三维机织复合材料多尺度黏弹性分析

建立了一种三维机织复合材料多尺度的黏弹性分析模型。首先构造了微观尺度纱线束胞元和细观尺度复合材料周期结构胞元两级有限元模型, 由微观尺度胞元分析得到纱线束的弹性常数, 再代入细观尺度胞元计算出复合材料的平均弹性常数。两级胞元模型均施加周期边界条件, 保证了胞元边界上位移和应力满足周期性和连续性。随后分别建立了树脂基体和浸润树脂纱线束的蠕变模型, 用实验标定树脂的蠕变参数, 代入微观尺度胞元进行蠕变计算来修正纱线束蠕变模型的参数。最后将树脂和纱线束的蠕变本构关系应用于细观尺度胞元, 得到材料宏观平均的应力-应变响应, 模拟了三维机织复合材料的蠕变实验曲线。本文模型对于该种复合材料弹性常数和蠕变性能的预测, 均与实验吻合。      

纤维缠绕复合材料固化过程残余应力/应变的三维数值模拟

采用有限元分析软件ABAQUS,对具有金属内衬的纤维缠绕复合材料圆筒在固化过程中残余应力及应变的变化规律进行了模拟计算。采用FORTRAN语言编制了用以分析固化过程中残余应力的子程序,该子程序考虑了固化过程中复合材料力学性质的变化和由于树脂固化收缩产生的化学收缩应变。算例结果表明：复合材料和金属内衬的残余应力在初始阶段均接近于零,当固化到一定阶段,残余应力迅速增加并且很快达到最大值,在降温阶段释放了部分的残余应力;在整个固化过程中,金属内衬受到压应力,而纤维缠绕层受到拉应力。本文中的三维有限元模型可以得到任意时刻复合材料的温度及固化度分布,通过数值模拟可以有效地优化复合材料固化工艺参数,提高制件的质量。     

碳纤维机织物增强热塑性树脂复合材料热冲压叠层模型

针对碳纤维增强热塑性树脂复合材料(CFRTP)在热冲压成型过程中涉及到大变形、各向异性和多场耦合的现象,为了表征CFRTP在成型中的力学特征,基于有限元方法与连续介质力学理论提出了一种热塑性树脂基体与碳纤维机织物的叠层模型。与单独采用碳纤维机织物超弹性本构模型预测CFRTP成型性能的方法相比,提出的叠层模型能够表征成型温度、压边力和纤维取向对CFRTP成型缺陷的影响,并能优化热冲压成型工艺参数。这一叠层模型具有简单实用和材料参数容易确定的优点,为碳纤维机织物增强热塑性树脂复合材料成型的数值模拟和成型工艺优化奠定了理论基础。     

基于黏弹性本构模型的热固性树脂基复合材料固化变形数值仿真模型

针对热固性树脂基复合材料热压罐成型工艺过程,采用广义Maxwell(麦克斯韦)黏弹性本构模型建立了残余应力和固化变形的三维模型。模型考虑了复合材料固化过程中的热-化学效应、材料的热胀冷缩效应、基体树脂黏弹性效应以及材料的各向异性。通过与文献中实验结果的比较,证明了所建立的模型具有较高的可靠性。对复合材料C型制件的固化过程进行了数值模拟和实验对比,比对结果表明该数值模型具有较高的准确性。     

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.     

2D-C/SiC复合材料的主泊松比演化行为

泊松比是材料及其结构力学性能分析的重要参数之一。本文旨在研究2D-C/SiC复合材料主泊松比的非线性演化行为。首先，基于Mini复合材料模型与正交层压板模型，考虑纤维的横观各向同性性质，建立了2D-C/SiC复合材料的热残余应力计算模型；其次，应用剪滞理论与经典层压板理论，考虑材料的损伤与热残余应力释放机制，建立了2D-C/SiC复合材料的主泊松比计算模型；最后，通过试验表征了材料的应变响应及泊松比演化规律，并对理论模型进行了分析验证。结果表明，2D-C/SiC复合材料内部热残余应力较大，拉伸损伤过程中的热残余应力释放是负泊松比产生的原因；应力-应变曲线及泊松比演化曲线的模型预测结果均与试验曲线吻合较好，表明了理论分析模型的准确性与合理性。     

