Z-pin参数对复合材料T型接头拉脱承载能力的影响

利用二维平面应变模型对Z-pin增强T型接头试样进行失效分析,采用内聚力模型模拟界面的破坏情况,通过在分层的上下界面加入非线性弹簧元模拟Z-pin的增强作用,非线性弹簧元的力学性能(桥联律)由细观力学方法获得,数值结果与试验值吻合较好。在已验证有限元方法的基础上,研究了Z-pin直径、密度及植入角度等对T型接头拉脱承载能力的影响。结果表明:Z-pin增强可显著提高T型接头的拉脱承载能力,与未Z-pin增强的T型接头相比,Z-pin增强明显延缓了掉载;T型接头的拉脱承载能力随Z-pin直径和密度的增加而增大,随植入角度的增大而减小;在所研究的角度范围内,当植入角度为60°时,T型接头的拉脱承载能力最好;Z-pin直径和密度对拉脱承载能力的影响远比植入角度的影响显著。     

Z-pin/缝合对复合材料T型接头剪切承载能力的影响

利用三维有限元模型对Z-pin/缝合增强试验件进行有限元分析,采用内聚力模型模拟界面的破坏情况,通过在分层的上下界面加入非线性弹簧元来模拟Z-pin/缝合的增强机制,非线性弹簧元的力学性能（桥联律）由细观力学方法获得。通过与试验结果的对比发现,由于未进行界面增强的T型结构的剪切承载能力已较高,Z-pin/缝合增强较难提高T型接头的剪切承载能力。从少数几种可提高T型接头的剪切承载能力的增强方案中可看到,应选择拉伸强度较高而拉伸模量较低的缝线来进行T型接头剪切界面增强设计。     

缝合增强复合材料帽型加筋壁板界面拉脱性能

为了防止复合材料帽型加筋壁板结构在服役过程中发生筋条与蒙皮的脱粘失效,引入了缝合技术来提高筋条-蒙皮界面拉脱性能.采用单线弯针缝合设备缝合纤维编织布,通过真空辅助树脂灌注技术(VARl)固化成型,制备缝合帽型加筋壁板试样.通过对试样进行筋条拉脱试验和有限元数值模拟,研究界面的失效机制及缝合参数对帽型加筋壁板界面结合性能的影响规律.结果表明:在拉脱载荷作用下,缝合试样的峰值载荷比未缝合试样明显增大.帽型试样的拉脱承载力随缝合密度的增大先增加后减小,在缝合密度(注:缝合密度表示缝合针距(单位mm)×行距(单位mm),下文同)为5×10时,相比未缝合试样,最高增加了26.7％;帽型接头的拉脱承载力随缝线细度的增加而增加,在缝线细度为1500 D时增加了39.7％.蒙皮/筋条厚度比为2时,结构拉脱承载力增加了27.35％,缝合的增强效果最明显.     

缝合复合材料T型加筋壁板的抗剪与抗弯性能

为了防止复合材料T型加筋壁板在服役过程中因剪切和弯矩作用而发生筋条与蒙皮的脱粘失效,引入了缝合技术来提高筋条-蒙皮界面的结合性能.采用自主研发的单线弯针缝合设备来缝合干纤维,通过真空辅助树脂灌注技术(VARI)固化成型,脱模后制成缝合T型加筋壁板试样.通过对试样进行剪切和弯曲试验,研究缝合的增强机理以及缝线细度对T型接头性能的影响规律.结果表明:在剪切应力作用下,缝合试样的峰值载荷比未缝合试样有明显提高,随着缝线细度增大,T型接头的峰值载荷升高,缝线细度增大到1 500 D时,峰值载荷提高55. 0% .在弯曲应力作用下,随着缝线细度的增大,T型接头的峰值载荷先升高后降低.缝合对T型接头在两种不同应力下的初始损伤载荷均无明显影响.     

