含预置分层复合材料层合板低速冲击损伤分析

以T300/QY8911碳纤维复合材料层合板为研究对象，利用三维Hashin失效准则对层内损伤进行预测，引入Cohesive界面单元模拟层间分层破坏，使用Camanho刚度退化准则确定材料参数退化方案，并编写了用户材料子程序Vumat，利用ABAQUS软件对预置不同分层损伤复合材料层合板低速冲击过程进行了数值仿真模拟。在冲击载荷作用下研究层合板的动力学响应，得到不同预置分层对层合板总分层损伤面积的影响，同时分析了冲击过程中冲击点位移随时间变化的规律。结果表明：预置分层位置离层合板中间层越远，层合板抵抗冲击承载能力越弱。预置分层的分层数目越多，层合板的刚度越低，层合板抵抗冲击承载能力越弱。在预置分层的两侧，层间分层损伤面积呈塔状分布。含预置分层层合板受到冲击时，预置分层对分层损伤的扩展具有一定的抑制作用。     

重力效应对VARTM工艺中树脂充模过程的影响

采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺制备了环氧树脂/亚麻纤维复合材料层合板,记录了树脂在不同树脂流动倾角下的充模时间。通过对层合板进行拉伸、弯曲性能测试,研究了树脂流动倾角对复合材料层合板力学性能的影响。结果表明,在VARTM工艺过程中重力效应对树脂充模时间和层合板力学性能有显著影响;充模时间随着树脂流动倾角的增大(从–90°至90°)而增加;复合材料层合板的拉伸强度、拉伸弹性模量、弯曲强度、弯曲弹性模量等均随树脂流动倾角的增大而增大,树脂流动倾角对弯曲强度的影响最大,且对强度的影响高于模量。由于树脂流动倾角影响了树脂与亚麻纤维的结合情况,导致树脂流动倾角为–90°和90°的复合材料层合板在拉伸与弯曲失效时拥有不同的失效形式。     

电⁃湿耦合作用下碳纤维增强树脂基复合材料损伤机制

针对航空结构碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在电⁃湿耦合多场作用下的损伤机制进行研究,采用复合材料电⁃湿耦合环境测试平台对CFRP试样进行电⁃湿耦合处理,对试样表面温度进行实时监测,获得试样表面温度随电流强度大小与通电时间的变化规律,以及不同电流强度下CFRP试样的失重率变化;对不同环境条件处理后的CFRP试样进行弯曲性能测试,并对其断口形貌与表面形貌进行观测和分析。结果表明,通电电流强度越大,CFRP试样的表面稳定温度越高,同一电流值处理下CFRP试样表面稳定温度随通电时间的增加呈上升趋势;经9 A电⁃湿耦合处理24 h后的试样,其试样吸湿开始大于脱湿,经10 A电⁃湿耦合处理96 h后的试样达到吸湿⁃脱湿平衡,经12 A、15 A电⁃湿耦合处理后的试样出现不同程度的质量损失;不同电流强度电⁃湿耦合处理后,对界面均有一定程度损伤,使得弯曲强度下降,下降幅度与电流强度呈正相关。     

电热载荷对CFRP复合材料冲击后压缩性能研究

采用实验室电热载荷试验环境与测试平台,测试了CFRP复合材料在多种电流制度下试样的表面温度分布,并获得了CFRP复合材料电阻在不同电流强度下的变化规律,初步揭示了CFRP复合材料的电阻与电流强度之间呈线性递减的关系;对五种不同电流处理的CFRP复合材料进行了冲击后的剩余压缩强度试验(CAI)测试,试验后采用超声C扫描检测、外观检查与断口侧面宏观观察方法对损伤与失效特征进行了对比分析。研究结果表明,CFRP复合材料的剩余压缩强度随通入电流强度的大小呈先保持不变后下降的趋势,当电流超过20A时,试样表面冲击凹坑深度和冲击损伤面积增长较快,分层损伤与纤维断裂现象越来越严重。     

含预置裂纹的CFRP层合板弯曲性能研究

分别对含有不同位置、角度和长度预置裂纹的T700/6240复合材料层合板进行三点弯曲实验并结合微观表征手段以研究不同裂纹参数对层合板弯曲性能和失效方式的影响,并建立裂纹长度与试样弯曲强度和模量之间的关系模型。利用ABAQUS有限元软件建立含有预置裂纹的复合材料层合板三点弯曲模型,对比验证有限元方法与实验结果的一致性。结果表明,含有不同参数预置裂纹层合板的弯曲强度和模量均小于完好试样,预置裂纹位置从层合板的上层移至下层,弯曲强度下降幅度由19. 10%减小至6. 24%,模量的下降幅度在11. 34%～12. 97%之间;裂纹角度的增加对弯曲强度没有趋势性影响,但会导致其弯曲模量不断降低,裂纹角度为90°时较完好试样分别降低了19. 10%和12. 97%;裂纹长度的增加导致弯曲强度和模量分别呈线性和三次曲线递减。有限元仿真计算结果与实验值对比的误差小于10%,验证了有限元方法的可靠性。     

