预成形体渗透率预测及剪切变形的影响

准确预测预成型体渗透率对复合材料液态成型工艺过程仿真有重要意义,铺覆过程中织物发生的剪切变形对局部渗透率有很大影响。本工作考虑纱线的可渗透性,对织物单胞内的树脂流动建立了统一的流动控制方程,同时建立了逼真的正交单胞几何模型,基于Adams-Bashforth差分格式和Chorin投影法构造了数值求解树脂流动控制方程的高分辨率TVD格式,利用达西定律预测了单胞的渗透率,算例表明该算法预测值与实验值有较好的吻合,验证了算法的准确性。在正交单胞渗透率求解的基础上,采用贴体坐标法完成了单胞剪切变形后流动控制方程从物理域到计算域的转换,进而实现了剪切单胞渗透率的数值预测,考察了单胞主渗透率比与剪切角的关系,通过与文献中数据对比证明了该剪切单胞渗透率预测算法的合理性。     

预浸机织织物二维剪切性能模型

利用安装在拉伸试验机上的像框剪切装置, 研究了平纹预浸碳纤维机织织物的剪切行为。研究发现,预浸碳纤维织物的剪切行为与织物的分阶段剪切行为类似。根据实验结果, 分两个不同剪切阶段建立了预浸碳纤维织物的二维剪切性能模型。在剪切初始阶段, 利用扭力弹簧来模拟纱线交叉点之间的剪切摩擦, 通过实验确定了扭力弹簧扭转刚度系数。在剪切第二阶段, 给出了载荷与剪切角之间的关系模型。试验结果表明, 利用扭力弹簧可以很好地模拟剪切初始阶段的剪切摩擦。      

预成型体渗透率预测及其受压缩变形的影响

建立了织物预成型体单胞内纱线间细观流动和纱线内部微观流动的统一的数学模型。基于最小势能原理建立了织物松弛状态下的单胞几何模型,同时对在模具压缩下的单胞变形进行了分析,并建立了不同压缩状态下的单胞几何模型。通过对单胞内树脂流动数学模型的数值求解,获得了流动速度场及压力场,进而预测了预成型体的渗透率。预测1组不同压缩状态下的单胞渗透率,研究了预成型体压缩变形对渗透率的影响。结果显示:随着压缩量的增加,其渗透率逐渐降低。通过实验测量及数据分析,验证了建模和预测方法的正确性。     

预定型平纹织物的剪切模型

预定型织物是一种用于纺织复合材料液态成型的新型材料, 可以提高复合材料构件的形状精度和尺寸精度。由于织物中存在定型剂, 使织物材料的性能发生改变。基于像框剪切试验, 建立预定型平纹织物剪切变形的理论模型。与干态织物相比, 重点分析了预定型织物中纱线的弯曲刚度和纱线摩擦系数的变化对剪切性能的影响; 同时模型中考虑了剪切过程中纱线轴向力的变化对剪切性能的影响。另外, 利用立式显微镜观察了在纱线挤压阶段纱线宽度变化的规律, 考虑了定型剂和织物结构对纱线宽度变化的影响。根据平衡方程得到预定型平纹织物的剪切模型, 通过与试验结果比较, 该模型可以较好地预测预定型平纹织物的剪切变形性能。      

树脂传递模塑成型工艺中嵌套效应引起渗透率变异的实验与数值模拟

树脂传递模塑成型工艺(RTM)中最重要的变形模式之一是厚度方向压缩。厚度方向压缩减小了织物预成型体的厚度,使织物预成型体局部结构形式发生改变从而引起嵌套效应。嵌套效应不仅会减少织物预成型体的厚度,增加纤维的体积分数并改变孔隙率,而且相邻织物层嵌套效应具有一定的空间分散性,从而使得织物预成型体渗透率具有变异性。本文针对低黏度树脂设计了一种实验装置用以测量局部渗透率的空间分散性,随后建立了随机嵌套单胞模型,利用ANSYS/CFX有限元软件实现了单胞填充浸润的数值模拟,通过流量分析获得局部渗透率,并研究了渗透率的统计分布。通过实验结果与数值模拟结果相对比,验证数值模拟结果的可靠性。最后,基于渗透率的统计分布建立了随机渗透率场,并进行填充浸润的数值模拟,通过与传统恒定渗透率的方法进行比较,证明该方法具有更高的先进性。研究结果可以对未来RTM工艺的稳健性优化提供依据。      

