缝纫泡沫夹芯复合材料的刚度预测与试验验证

基于材料细观结构,建立了缝纫泡沫夹芯复合材料的刚度预测模型,并进行了刚度性能的相关试验验证。其中,对缝纫复合材料层合面板部分,考虑了缝纫角对单胞尺寸和富脂区大小的影响,以及缝纫前后层合面板厚度的变化对复合材料面板纤维体积含量的影响,采用改进的纤维弯曲模型计算了缝纫复合材料层合面板的刚度;对缝纫增强的泡沫夹芯部分,把缝线树脂柱看作是泡沫基体中的增强相,将其简化为特殊的单向增强复合材料,提出了用串并联组合模型来预测其刚度。试验测试了缝纫泡沫夹芯复合材料板试件的刚度。应用本文模型对缝纫层合面板和缝纫泡沫夹芯复合材料板的刚度进行预测,结果均与试验结果吻合较好。采用理论模型系统研究了缝纫参数和结构参数对缝纫泡沫夹芯复合材料刚度的影响。     

缝纫泡沫夹芯复合材料失效强度的理论预测与试验验证

基于经典层板理论和细观力学桥联模型, 提出了缝纫泡沫夹芯复合材料失效强度的理论预测方法, 并进行了失效强度的相关试验验证。其中, 将缝纫复合材料面板看作单层组成的准层状结构, 采用经典层板理论进行逐层失效分析, 并同时考虑了局部皱曲的面板失效模式; 而对缝纫泡沫夹芯, 引入桥联模型计算其各组分材料中的应力, 并通过对各组分材料选取适当失效准则来建立失效判据; 对于缝纫泡沫夹芯复合材料采取逐级加载方式, 当面板或者夹芯失效时, 则认为其发生整体失效, 由此可以确定其在不同载荷形式下的失效强度。此外, 通过试验得到了缝纫泡沫夹芯复合材料板试件在平压、 侧压、 横向剪切及三点弯曲载荷形式下的失效模式及其失效强度, 并利用本文方法对缝纫泡沫夹芯复合材料的失效强度进行了理论预测, 所得结果与试验吻合, 证明了本文方法的有效性。      

缝纫泡沫夹芯复合材料细观纤维柱破坏行为

缝纫泡沫夹芯复合材料中的纤维柱在拔出过程中的破坏行为复杂导致结构承载性能难以预测。采用真空辅助树脂注射(VARI)工艺制备了缝纫泡沫夹芯复合材料,并使用层间拉伸试验(ITT)研究了缝纫泡沫夹芯复合材料中含有单根缝线纤维柱细观试件的破坏过程。讨论了不同破坏现象对缝线纤维柱拔出摩擦过程的影响,并分析了缝纫泡沫夹芯复合材料的破坏模式。分析了缝线粗细的变化对试件破坏过程中关键的力、位移等参数及能量吸收性能的影响。研究了由于成型工艺所导致的缺胶现象对缝纫泡沫夹芯复合材料性能的影响。结果表明:缝纫泡沫夹芯复合材料的能量吸收性能、关键位移参数及最大载荷都随着缝线变粗而增大。但是缝纫泡沫夹芯复合材料的破坏模式对其也有一定的影响,导致了变化趋势的波动;缺胶缝纫泡沫夹芯复合材料由于缺陷的存在,最大破坏载荷和能量吸收性能均有所下降。     

泡沫夹芯复合材料水声性能预测研究

针对泡沫夹芯复合材料声学测试的实际情况,建立了耦合声学有限元法的计算模型,针对计算模型进行了算例验证。结果表明,模型的预测值与试验值趋势吻合较好,计算方法是有效且可行的,可以用于预测泡沫夹芯复合材料的声学性能。同时,研究了与面板和芯材有关的四个参数对夹芯复合材料声学性能的影响规律。     