复合材料拐角的抗冲击性能实验研究

由于树脂基复合材料层合板对冲击作用比较敏感,因此,在使用过程中受到低能冲击时,极易产生不可见损伤,造成复合材料在强度和刚度上的损失,严重威胁结构的安全使用性。本文借助四点弯曲实验分别对五种不同铺层的乙烯基树脂/玻纤复合材料拐角在不同能量冲击后的弯曲刚度衰减进行了测试,讨论了不同铺层和冲击能量对复合材料拐角抗冲性能的影响。研究结果表明,随着冲击能量的增加,冲击损伤越明显,剩余弯曲刚度越低,各种铺层冲击破坏面积与刚度下降呈现基本一致的趋势;相邻铺层的铺层角相差越小,复合材料拐角的弯曲刚度越大,冲击后弯曲刚度损耗越小,[45°/0°/-45°/90°]铺层的冲击后刚度损失率最低,正交铺层的试样组抗冲击性能最差。     

冲击损伤对CFRP层合板拉伸-渗漏性能的影响研究

复合材料对于各种冲击具有敏感性,当其受到一定的冲击后,在材料内部通常会发生如基体开裂、层间滑脱、基体挤压破坏、分层和脱层、纤维挤压变形以及纤维断裂等损伤,这些损伤对复合材料的性能影响很大.本文选用五类CFRP层合板试件,各个试件的相对体积孔隙率均不大于0.1％,低于其力学性能变化的临界值,可以忽略孔隙率对本试验的影响....     

复合材料层合板静压痕试验及全过程数值分析

复合材料层合板在静压痕力作用下主要发生层间分层、基体开裂、基体压缩破坏、纤维断裂和纤维压坏这几种损伤模式。本文利用ABAQUS有限元程序,对在静压痕力作用下的复合材料层合板建立一个基于Hashin强度准则的全过程模型,并对各层各单元进行损伤演判。利用有限元模型对碳纤维NCF材料层合板在静压痕力作用下的荷载-位移曲线进行预测,并模拟层合板的损伤全过程,以及预测凹坑深度与静压痕力的关系曲线。对层合板进行静压痕试验,测试复合材料层合板在静压痕力作用下的荷载-位移曲线,并在试验过程中用凹坑深度仪测量层合板的凹坑深度。将数值模拟与试验结果比较,两者结果较为吻合。     

基于拉伸载荷的碳纤维/环氧树脂层合板疲劳断裂机理

为研究拉伸载荷下碳纤维/环氧树脂层合板的疲劳性能，开展了4种应力水平下的T300/6511碳纤维平纹织物层合板的拉-拉疲劳实验，得到了不同应力水平下层合板的疲劳寿命。采用超声波C扫和扫描电子显微镜（SEM）观察断口形貌及内部损伤，讨论复合材料疲劳损伤发展积累过程和断裂机理。通过复合材料疲劳有限元分析模型，模拟了复合材料织物层合板疲劳损伤积累和失效过程，绘制了S-lg N曲线，分析发现模型预测的疲劳寿命及失效模式与实验结果吻合良好。疲劳加载时，层合板两侧自由边的表面首先出现基体开裂和分层损伤，随后诱发基体与纤维间界面破坏，损伤加剧，并迅速向内侧扩展；最后大量纤维和基体断裂，损伤贯穿整个截面，导致疲劳断裂。     

玻璃纤维二维平纹编织复合材料高温弯曲力学行为研究

对玻璃纤维2维平纹编织复合材料在6个不同温度下的弯曲性能进行了实验测试,研究了温度对编织复合材料层合板的载荷-挠度曲线、弯曲强度、弯曲模量和失效模式的影响。结果表明:在三点弯曲载荷作用下,2维编织复合材料层合板跨中发生了局部纤维束屈曲失效和基体的开裂与分层失效。温度对玻璃纤维复合材料的力学性能和失效形式产生了重要影响。在高温环境中玻璃纤维2维平纹编织复合材料的弯曲力学性能迅速下降,当试验温度从20℃升高至115℃时,层合板的弯曲强度和模量分别下降了91%和66%。随着温度的升高,2维编织复合材料层合板的弯曲失效变形行为也发生了转变,逐渐由脆性破坏转变为塑性变形失效。     