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。     

三维角联锁机织复合材料经纬向剪切性能有限元分析

本文使用三维绘图软件Pro/E 5.0构建出三维浅交弯联机织复合材料在经纬向模型,借助有限元软件ANSYS分别对其施加相同大小的剪切载荷作用,通过数值模拟的方法计算出复合材料及其纤维与树脂组分的剪切应力、应变分布情况。通过对其应力、应变分布情况的分析,探究三维浅交弯联机织复合材料在经纬向剪切载荷作用下的力学行为,并预测其破坏模式。结果表明:复合材料在纬向的剪切性能好于经向;纤维作为主要承载体表现出较大的剪切应力与较小的剪切应变;复合材料在剪切载荷作用下的破坏形式主要为复合材料的倾斜、坍塌及分层、纤维的脆断、树脂的破碎及纤维与树脂间的脱粘。     

圆管状立体机织复合材料的多尺度分析

采用多尺度耦合的数值模型研究了圆管状立体机织复合材料的力学性能。建立了反映纤维束中纤维/基体二相材料的微观尺度单胞和反映周期性编织结构的细观尺度扇形单胞,并重点讨论了扇形单胞的周期性边界条件。通过逐级计算微观单胞、细观单胞的平均弹性常数,得到了圆管状立体机织复合材料的刚度参数,实现了由组分材料性能及编织参数预测圆管的宏观弹性性能,模型预测刚度与试验结果吻合。另一方面,研究了从大到小各尺度耦合的应力分析,对于圆管环向应力非周期分布的情况,建立了嵌入细观单胞的环状模型,进行了复杂荷载下从宏观圆管结构、到细观纤维束尺度、再到微观纤维尺度之间的逐级应力分析。     

光纤布拉格光栅监测复合材料固化

复合材料层合板在固化成型过程中形成的残余应变和应力是影响材料质量的重要因素,它与预浸料铺层在固化工艺过程中产生的应变密切相关。在研究和测试了光纤布拉格光栅应变和温度传感器传感特性的基础上,将二者埋入复合材料预浸料铺层,在热压釜成型工艺过程中监测了材料内部的温度和应变发展历程,由此获得对称正交层合板的宏观残余应变。监测结果表明,单向和对称正交层合板在固化结束后都将产生收缩,对称正交层合板铺层内的残余应变平行于纤维方向为压应变,垂直于纤维方向为拉应变。光纤光栅传感器为复合材料固化监测及层合板残余应力分析提供了一种新的工具,为实现复合材料从制造到服役的全寿命、一体化监测提供了可能。      

Evaluation of the integrity of 3D orthogonal woven composites with embedded polymer optical fibers

Due to their high flexibility, high tensile strain and high fracture toughness, polymer optical fibers (POF) are excellent candidates to be utilized as embedded sensors for structure health monitoring of fiber reinforced composites. In 3D orthogonal woven structures yarns are laid straight and polymer optical fiber can be easily inserted during preform formation either as a replacement of constituents or between them. The results of the previous paper indicated how an optic fiber sensor can be integrated into 3D orthogonal woven preforms with no signal loss. This paper addresses whether incorporating POF into 3D orthogonal woven composites affects their structure integrity and performance characteristics. Range of 3D orthogonal woven composites with different number of layers and different weft densities was fabricated. The samples were manufactured with and without POF to determine the effect of embedding POF on composite structure integrity. Bending, tensile strength tests, and cross section analysis were conducted on the composite samples. Results revealed that integrity of 3D orthogonal woven composite was not affected by the presence of POF. Due to its high strain, embedded POF was able to withstand the stresses without failure as a result of conducting destructive tests of the composite samples. Micrograph of cross-section of composite samples showed that minimum distortion of the yarn cross-section in vicinity of POF and no presence of air pocked around the embedded POF which indicates that 3D woven preform provided a good host for embedded POF.     

Internal strain measurement and cure monitoring of 3D angle interlock woven carbon fibre composites

This study presents a methodology to accurately embed EFPI (Extrinsic Fabry Perot Interferometer) fibre optic sensors within the resin channels of 3D woven composite for the purpose of monitoring strain during tensile tests on a 3D woven composite. Using the same sensors the cure induced strain measurement was developed into a valid in situ cure monitoring technique for an epoxy matrix composite through correlation with rheological based cure strain data. Specific strain events were attributed to the gelation and vitrification phases of the epoxy cure cycle.     