复合材料夹芯梁屈曲破坏模式及极限承载

为研究复合材料夹芯梁在轴压作用下的屈曲、后屈曲特性及承载能力,进行了试验研究与有限元仿真。首先,开展了系列复合材料夹芯梁屈曲特性试验,研究了铺层比例、梁长度、表层厚度及芯层厚度等因素对其屈曲、后屈曲破坏模式及极限承载的影响;然后,基于非线性屈曲理论,采用三维内聚力界面单元模拟面芯脱粘,并引入初始预变形及材料损伤准则对复合材料夹芯梁在轴压下的屈曲特性及极限承载进行仿真研究。结果显示:界面脱粘是屈曲破坏的重要模式;仿真计算的极限承载与试验结果相比,误差控制在10%以内。所得结论表明该方法可有效预报复合材料夹芯梁的后屈曲路径、破坏模式及极限承载。      

接头局部增强的复合材料层合板螺栓连接试验与数值模拟

采用真空辅助成型工艺（VARI）制备了四种局部增强的复合材料层合板螺栓连接试件,通过试验及数值模拟对其力学性能进行了研究。数值研究中将复合材料层合板连接件的拉伸作为一个准静态问题,运用ABAQUS的显示分析算法及所编写用户材料子程序VUMAT对连接件进行了三维渐进失效模拟,同时在有限元模型中采用内聚力单元模拟了层合板与所设增强层的界面分层失效。数值计算结果与试验结果取得了较好的一致,验证了本文中数值方法的有效性。研究结果表明,不同的局部增强方案对复合材料螺栓连接性能的影响较大,设置[0/90/0/90]_S铺层的内置纤维增强层能显著提高层合板的螺栓连接性能。     

Kevlar纤维缝纫泡沫芯材复合材料力学性能研究

基于热压罐成型工艺,制备了kevlar纤维缝纫泡沫芯材复合材料夹层板,并通过扫描电镜观察了胶膜中的树脂在kevlar纤维束之间的浸润状态,为工程化应用提供参考.选取未缝纫泡沫夹芯复合材料和碳纤维预浸料缝线缝纫泡沫芯材复合材料夹层板为对比试样,实验研究了kevlar纤维缝纫泡沫芯材复合材料夹层板的平压、剪切和侧压力学性能,并考察了缝纫针距、行距的变化对其力学性能和破坏模式的影响.研究表明:在真空压力下,胶膜中的树脂与kevlar纤维浸润良好;对泡沫芯材进行kevlar纤维缝纫增强后,其力学性能显著提高,并改变了夹层板的破坏机理.实验范围内,随着缝纫密度的提高,平压强度和模量增大;夹层板剪切性能和侧压性能受缝纫密度的影响较大,在缝纫参数(缝纫行距×针距)为10 mm×10 mm时,增强效果较佳,其剪切强度和侧压强度分别提高了44%和21%,剪切模量和侧压模量分别提高了34%和127%.     

基于分层理论的螺栓连接夹芯复合材料加筋结构振动特性

针对采用螺栓连接方式固定的夹芯复合材料加筋结构,表层采用分层理论单元、芯层采用体单元,结合有限元方法计算固有频率和振型。通过试验验证,有限元计算结果与试验结果吻合,并得到了在有限元分析中模拟实际结构边界条件的处理方法。试验结果对比表明,与钢制结构相比,夹芯复合材料加筋结构前三阶固有频率提高2倍以上,夹芯复合材料加筋结构能大幅提高整体结构刚度,改善结构的振动特性。      

泡沫填充的S型褶皱复合材料夹芯板低速冲击响应特性

为了研究泡沫填充褶皱夹芯结构低速冲击响应特性与损伤机制,采用热压法制备了玻璃纤维增强S型褶皱夹芯板,并使用聚氨酯泡沫进行了填充,通过落锤试验机对夹芯板节点与基座两个位置进行了冲击试验.研究表明,冲击位置对泡沫填充褶皱夹芯板的失效模式存在影响.当冲击位置为节点时,夹芯板芯子以凸侧面曲面壁压溃断裂失效为主,泡沫的填充起到了...     