层合板切口强度和切口敏感性的试验研究

提出了在复合材料板中人工预制尖锐切口的方法。进行了切口呼无切口试样在载荷方向垂直于和平行于纤维面的三点弯曲破坏试验。测定了玻纤／环氧层合板的切口强发口敏感度。探讨了玻纤／环氧层合板的线弹性断裂力学的适用性，借助复合材料的ＷＥＫ断裂模型估计层合板在尖切口前沿的损伤区尺寸。预测了切口强度。结果表明：对于玻纤／环氧层合板，若根据平面应变和小范围屈服的力不条件选择试样尺寸，则其三点弯曲的断裂应力、等效尖     

国产碳纤维CCF300增强QY8911双马树脂含孔复合材料拉压疲劳试验研究

碳纤维树脂基复合材料（CFRP）层合板的疲劳性能决定了结构的安全性和可靠性。其寿命预测的研究具有重要的工程意义。依据碳纤维复合材料拉压疲劳试验标准,对含孔国产碳纤维CCF300／QY8911复合材料进行了5个不同应力水平下拉压疲劳试验,分析了疲劳试样断口,表征了中央含孔国产碳纤维CCF300／QY8911复合材料在疲劳载荷作用下的破坏过程,获得含孔复合材料层合板的条件疲劳极限,在此基础上,建立了复合材料的S-N曲线。利用该曲线可对中央含孔复合材料进行疲劳寿命预测。10^6下的条件疲劳极限为平均应力的48％（即150．3MPa）。     

干燥温度对CFRP力学性能的影响及作用机理

采用2种环境温度(70、85℃)对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板进行干燥处理,并对CFRP层合板分别进行拉伸、压缩和剪切实验,研究了中温干燥条件对CFRP层合板力学性能的影响,通过扫描电子显微镜和红外光谱,分析了中温干燥环境对CFRP层板的影响机理;通过最小二乘法拟合方法,提出了干燥环境下CFRP层合板力学性能的预测公式。研究结果表明:与未经干燥的试样相比,经中温干燥环境处理的CFRP层板的90°拉伸强度增加24. 99%,±45°剪切强度下降12. 92%;中温干燥环境对CFRP层合板力学性能的影响是由后固化作用和复合材料内部的热应力共同决定的,在中温干燥环境下,CFRP层合板未发生化学结构变化,CFRP层合板中的环氧基发生了进一步交联,环氧基树脂被后固化增强;拟合建立的不同干燥条件下的力学性能预测公式与实验结果基本一致。     

基于模态声发射的碳纤维增强复合材料损伤机制识别

针对碳纤维增强复合材料(CFRP)损伤机制复杂、损伤声发射信号识别困难的问题,本文提出了一种基于模态分离方法的CFRP损伤信号识别分类算法,可实现CFRP损伤声发射信号的模态表征。首先,基于CFRP层合板模拟声源模态分析结果设计不同范围的数字滤波器,实现了声发射信号中的S_0、A_0模态分离;随后,根据纤维断裂和基体开裂单一损伤信号的模态特征,建立了损伤信号的识别分类算法,并验证了其对单一损伤信号的分辨率;最后,利用算法对层合板面内弯曲损伤信号进行分析,验证其在CFRP完整结构损伤信号识别中的有效性。结果表明,该算法在纤维断裂和基体开裂试验中的分辨率分别高达97.3%和92%,同时也实现了CFRP层合板的损伤过程表征,证明其可实现CFRP完整结构损伤机制的识别。     

超薄T700/环氧树脂预浸料力学性能研究及微观结构表征

为了研究超薄碳纤维树脂基预浸料力学性能并探究其微观结构,制备了常规和超薄预浸料层合板,对其进行了基础力学性能测试并利用金相显微镜、扫描电子显微镜及原子力显微镜表征了微观结构。通过对比发现,薄层化提高了复合材料宏观拉伸性能,降低了弯曲和层间剪切性能,但是薄层化后的复合材料在抵抗基体分层裂纹方面表现出了显著的优势;同时薄层化会使纤维在树脂中分布均匀,层间孔隙减少,纤维与树脂的界面厚度减小。     