三维正交机织物结构的几何模型

以经、纬纱为直线, 捆绑纱为正弦和直线组合的曲线, 建立了三维正交机织物的几何结构模型。根据捆绑纱所限定纱线的截面积, 建立了以织物结构参数为未知量的非线性方程组, 使用数值计算方法求出了非线性方程组的近似解, 确定了捆绑纱曲线模型中的待定量。制织了纬纱捆绑和经纱捆绑两种玻璃纤维三维正交机织布, 并与不饱和聚酯树脂复合, 然后观察复合材料中捆绑纱的形态, 发现捆绑纱的测试曲线与模型曲线具有很好的一致性。进一步比较捆绑纱织缩率的测试值与计算值、纤维体积含量的测试值与计算值, 表明建立的织物结构几何模型, 能够较为真实地反映三维正交机织物的实际结构。      

三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料在两种测量方法下的热响应机制对比

采用瞬态热线法和闪光法分别测量了多种结构参数的三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数。通过对3D正交机织碳纤维/环氧树脂复合材料的有限元模拟可以看出,3D正交机织碳纤维/环氧树脂复合材料内经纱、纬纱和Z向纱的导热作用在不同的受热形式下会发生变化。采用瞬态热线法测量时,2.5D机织碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数低于2.5D经向增强结构,同时高于3D正交结构,而采用闪光法测量时,2.5D经向增强和3D正交碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数均小于2.5D机织结构。这是由于在使用不同的测量方法时,三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料内部相同的纱线系统在导热过程中所起的作用并不相同。随着纤维体积含量的提高,瞬态热线法和闪光法测得的2.5D机织碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数都在不断提高。由于经纱的屈曲,采用闪光法测量时,导热性能提升更加明显。研究结果表明,三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料在不同受热形式下具有不同的热响应机制。     

Fibre damage in the manufacture of advanced three-dimensional woven composites

Fibre damage caused by the weaving of three-dimensional (3D) fabric preforms for advanced composite materials is investigated. A Jacquard loom was used to weave continuous fibreglass yarns into a 3D orthogonal woven fabric. Samples of warp and through-thickness yarns that form the 3D fabric were taken from the loom at different stages in the weaving process to examine for fibre damage and determine their residual tensile properties. It was discovered that the fibres are abraded against each other and the loom machinery during weaving, and the resulting abrasion damage and removal of sizing agent causes a reduction in yarn strength of between 30 and 50% depending on the type of yarn. Some fibres are also broken during weaving, and this causes a small reduction to the yarn stiffness and contributes to the large loss in yarn strength. The implication of these findings for the design of advanced 3D woven composites in structural applications is discussed.     

自动铺放工艺制备罐外固化复合材料的力学行为

针对碳纤维增强树脂基复合材料IM7/CYCOM5230-1罐外固化预浸料,研究了自动铺放（AFP）罐外固化（OOA）预浸料的制备过程并优化了铺放工艺参数,采用热分析手段研究了CYCOM5230-1树脂固化动力学及黏度特性,在此基础上开发了一种短时固化工艺,并评价了基于此工艺制备的OOA复合材料力学性能。结果表明,AFP铺放过程中预浸料间缝隙会影响OOA复合材料的成型质量,采用铺放压力为180 N、加热温度为50℃、铺放速率为0.20 m/s的铺放参数,可获得表面平整、成型质量优异的复合材料样件。热分析结果表明,罐外固化CYCOM5230-1树脂室温黏度大,满足OOA工艺中真空压实排气需求。短时固化工艺可达到与典型固化工艺相同水平固化度,提升了固化效率,且制备的复合材料可以达到59%的纤维体积分数及低于0.5%的孔隙率,其力学性能与典型固化工艺制备的复合材料相当,并且能够达到热压罐复合材料的水平。     

三维机织C/C-SiC复合材料弹性性能预测

试验研究了三维机织C/C-SiC复合材料的弹性性能, 基于复合材料的扫描电镜(SEM)照片, 分析了材料的细观结构的特点, 并提出了一系列的假设, 建立了三维机织C/C-SiC复合材料的细观力学模型, 利用均匀化方法预测了复合材料的弹性常数, 分析了材料的弹性性能随经纱倾斜角的变化规律。结果表明: 预测结果与试验结果吻合较好, 表明该预测模型和方法的正确性; 随着经纱倾斜角的增加, 经纱方向的弹性模量降低, 其它方向的弹性模量均增大, 但面内剪切模量和厚度方向的弹性模量增幅很小。      

二维机织复合材料弹性常数的有限元法预测

为了预测二维机织复合材料的弹性性能,建立了有限元力学分析模型。基于二维机织复合材料的几何特征,建立了参数化的单胞模型;考虑了织物纤维束呈现出的各向异性材料特征,将有限元中材料主方向转化到纤维屈曲方向,建立其力学分析有限元模型;分析了单胞边界面保持平面假设的不足,提出了对于二维机织复合材料通用的周期边界条件,获得了更为准确的二维机织复合材料的工程弹性常数。结果表明:织物衬垫单胞边界面,在单向拉伸载荷和纯剪切载荷下,呈凹凸翘曲变形,即为周期边界;应用给出的织物参数化几何建模方法与有限元求解方法,可以精确地获得工程弹性常数,数值计算结果与实验值吻合较好。