够有效预测交变载荷作用下的接头剩余强度。      

Strength prediction in CFRP woven laminate bolted double-lap joints under quasi-static loading using XFEM

The current paper is concerned with modelling damage and fracture in woven fabric composite double-lap bolted joints that fail by net-tension. A 3-D finite element model is used, which incorporates bolt clamp-up, to model a range of CFRP bolted joints, which were also tested experimentally. The effects of laminate lay-up, joint geometry, hole size and bolt clamp-up torque were considered. An Extended Finite Element (XFEM) approach is used to simulate damage growth, with traction–separation parameters that are based on previously reported, independent experimental measurements for the strength and toughness of the woven fabric materials under investigation. Good agreement between the predicted and measured bearing stress at failure was obtained.     

不同环境下宽径比对碳纤维增强环氧树脂复合材料开孔层压板压缩失效的影响

复合材料结构强度的参数影响研究是结构设计的必要内容,然而还缺乏在不同湿热环境条件下结构尺寸对其强度的影响研究。采用数值和试验方法研究了宽径比（W/D）对不同湿度、温度时T800/X850碳纤维增强环氧树脂复合材料（CF/EP）开孔层压板压缩强度的影响。设计了参数影响研究试件,通过试验获得了不同湿热条件下的开孔层压板压缩失效结果;并利用现有的考虑湿热影响的复合材料渐进损伤方法,建立了湿热及几何参数影响的渐进损伤模型,通过将预测结果与试验结果对比验证了模型正确性。进一步结合试验和数值分析,揭示了不同湿热条件下几何参数的影响规律。研究表明:湿热环境对T800/X850 CF/EP开孔板的压缩失效载荷影响显著,相比于室温干态（RTD）,室温湿态（RTW）和高温湿态（ETW）压缩失效载荷分别下降了7.75%和14.68%; RTW和RTD失效形式接近,ETW失效形式不同且失效面积更大; RTW和RTD时压缩失效强度随W/D的增大而增大,增大速度相似,ETW增大速度比前两者慢。      

Fatigue of bolted joints in (0/90) CFRP laminates

The results of an experimental study of the fatigue behaviour of double-lap bolted joints using 1 mm thick (0/90)_2s and 2 mm thick (0/90)_4s laminates from the XAS/914 CFRP system are described. The damage development under fatigue loading was monitored qualitatively by microscopy, and quantitatively by recording the bearing stiffness and permanent joint deformation with cycling. The possibility of a stiffness-based failure criterion is investigated.The importance of the bolt clamp-up torque on the fatigue performance of the laminates was also studied It is shown that damage development under fatigue loading is considerably reduced at higher clamp-ups.     

Static and high-rate loading of single and multi-bolt carbon–epoxy aircraft fuselage joints

Single-lap shear behaviour of carbon–epoxy composite bolted aircraft fuselage joints at quasi-static and dynamic (5 m/s and 10 m/s) loading speeds is studied experimentally. Single and multi-bolt joints with countersunk fasteners were tested. The initial joint failure mode was bearing, while final failure was either due to fastener pull-through or fastener fracture at a thread. Much less hole bearing damage, and hence energy absorption, occurred when the fastener(s) fractured at a thread, which occurred most frequently in thick joints and in quasi-static tests. Fastener failure thus requires special consideration in designing crashworthy fastened composite structures; if it can be delayed, energy absorption is greater. A correlation between energy absorption in multi-bolt and single-bolt joint tests indicates potential to downsize future test programmes. Tapering a thin fuselage panel layup to a thicker layup at the countersunk hole proved highly effective in achieving satisfactory joint strength and energy absorption.     

服役温度对铝合金-碳纤维增强树脂复合材料粘接接头准静态失效的影响

为了研究服役温度对铝合金-碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料粘接接头准静态失效的影响，本文加工了铝合金-CFRP复合材料粘接接头。考虑车辆实际运行工况下的服役温度，选取低温(?40℃)、常温(20℃)和高温(80℃)三种环境温度，结合设计的Arcan夹具对铝合金-CFRP复合材料粘接接头分别进行1 mm/min和100 mm/min的准静态试验，得到不同温度下铝合金-CFRP复合材料对接接头(BJs)、45°嵌接接头(45°SJs)和剪切接头(TSJs)的准静态失效强度，并结合失效断面对接头失效形式进行分析，建立了失效准则方程和三维响应曲面。结果表明:不同加载速率下的铝合金-CFRP复合材料粘接接头失效强度在高温环境下均呈明显的下降趋势，在低温环境下均呈一定程度的上升趋势。高温下的失效模式为胶层的内聚失效，低温下的失效模式中纤维撕裂的比例上升。相对于1 mm/min加载速率下的准静态失效强度，各温度和应力状态下的铝合金-CFRP复合材料粘接接头在100 mm/min加载速率下的准静态失效强度明显提高。      

高温老化对玄武岩纤维增强树脂复合材料-铝合金单搭接接头失效的影响

为了研究持续高温环境对车用新材料粘接结构力学性能的影响,加工了铝合金-铝合金（Al-Al）和玄武岩纤维增强树脂复合材料-铝合金（BFRP-Al）单搭接接头,在高温（80℃）环境下进行了0天（未老化）、5天、10天、15天的老化实验,并对胶粘剂和BFRP复合材料进行了DSC和FTIR测试,分析高温老化后胶粘剂、BFRP复合材料的玻璃化转变温度（T_g）和化学成分变化,通过准静态拉伸测试获得老化后接头的失效载荷,并对其失效模式进行分析。研究结果表明:高温环境下,胶粘剂会发生后固化及氧化反应,BFRP复合材料发生热分解及氧化反应;Al-Al接头的失效载荷随老化周期的增加而不断增大,老化前后的失效模式均为内聚失效,其性能变化主要由胶粘剂决定;BFRP-Al接头的失效载荷先增加后减小,不同老化周期的接头均发生内聚和撕裂的混合失效,其性能变化由胶粘剂和BFRP复合材料共同作用决定,且随着老化周期的增加,BFRP复合材料撕裂面积不断增大,BFRP-Al接头的失效模式越来越倾向于玄武岩纤维/树脂界面的破坏,BFRP复合材料老化对接头失效载荷的影响越来越显著。