含褶皱缺陷玻璃纤维增强复合材料层合板拉伸渐进失效分析

为研究褶皱缺陷对玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板拉伸性能的影响,采用Abaqus有限元软件,结合USDFLD子程序,建立含褶皱缺陷的玻璃纤维增强复合材料层合板渐进失效分析模型。通过数值仿真分析方法对含褶皱缺陷层合板在拉伸载荷作用下的强度退化和渐进失效过程进行研究,分析褶皱高宽比对层合板拉伸性能的影响。结果表明:拉伸强度预测值以及损伤初始位置与文献中实验结果吻合较好,验证了建立的仿真分析模型;随着褶皱高宽比的增加,拉伸失效载荷和强度显著降低;在拉伸载荷作用下,在褶皱变形区域与富树脂区域相接的铺层位置存在应力集中;层合板损伤由富树脂区域逐渐向褶皱变形区域扩展,最终在褶皱变形区域完全失效;受褶皱影响,层合板在拉伸过程中发生弯曲变形,在线弹性阶段,相同载荷条件下变形随着褶皱高宽比的增加而增加。     

修复对含分层损伤复合材料层合板振动特性的影响

本文工作是通过对含不同大小分层层合板结构分析,讨论拉伸和剪切修复刚度对含层间分层损伤复合材料层合板振动特性的影响.基于修补分层损伤结构变形特点,将含损层合板的基板、上子板和下子板采用Mindlin板单元离散,而损伤区修复效应以虚拟连接单元模拟,建立相应的有限元分析模型和计算方法.通过对含损层合板的振动分析,讨论并验证本文提出的修复分层损伤模拟连接单元模型的可能性和正确性,依据拉抻和剪切修复刚度对含损层合板固有频率的分别影响与综合影响,得到对分层损伤复合材料层合板修补的指导性原则.     

氧化石墨烯改性碳纤维复合材料抗冲击行为研究

使用单层纳米氧化石墨烯（NGO）粒子对环氧树脂进行改性处理,采用真空辅助树脂传递模塑成型工艺制备了[±45/0/90]_2S铺层角度下的纯树脂及单层NGO改性碳纤维复合材料（CFRP）层合板。通过落锤冲击试验、超声C扫描检测、冲击后压缩试验等对纯树脂及单层NGO改性CFRP进行实验研究。结果表明,纯树脂及单层NGO改性CFRP在损伤阻抗及损伤容限实验中均存在拐点现象,且拐点出现在相同深度位置,其中纯树脂CFRP拐点位置为0.51 mm,单层NGO改性CFRP拐点位置为0.43 mm;相对于纯树脂CFRP,单层NGO改性CFRP可以显著提高复合材料的抗冲击性能及冲击后的压缩性能;通过对冲击后凹坑深度及凹坑面积进行数据模拟,可以用拟合公式实现对复合材料的损伤预测。     

纤维环向缠绕复合材料气瓶冲击阻抗性能研究

新能源汽车用复合材料气瓶采用复合材料/金属混杂结构,其冲击损伤特性与采用纯复合材料结构有很大的不同,本文结合复合材料气瓶和试板模拟试验,采用冲击能量吸收率、分层损伤扩展阻力、剩余强度比衰减指数等参数作为其冲击阻抗性能的评价指标。采用不同的支撑夹具对玻纤/环氧单向板进行落球冲击试验,以模拟复合材料气瓶的不同材质内胆对纤维缠绕层冲击损伤的影响。研究发现,在一定冲击能量作用下,改变复合材料/金属混杂结构的形式能使其冲击能量吸收率发生变化,并可提高层合板的冲击损伤临界值,即提高其冲击承载能力;冲击能量吸收率越高分层损伤扩展阻力越小,且含冲击损伤层合板的剩余强度衰减越快。因此在设计复合材料气瓶时,需要考虑复合材料/金属混杂结构对分层损伤扩展阻力和冲击能量吸收率的影响。     

雷击后飞机复合材料燃油箱蒙皮电热损伤特性研究

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在现代飞机上被大量使用,由于CFRP电导率和传热系数具有各向异性,雷击后,其温度分布与传统金属材料不同。为探究CFRP燃油箱电热损伤特性以对其进行雷电防护,本文利用COMSOL多物理场仿真软件建立CFRP层合板与火焰喷涂铝防护CFRP层合板模拟油箱蒙皮模型进行仿真研究,并开展典型雷电流组合波形的雷电流注入试验对仿真结果进行验证。结果表明:雷电流波形注入后,无防护CFRP板各铺层温度随着纤维方向分布;火焰喷涂铝防护的CFRP板各铺层温度呈近似圆形分布,且高温损伤面积与损伤深度均小于无防护CFRP板;表面温度受雷电流D波的影响大,而损伤深度受B、C~*波的影响较大;在雷电波形注入完成后,雷击产生的热量会沿着CFRP铺层向下传导,产生热斑导致底面温度升高,但在2.6 mm厚度条件下未超过200℃;使用火焰喷涂铝能对CFRP燃油箱起到很好的雷电防护效果。