跨尺度预测非屈曲织物增强复合材料的刚度和强度

为了预测非屈曲织物增强复合材料的力学性能, 建立了纤维束的正六边形单胞和非屈曲织物复合材料的长方形单胞, 并重点推导了正六边单胞的方程边界条件。通过跨尺度逐级计算这两个单胞的有效弹性常数, 得到了非屈曲碳纤维织物增强环氧树脂基复合材料的宏观有效弹性性能和强度。对该非屈曲织物复合材料在拉伸载荷下的累计失效进行了有限元损伤分析。结果表明: 初始损伤发生在富树脂区或横向纤维束, 损伤在富树脂区与横向纤维束内逐步扩展, 最后向纵向纤维束扩展并迅速导致整体失效; 非屈曲织物增强复合材料的面内拉伸模量的计算预测值非常接近实验值, 面内拉伸强度计算值略小于实验值。     

碳纤维织物力学性能和冲压成形实验研究

在实际成形过程中,碳纤维复合材料往往处于复杂的应力状态,开展近于真实载荷环境下的力学试验分析,能够更准确地认识实际应用中材料的成形性能和变形机理.为获得碳纤维织物的基本力学特性,设计了平纹碳纤维织物拉伸试样及成形试样,进行了单轴拉伸、双轴拉伸、镜框剪切试验和方盒冲压成形实验研究,对比了不同双拉比及纱线取向对力学性能及成形性能的影响.研究结果表明:碳纤维织物具有高度的非线性、各向异性和双拉耦合特性,即经纬向纤维的力学性能会相互影响;剪切变形是成形过程中的主要变形模式,当剪切角达到临界锁死角时,织物发生起皱现象;同种织物不同纱线取向试样表现出不同的成形性能,因此可以根据零件几何形状选择合适纤维取向的织物,从而减少缺陷,优化成形零件的力学性能.研究结果为后续建立碳纤维织物本构模型和成形仿真奠定了基础.     

Nomex蜂窝夹层结构真空袋共固化过程蜂窝变形

针对蜂窝夹层板的共固化工艺,以玻璃纤维120斜纹织物/环氧5224体系为面板,以Nomex蜂窝为夹芯材料,研究了蜂窝侧向抗压刚度的影响因素,并通过自行建立的成型过程气压测试装置,分析了芯材内压的影响因素及蜂窝的变形情况。结果表明：对于孔格边长和芯材高度较大的情况,蜂窝侧向抗压能力较小,在真空压力的作用下容易发生变形;芯材内压与芯材内气体的膨胀和预浸料铺层的渗透性直接相关,因此芯材内压受温度制度、预浸料层数和胶膜影响较大;芯材内压对抵抗蜂窝变形起到重要作用,预浸料凝胶前较大的芯材内压有利于抑制蜂窝变形的发生。     

多功能微机(手动)调控预浸胶机的研制

一.前言 预浸料是制造纤维增强复合材料用的一种预制铺层材料,也是用作复合材料设计和制造的中间材料。目前,在预浸料这一领域里的新发展,就象采用新纤维一样具有重大意义。 单向纤维预浸料所用增强材料常为玻璃纤维、碳纤维和有机纤维,所用树脂一般为热固性树脂和热塑性树脂。 预浸料的制造方法有:溶液胶预浸,熔融树脂预浸、熔融树脂涂膜后传递预浸、胶膜热融后传递预浸、胶膜热融后传递预浸、热塑性树脂制成膜热融传递预浸、热塑性树脂纤维与增强纤维混合排列热融预浸(即双纤维预浸)、热塑性树脂直接熔融预浸等。 制造预浸料用设备如按功能分有单功能预浸机、多功能预浸机;按结构分有滚筒式定长预浸机、连续卷盘     