热塑性复合材料夹芯结构熔融连接研究进展

面芯界面性能是复合材料夹芯结构发挥其力学/多功能优势的关键,热塑性树脂具有可熔融再造的特点,使热塑性复合材料夹芯结构(TPCSS)可在不引入新材料的前提下,形成连续可靠的面芯界面。对近年来热塑性复合材料夹芯结构熔融连接研究进展进行了梳理,总结了常见构型与所用材料,重点归纳了主要的熔融连接方法,包括热板焊接、模压成型、连续热压、面芯共编和增材制造等。基于国内外研究和应用现状,展望了熔融连接热塑性复合材料夹芯结构的未来发展趋势和应用前景。     

泡沫铝夹心板的制备及其界面结合机理的研究

由泡沫铝芯材与金属面板构成的夹心结构具有轻质、高强度、良好的减震性等优点.现存的泡沫铝夹心板的制备方法很多,但均为先制备芯材再进行连接的方法.本研究提出一种新的工艺方法即采用粉末与面板直接轧制然后发泡的方法制备了Fe/Al/Fe泡沫铝夹心结构.研究了泡沫铝芯的发泡不均的问题,分析了发泡前和发泡后面板与泡沫铝芯的冶金结合过程,提出了扩散微观结合机理.最终面板与泡沫芯材通过扩散反应形成了牢固的冶金结合.     

Experimental study on fatigue failure and damage of sandwich structure with PMI foam core

Sandwich structures consisting of aluminium skin sheets and polymethacrylimide foam core have been gradually used in the high‐speed trains. The static mechanical properties and fatigue damage of the sandwich structures with polymethacrylimide foam core were experimented in three‐point bending and were discussed. The failure mode is identified as local indentation. The static strength was obtained, and it showed good consistency with the forecasting formula. The fatigue property and damage evolution were also researched under cyclic loading. The fatigue life curve and the fitting formula were submitted. The fatigue damage evolution started from the skin sheet fracture and then the foam core indentation. The displacement at the midpoint as the damage parameter was discussed, and the evolution prediction formula was submitted, which showed great agreement with the experimental results.     

Z 向增强泡沫夹芯复合材料冲击损伤及冲击后压缩性能

基于热压罐成型工艺, 选择了树脂柱Z向增强泡沫芯材、碳纤维Z向增强泡沫芯材、Kevlar纤维缝纫增强泡沫芯材3种Z向增强复合材料结构, 对夹芯结构进行了低速冲击损伤和冲击后压缩(CAI)性能研究, 考察了不同Z向增强方式对冲击损伤面积和破坏模式的影响。结果表明, Z向增强对泡沫芯材产生了初始损伤, 其冲击后损伤面积大于未增强泡沫夹芯结构; 但Z向增强改变了夹芯结构的压缩破坏机制。通过选用合适的Z向增强材料和Z向增强参数, 能够提高夹芯结构的压缩强度和CAI强度。其中当增强材料为碳纤维, 增强参数为10 mm×10 mm时, 压缩强度提高了13%, CAI强度提高超过40%。     

Quasi-static indentation tests on aluminium foam sandwich panels

Mechanical response and energy absorption of aluminium foam sandwich panels subjected to quasi-static indentation loads were investigated experimentally. These sandwich panels consisted of two aluminium face-sheets and a closed cell aluminium foam core (ALPORAS®). Quasi-static indentation tests were conducted using an MTS universal testing machine, with sandwich panels either simply supported or fully fixed. Force–displacement curves were recorded and the total energy absorbed by sandwich panels was calculated accordingly. Videos and photographs were taken to capture the deformation of top face-sheets, foam cores and bottom face-sheets. Effects of face-sheet thickness, core thickness, boundary conditions, adhesive and surface condition of face-sheets on the mechanical response and energy absorption of sandwich panels were discussed.     