三维机织复合材料/钛合金混杂板缝合连接剪切失效机理EI北大核心CSCD

为研究缝合密度、缝线纤维束规格以及钛合金板上预制的缝合孔直径对经过缝合的三维机织复合材料/钛合金混杂板缝合连接结构抗剪切能力的影响,对7组缝合参数各不相同的单搭接实验件进行剪切实验。通过加载条件下的原位细观实验观察,获得不同缝合参数下接头的失效模式,给出对应载荷-位移曲线上特征点的损伤形貌。结果表明:增加碳纤维缝线的丝束规格以及增加缝合密度均能提高混杂接头的失效载荷,且增加缝合密度比增加碳纤维缝线的丝束规格对提高失效载荷的效果更明显;缝合孔直径为2 mm或4 mm对结构承载能力无明显影响,当缝合孔直径达到6 mm时,承载能力明显降低;通过细观原位力学实验观察了三维机织复合材料/钛合金混杂板缝合结构剪切破坏过程;实验结果表明,搭接区的失效模式有缝线纯剪断、缝线抽出与剪断混合以及缝线挤出/剪断混合3种。缝合密度的变化是接头失效模式改变的主要因素。     

含脱胶缺陷复合材料L形接头拉脱强度实验研究

为考察脱胶缺陷对整体化结构在面外拉伸载荷下承载能力的影响, 实验研究了脱胶形状、间距、位置和尺寸对L形接头拉脱强度的影响规律, 定量评估了脱胶对L形接头拉脱强度的影响程度, 提出了脱胶缺陷对L形接头拉脱强度影响的定量表征参数。结果表明, L形接头的拉脱强度对脱胶形状、脱胶间距的变化不敏感, 对脱胶位置和脱胶尺寸的变化较为敏感; 位于填充区所在胶接面区域的脱胶对L形接头拉脱强度影响最大; 随着脱胶尺寸特别是填充区所在胶接面脱胶尺寸的增大, 拉脱强度显著降低。     

T型接头蒙皮厚度对Z-pin增强效果的影响

在关于拉脱载荷下Z-pin增强T型接头的有限元模拟方法基础上,通过对2组蒙皮厚度分别为7.2 mm和4.0 mm的试验件的试验结果进行分析,研究了T型接头蒙皮厚度对Z-pin增强效果的影响。结果表明:Z-pin增强效果随着蒙皮厚度的减小而增大。蒙皮厚度大于5 mm,Z-pin不能提高结构的最大承载能力,但可显著提高结构首次掉载后的承载性能,使T型接头在较大的加载位移下仍保持较高的承载能力;无论蒙皮厚薄,结构首次掉载后,各Z-pin增强T型接头可达到的载荷平台是相当的,且该载荷平台随蒙皮的变厚有降低的趋势。      

缝合复合材料可用性——一般层合板的基本性能

通过试验研究了缝合T300帘子布/QY9512常用层合板的拉伸和压缩性能,考察了缝合方向、铺层顺序和环境因素对层合板拉、压性能的影响,得到了3种常用层合板及其孔板的拉伸、压缩强度与模量。研究结构表明:缝合与缝合方向对常用层合板的拉伸强度与模量的影响不大;不同铺层顺序层合板的拉伸强度和模量受缝合与缝合方向的影响程度不同。缝合方向与铺层形式对孔板的缝合效果均有影响,层合板的最佳缝合方向随铺层形式不同而发生变化。缝合对层合板湿热状态下压缩性能的影响与铺层顺序有很大关系。缝合使含孔层合板的干态常温压缩强度明显提高,使湿热时的强度明显降低。      

z-pin增强复合材料T型接头层间性能的建模与分析

提出了基于z-pin桥联力试验的z-pin增强复合材料T型接头层间性能的模拟方法。每根z-pin的作用有两部分: 增加了分层的张开阻力与剪切阻力。在有限元模拟中通过在相应的节点上加两个方向（竖直方向和水平方向）的非线性弹簧模拟张开阻力和剪切阻力。通过张开型z-pin桥联力试验和剪切型z-pin桥联力试验得到两条力位移曲线, 再把曲线各自赋予到所有竖直非线性弹簧和水平非线性弹簧, 从而模拟z-pin对复合材料T型接头层间性能的增强效果。在T型接头拉拔试验模拟分析中, 研究了不同跨距和不同z-pin间距对拉拔力的影响。模拟分析表明跨距对拉脱位移影响较大, z-pin间距对最大拉拔力影响较大。      

