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。     

含孔损伤复合材料层合板固有频率研究

建立了舍圆形穿孔和方形穿孔损伤复合材料层舍板的有限元计算模型.随着开孔损伤尺寸的变化,计算出含圆形穿孔或方形穿孔损伤复合材料层合板的各阶固有频率.拟合出开孔大小和固有频率之间的关系,得到了层合板固有频率随孔的尺寸和形状变化规律.结果表明,随着损伤程度增加,层合板固有频率都将减小;方孔损伤层合板固有频率减小的幅度和速度都比圆孔损伤层舍板的大;小尺寸穿孔损伤对层合板固有频率的影响很小.     

含孔复合材料层合板的结构参数对其屈曲性能的影响

利用ABAQUS软件,建立了含孔复合材料层合板的有限元模型,在层合板四边简支,承受轴向压力载荷作用下,分析讨论了孔径/板宽比、铺层比例、铺层角度、材料性能等结构参数对层合板的线性屈曲的影响。结果表明,孔径/板宽比d/w越大,屈曲载荷越小,当d/w≤0.1时,可认为是小孔洞情况,可近似按无限大层合板处理;90°铺层(与载荷受力方向一致)比例越大,或0°铺层(与载荷受力方向垂直)比例越小,屈曲载荷越大,增加±45°铺层比例,有利于降低层合板各向异性程度;对于斜交对称铺层的层合板,铺层角度对其屈曲载荷影响很大,最大值与最小值相差13.05N;材料主方向结构性能参数差别较大时,屈曲载荷也相差较大,材料的结构性能参数对屈曲承载力具有明显的影响。     

铺层结构对复合材料层合板弯曲强度及失效行为的影响

通过改变偏轴角为45°和90°的[45°/–45°],[0°/90°]正交铺层组的质量分数,设计了6种复合材料层合板铺层结构。研究了两种偏轴角正交铺层组共同存在的铺层结构对真空辅助树脂传递模塑工艺复合材料层合板弯曲强度及失效行为的影响。通过弯曲实验获得6种复合材料层合板的弯曲强度、损伤特征以及应力–应变曲线。结果表明,随偏轴角为90°的[0°/90°]铺层组质量分数的增加,复合材料层合板的弯曲强度逐渐增大;两种偏轴角正交铺层组共同存在的铺层结构可引起复合材料层合板在弯曲载荷作用下的损伤模式多元化。     

基于响应面法的CFRP层合板挖补修理结构的单目标优化

对于CFRP层合板挖补修理结构的优化问题,首先通过三维实体单元建立三维损伤累积模型并通过试验验证所建立的仿真模型的有效性,然后采用拉丁超立方试验设计方法和响应面法构建了拉伸强度代理模型,最后基于遗传算法和代理模型进行联合优化。研究结果表明:数值模型与仿真模型吻合度较好,误差在10%以内,表明所建立的有限元模型具有有效性。拉伸载荷下挖补结构的失效模式以胶层的剪切失效为主,胶层损伤起始于层合板和补片0°层对应的位置,然后向四周扩展,胶层失效后补片失去承载能力,母板继续承载并在最窄处断裂。最佳胶层厚度、挖补角度和旋转角度分别为0.1035 mm、2.5°和0°。与常规挖补结构相比,拉伸强度提高了12.57%。采用遗传算法对CFRP层合板挖补结构进行优化,对提高挖补结构的力学性能具有重要意义。     

汽车复合材料层合板准静态力学性能的试验测定

以应用于某新能源电动汽车的复合材料层合板为研究对象,利用万能试验机和静态应变测试分析系统等提出了可靠的复合材料层合板准静态拉伸和压缩力学性能试验测定方法,从而为复合材料结构在汽车轻量化中的设计和应用提供了试验依据。该层合板结构采用±45°交叉铺层方法,由2层碳纤维、1层芳纶纤维和2层玻璃纤维层叠构成。试验结果表明,该复合材料层合板在准静态拉伸时呈现沿±45°方向和层间分离挤压的断裂失效模式,这与其内部纤维铺层方向是一致的。同时,由于在复合材料板材中加入了增韧和板材失效时起连接作用的芳纶纤维和玻璃纤维铺层,该复合材料层合板的整体力学性能较常见碳纤维增强复合材料板材,其弹性模量和强度性能均有所降低。     