PEEK基体热塑性树脂基复合材料的研究

介绍了热塑性树脂基复合材料用ＰＥＥＫ树脂的性能，静电粉末法制备热塑性树脂预浸料的设备和工艺，用该工艺制备的预浸料规格和性能以及ＡＳ４Ｃ单向织物／ＰＥＥＫ复合材料的力学性能，韧性，耐环境性能，同时还介绍了将这种材料用于宇航工业而进行的基础研究工作。     

The effect of thermoplastic coating on the mechanical properties of woven fabric carbon/epoxy composites

The effect of a polyetherimide (PEI) coating on the mechanical properties of woven fabric carbon/epoxy composites was investigated by thermal mechanical analysis, fractographical analysis and mechanical properties measurements. PEI coating enhanced the mechanical properties of carbon/epoxy composites mainly through the improvement of matrix properties. This was because most of the PEI coated on the carbon fiber diffused into the bulk of epoxy matrix due to its good miscibility with epoxy resin. As for mechanical properties of woven fabric carbon/epoxy composites, the extent of improvement by PEI coating highly depended on the applied stress state. Among the mechanical properties, mode II delamination resistance of carbon/epoxy composites showed the highest increment because matrix shear property played an important role in delamination resistance of woven fabric carbon/epoxy composite. Because of the woven geometry of carbon fiber, the improvement in impact property of carbon/epoxy composite was trivial except the large amount of PEI coated case.     

管道修复用涤纶-苎麻复合机织物性能试验

针对传统管道内衬修复材料施工中易出现内壁塌陷等问题,结合目前快速发展的绿色纤维复合材料,提出在涤纶机织物内衬材料中加入苎麻纱线,制作涤纶-苎麻复合机织物材料来提高树脂对管道修复用内衬机织物的浸透性能,增强内衬材料和管壁的粘结性能。以纤维外观、抽拔实验后纤维断面形貌的电镜观察,并通过树脂与织物接触角的测试、粘结实验,综合分析了涤-麻复合机织物的树脂浸透性,同时对涤纶-苎麻复合机织物力学性能进行测试来保障内衬复合材料满足强度的要求。实验结果表明,采用上述涤-麻复合织造的方法,可以显著提高树脂的浸透性能,有利于携带更多的树脂粘结剂提高树脂与管壁的粘结性,减少塌陷发生的可能性。同时加入麻复合的机织物,拉伸顶破性能都满足高压燃气管道的修复要求。     

Geometrical analysis of woven fabric microstructure based on micron-resolution computed tomography data

The global mechanical properties of textiles such as elasticity and strength, as well as transport properties such as permeability depend strongly on the microstructure of the textile. Textiles are heterogeneous structures with highly anisotropic material properties, including local fiber orientation and local fiber volume fraction. In this paper, an algorithm is presented to generate a virtual 3D–model of a woven fabric architecture with information about the local fiber orientation and the local fiber volume fraction. The geometric data of the woven fabric impregnated with resin was obtained by micron-resolution computed tomography (μCT). The volumetric μCT-scan was discretized into cells and the microstructure of each cell was analyzed and homogenized. Furthermore, the discretized data was used to calculate the local permeability tensors of each cell. An example application of the analyzed data is the simulation of the resin flow through a woven fabric based on the determined local permeability tensors and on Darcy’s law. The presented algorithm is an automated and robust method of going from μCT-scans to structural or flow models.     