缝合密度对缝合/VARI成型复合材料力学性能的影响EI北大核心CSCD

采用改进锁式缝合和真空辅助树脂注射(VARI)成型工艺制备不同缝合密度的碳纤维/环氧树脂复合材料,研究缝合行距和缝合针距对复合材料力学性能的影响,得出最佳缝合密度。结果表明:随着缝合行距的增大,拉伸性能和弯曲性能均有所提升,层间剪切强度先增大后减小;随着缝合针距的增大,拉伸性能和弯曲性能均有提高的趋势;当缝合密度为5 mm×8 mm时,缝合复合材料具有最佳的综合力学性能,与未缝合复合材料相比,拉伸强度和模量分别下降了13.3%和12.7%,弯曲强度和模量分别下降了23.0%和25.2%,层间剪切强度提高了11.3%。     

Parametric analyses of stitched composite T-joints by the finite element method

Numerical methods were employed to perform a detailed parametric study on composite T-joints with transverse stitching using the finite element method. This analysis was accomplished to discern the effects of key joint parameters including fiber insertion tow modulus, fiber insertion filament count, fiber insertion depth, and resin-rich interface zone thickness on T-joint displacement and damage initiation load. T-joint load conditions included flexure, tension, and shear. Significant results of the parametric finite element analysis indicate that under flexural loading, increasing the fiber insertion tow modulus and tow filament count increases the T-joint damage initiation load; increasing the fiber insertion depth reduces T-joint deflection; and reducing the web-to-flange interface thickness reduces the T-joint deflection. Fiber insertion tow filament count and modulus have a negligible effect on T-joint deflection under tension and initial damage load under shear.     

Analysis of stitched laminated ENF specimens for interlaminar mode II fracture toughness

Two simple micromechanics based models are proposed to predict the effect of through-thickness reinforcement (stitching) on the improvement of delamination crack growth resistance in end-notched flexure (ENF) specimens. In the first model, it is assumed that stitches stretch elastically and then rupture when the load carried approaches the failure load. In the second model, it is assumed that stitches are discontinuous and that the stitch thread-matrix interface is completely frictional. Approximate closed form solutions for energy release rates are obtained, and the effects of stitch density, matrix-stitch thread interfacial shear stress, stitch thread diameter, volume fraction of stitches, critical energy release rate and Young's modulus are then examined. A simple design study for sizing the ENF specimen to minimise geometric nonlinear response is presented. The influences of interlaminar shear deformation and friction between the crack surfaces on the strain energy release rate are examined.     

考虑纤维损伤的大孔口层合板缝合补强等效力学模型

针对含大孔口层合板（层合板宽度D与开孔半径R的比例D/R<6）缝合补强,考虑缝合线对面内纤维造成弯曲、断裂及针脚处夹杂和富树脂区的影响,利用有限元软件建立了大孔口层合板缝合补强模型。在拉伸载荷作用下,计算了不同缝合参数（针距、行距、边距、缝合线直径、缝合线张力）对层合板力学性能的影响。并将不同缝合参数对面内纤维造成的损伤等效为孔径的扩展,建立其等效开孔无边缘效应层合板有限元模型,得出了缝合补强时不同缝合参数对层合板整体承载能力的影响规律。针距越小,层合板承载能力越低;当针距小于3.14 mm时,随着边距的增大,层合板承载能力单调减小;当针距介于3.14 mm与6 mm之间时,随着边距的增大,层合板承载能力呈现出类似于正弦函数的变化形式,且整体趋势增大;当针距大于6 mm时,随着边距的增大,层合板承载能力单调增大;当中心圆孔的0°与90°位置存在针脚缺陷时,易造成层合板提前破坏。      