全厚度缝合复合材料泡沫芯夹层结构力学性能研究与损伤容限评定

探索了全厚度缝合复合材料闭孔泡沫芯夹层结构低成本制造的工艺可行性及其潜在的结构效益。选用3 种夹层结构形式, 即相同材料和工艺制造的未缝合泡沫芯夹层和缝合泡沫芯夹层结构及密度相近的Nomex 蜂窝夹层结构, 完成了密度测定、三点弯曲、平面拉伸和压缩、夹层剪切、结构侧压和损伤阻抗/ 损伤容限等7 项实验研究。结果表明, 泡沫芯夹层结构缝合后, 显著提高了弯曲强度/ 质量比、弯曲刚度/ 质量比、面外拉伸和压缩强度、剪切强度和模量、侧压强度和模量、冲击后压缩(CAI) 强度和破坏应变。这种新型结构形式承载能力强、结构效率高、制造维护成本低, 可以在飞机轻质机体结构设计中采用。      

液态扩散焊制备泡沫铝夹芯板及其疲劳行为

采用超声辅助液态扩散焊接的方法制备冶金复合泡沫铝夹芯板,利用光学显微镜（OM）和SEM观察冶金复合样品的界面组织和结构,发现连接界面发生了侵蚀作用,接头均匀连续;EDS线扫结果表明,连接界面处焊接合金（Zn-10Al）和铝基体间的元素扩散现象明显,表明在超声作用下,基体材料表面氧化膜被破坏,枝晶在界面附着生长,形成良好的冶金连接。将制备的冶金复合样品和胶黏泡沫铝夹芯板样品进行三点弯曲疲劳对比试验,结果显示,冶金复合样品和胶黏样品的疲劳极限分别达到3 058 N和2 829 N。在相同载荷下,冶金复合样品的疲劳寿命（S-N）远远长于胶黏样品。两种样品的疲劳破坏方式完全不同,胶黏样品表现为面板和芯层黏接面的脱黏剪切破坏,冶金复合样品的疲劳剪切破坏出现在泡沫铝芯层,没有出现面板脱离现象。     

镁的添加对制备泡沫铝夹芯板泡孔稳定性的影响

通过粉末-铝板复合轧制方法制备出一种界面为冶金结合的泡沫铝夹芯板.分别采用对发泡剂的处理和添加Mg元素的方法来提高芯材泡沫的稳定性.研究发现只有同时对发泡剂处理以及添加Mg元素才能够提高泡沫的稳定性.研究了此种方法中重要的泡沫稳定机制,Mg元素的添加改善了铝硅合金粉末原料生产过程中产生的氧化物颗粒在孔壁上的润湿性,使氧化物颗粒嵌入孔壁中,阻碍了孔壁上金属排液现象的产生,有效的起到稳定泡孔的作用.     

齿板-玻璃纤维/聚氨酯泡沫芯夹层梁的低速冲击性能

提出了一种由齿板-玻璃纤维（TP-GF）混合面板和聚氨酯（PU）泡沫芯材组成的新型TP-GF/PU泡沫夹层梁,结构中金属板通过齿钉压入GF与内部芯材连接,该夹层梁采用真空导入模压工艺制作。通过低速冲击试验,研究了不同冲击能量、纤维厚度和泡沫密度下TP-GF/PU泡沫夹层梁的冲击响应和损伤模式,并与普通的夹层梁进行了对比分析;通过双悬臂梁试验研究了混合夹层梁的界面性能,计算了夹层梁的应变能释放率。结果表明:在22 J、33 J、44 J能量冲击下,泡沫芯材密度为150 kg/m3的TP-GF/PU泡沫夹层梁的最大接触力较普通夹层梁分别提高了31.2%、48.6%、33.3%,冲击能量吸收分别增加了17.2%、11.3%、15.5%;随着冲击能量、面板纤维层数及芯材密度的增加,TP-GF/PU泡沫夹层梁最大接触力增大,密度较低的TP-GF/PU泡沫夹层梁损伤形式主要为面板的局部弯曲,而芯材密度较高的TP-GF/PU泡沫夹层梁则以穿透损伤为主;增加泡沫芯材密度和面板纤维厚度能够提高TP-GF/PU泡沫夹层梁的抗冲击性能,随着芯材密度的增大TP-GF/PU泡沫夹层梁的应变能释放率峰值越高,界面性能越好。