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。     

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。      

Determination of mechanical behavior of natural fibre based hybrid composites experimentally

This paper deals with the production and the mechanical testing of natural fibre‐based hybrid composites. Hybrid composite is produced by vacuum assisted resin infusion method of woven jute fabric and nonwoven wool felt along with glass fabric. Tensile, flexure and impact properties have been evaluated and compared. The tensile strength and the Young's modulus were found to be 70.66 MPa and is 5.63 GPa, respectively. Flexure and impact tests were performed on both woven jute fabric surface and on nonwoven wool felt surface of the composite specimens. The highest flexural strength was obtained in the specimen loaded at the woven jute fabric surface. Impact test results show that the specimens impacted at the nonwoven wool felt surface were carrying higher loads than the specimens impacted at the woven jute fabric surface.     

Deformation of PBO/epoxy plain weave fabric laminae followed using Raman spectroscopy

Understanding of microscopic deformation behaviour of plain weave fabric lamina is essential in the analysis of the macroscopic mechanical properties of woven fabric composites. Many analytical models have been proposed to predict elastic properties of woven fabric laminae. The present paper is an attempt is made to fit experimental data obtained from the analysis of fibre deformation using Raman spectroscopy to the slice array model (SAM) to predict the local fibre strain distribution in the loading direction along the defined cell of a plain-weave lamina. Another model is proposed that combines the slice array and the off-axis (crimp) model and the experimental data are shown to fit this model rather better.     

考虑双拉耦合的复合材料编织物各向异性超弹性本构模型

为了准确描述复合材料编织物的各向异性力学特性,首先,基于纤维增强复合材料连续介质力学理论提出了一种考虑纤维双拉耦合的复合材料编织物各向异性超弹性本构模型,该模型中单位体积的应变能被解耦为便于参数识别的纤维拉伸变形能、双拉耦合引起的挤压变形能和纤维间角度变化产生的剪切变形能;然后,给出了模型参数的确定方法,并通过拟合单轴拉伸、双轴拉伸和镜框剪切实验数据得到了本构模型参数;最后,利用该模型对双轴拉伸和镜框剪切实验进行了数值仿真,并将模拟结果与实验结果对比分析。结果表明:提出的本构模型适用于表征复合材料编织物在成型过程中由于大变形引起的非线性各向异性力学行为。所得结论表明提出的本构模型具有简单、实用的优点,且材料参数容易确定,可为复合材料编织物成型的数值模拟和工艺优化奠定理论基础。      

Micro-CT analysis of internal structure of sheared textile composite reinforcement

Simple shear is a deformation mechanism typical for a woven fabric during draping. The mesoscopic internal structure of the fabric differs between the non-deformed state and a sheared state. This paper presents an analysis of the internal structure of woven fabrics in a sheared state based on micro-CT (X-ray micro computed tomography) imaging of the internal structure of woven fabrics in a sheared state. Two methods for the analysis of the fabric geometry are used: automatic mapping of the local fibre directions based of the micro-CT image analysis and manual measurements of the yarns cross section shape, size and middle line coordinate of yarns on the micro-CT images. Changes of the fibre orientations within the yarns and of the yarn geometrical parameters in a carbon fibre twill woven fabric before and after shear deformation are quantified.     

铺层混杂对复合材料层压板侵彻性能的影响

本文利用MTS和冲击侵彻测试装置，研究了由芳香族聚酰胺纤维、高强聚乙烯醇纤维制成的织物通过不同铺层方式与酚醛/PVB树脂复合的层压板的准静态和冲击侵彻性能。结果表明，芳香族聚酰胺织物层的加入能显著提高高强维纶织物树脂复合材料层压板的准静态侵彻刚度。随着芳纶混杂体积分数的提高，铺层混杂复合材料层压板的准静态侵彻阻力、穿孔能量（或单位面密度穿孔能量）将随之增加。从防护装具性能/重量比和性能/价格比的角度考虑，在芳香族聚酰胺与高强聚乙烯醇织物铺层混杂复合材料层压板中，高强聚乙烯醇纤维混杂体积分数可以确定为20%左右。