整体缝合夹芯结构复合材料压缩性能

设计了一种新型整体缝合夹芯结构。采用真空导入模塑工艺(VIMP)制备整体缝合夹芯结构复合材料, 研究其在平压载荷作用下的力学性能和破坏模式, 建立其有限元模型, 研究缝合纱线用量对整体缝合夹芯结构复合材料平压力学性能的影响。结果表明:该新型整体缝合夹芯结构复合材料能够在提高缝合纱线数量的同时避免一般斜缝方式引起纤维交叉损坏的弊端。整体缝合夹芯结构复合材料的压缩强度和压缩模量随着缝合纱线数量的增加而增大, 但缝合纱线含量较高时, 比压缩强度有所下降。数值计算结果与试验结果对比分析, 验证了所建立有限元模型的合理性, 说明该模型可用于预测其压缩模量。      

X-cor夹层结构拉伸模量有限元分析

通过分析X-cor夹层结构中Z-pin端部的细观结构,提出Z-pin端部树脂区椭圆形态的基本假设并建立X-cor夹层结构拉伸模量的有限元模型,利用大型有限元软件ANSYS对其拉伸模量进行了数值计算。研究了Z-pin植入角度、直径和密度的改变对X-cor夹层结构拉伸模量的影响。结果表明:X-cor夹层结构的拉伸模量随Z-pin植入角度增加而减小,随Z-pin直径和密度增加而增加。通过有限元模型的计算,得到了X-cor夹层结构参数对其拉伸模量的影响规律,数值计算结果误差范围是±10%,验证了所提的有限元模型的合理性,说明该模型可用于预测其拉伸模量。     

缝合参数对泡沫夹层结构复合材料力学性能的影响

采用真空辅助树脂注射(VARI)成型工艺制备不同缝合方式和缝合密度的缝合泡沫夹层复合材料, 研究缝合参数对平面拉伸、三点弯曲、芯子剪切以及滚筒剥离性能的影响。结果表明: 缝合使泡沫夹层复合材料的平面拉伸强度和芯子剪切强度明显降低, 可以改善弯曲性能并大幅提高滚筒剥离性能, 改进锁式缝合方式优于临缝式缝合方式; 适当地增加缝合行距对力学性能有一定的积极作用, 但不利于滚筒剥离性能的提高; 与未缝合泡沫夹层复合材料相比, 当缝合密度为30 mm×10 mm时, 改进锁式缝合泡沫夹层复合材料的平拉强度和芯子剪切强度分别降低了14.75%和24.79%, 弯曲强度和平均剥离强度分别提高了7.96%和80.78%。     

缝合复合材料层板的面内拉伸强度预报

建立了缝合复合材料层板的面内拉伸强度模型,该模型考虑了缝合线对缝合层板拉伸强度的影响,将缝合线等效为椭圆形夹杂,应用含椭圆形夹杂的杂交应力单元建立了该模型的细节应力分析方法,通过引入特征长度的概念,采用点应力准则和最大应力判据实现了缝合层板的拉伸强度预报.试验数据和预报结果吻合较好,证明了该模型的有效性.同时系统讨论缝合参数对拉伸强度的影响规律,得到了一些重要结论.     

Fatigue Behaviour of Composite T-Joints in Wind Turbine Blade Applications

This paper presents a study of fatigue performance of composite T-joints used in wind-turbine blades. A T-joint with various fibre reinforcement architectures were selected to investigate its fatigue behaviour. The 3D angle interlock T-joint was found to have the best performance in both static and fatigue loading. Increasing the static properties increases fatigue performance while the increasing rate in life performance is changed with the number of fatigue cycles. A finite element (FE) model was developed that can determine the stress distribution and the initiation and propagation of a delamination crack. The location for through-thickness reinforcement is very important to improve fatigue performance of composite T-joints. Fatigue performance is significantly improved for the web with through-thickness reinforcement while fatigue performance is decreased if the through-thickness reinforcement is applied to the flange-skin regions. The interlaminar veil significantly increases the ultimate strength under static load but fatigue performance at high stress cycles is increased but not significantly.