PE-UHMW/PE-LD层合板损伤声发射信号频率特征研究

为揭示聚乙烯自增强复合材料(PE-UHMW/PE-LD)不同损伤模式的声发射信号频率特征,通过对基体、单纤维复合材料、90°单向板+45°/-45°层合板的拉伸破坏,分别诱导产生基体损伤、纤维断裂、纤维/基体界面损伤和层间损伤的AE信号,并和非损伤AE信号(环境噪声、断铅模拟)频率特征进行对比。实验结果表明,非损伤AE信号和损伤AE信号之间均具有不同的峰值频率和频率分布特征。     

连续大开口复合材料层合板拉伸力学行为研究

复合材料层合板作为飞机主承力构件使用时,常需在其上设置大开口以满足设备安装、检查维修等要求,但开口切断了纤维,导致结构局部应力和变形不连续,进而引发的应力集中使其力学行为复杂。针对机体主承力结构中含两个椭圆形大开口的复合材料层合板,采用试验与数值模拟相结合的方法,对其在拉伸载荷作用下的变形、传载以及应力集中现象进行了分析,并预测了结构损伤失效模式及破坏载荷。结果表明:复合材料层合板大开口附近应力分布复杂,应力集中导致开口周边区域易出现损伤,且损伤形式多样;尽管决定层合板极限强度的是纤维拉伸损伤失效,但泊松效应引起开口区过早出现的纤维挤压损伤不容忽视。     

石墨烯增强碳纤维复合材料抗冲击性能分析

目前碳纤维复合材料存在脆性大、横向耐冲力差等问题。为了提高碳纤维复合材料的抗冲击性能，文章基于显示动力学下冲击载荷模拟的方法，以单层石墨烯和碳纤维复合材料层合板为研究对象建立冲击模型，对比分析不同石墨烯含量碳纤维板受冲击时表面应力、位移与吸能、损伤与破坏情况。结果表明：添加石墨烯提高了材料的填充率，使材料面密度增大；相同冲击载荷下，加入0.3%石墨烯的碳纤维增强复合材料（CFRP）层合板较传统CFRP位移减小10.2%，最大应力减少18.5%。且加入单层石墨烯含量越高，复合材料界面作用力越强，能够有效减小损伤破坏。     

金属网对玻璃纤维增强复合材料低速冲击损伤特性的影响

为研究304不锈钢网对玻璃纤维编织复合材料低速冲击损伤特性的影响,利用落锤试验机分别对2 mm厚的不含、含一层和含三层304不锈钢网的玻璃纤维编织复合材料板进行5 J、20 J、40 J和60 J能量下的冲击实验,从层合板载荷峰值、最大凹陷位移、能量吸收和损伤机理等方面,分析不锈钢网对层合板抗冲击性能的影响规律。研究结果表明,当冲击能量未达到层合板击穿能量阈值前,载荷峰值和最大凹陷位移随着冲击能量的增大而增大。三层不锈钢网的加入使得层合板在较小凹陷位移时就能达到最大载荷,具有良好的抗冲击性能。层合板损伤形状呈十字形,损伤程度沿着厚度方向逐渐加深,背面中心点处损伤最为严重。当冲击能量超过层合板能量阈值时,中心区域损伤呈花瓣开裂状,主要损伤模式为纤维拉伸断裂和基体破碎、金属丝拉伸断裂。     

T800碳纤维复合材料混合连接层合板钉载分布及有限元计算

采用自动铺带工艺制得混合连接的T800碳纤维复合材料层压板试验件,通过轴向拉伸测试,测得了整个试验件的载荷-位移曲线和每一个钉孔附近的应变-载荷曲线。试验结果表明,首末两排钉承担载荷最大,中间排钉载最小。模量相对较大的胶层阻止了钉载的有效传递,破坏模式主要为钉孔挤压和层合板拉伸破坏。建立了相应的有限元模型,模拟结果和试验结果的一致说明了有限元模型的合理性。     

法向载荷下含金属预埋件碳纤维层合板强度分析

建立了含圆柱形金属预埋件和阶梯形金属预埋件碳纤维/环氧树脂层合板的三维分析模型,单层板简化为三维正交各向异性材料。采用有限元方法对法向载荷下含金属预埋件四边简支层合板进行了应力分析,给出了发生初始损伤单层板各材料主方向应力分布和金属预埋件的VON MISES应力分布。基于复合材料单层板的最大应力强度准则给出了两种分析模型的极限载荷。分析结果表明,含圆柱形预埋件层合板初始损伤发生在45°铺层靠近孔边的2点钟方位,破坏模式为基体剪切破坏;含阶梯型预埋件层合板初始损伤发生在-45°铺层靠近孔边的10点钟方位,破坏模式为基体拉伸破坏。法向载荷作用下,阶梯型预埋件结构比圆柱形预埋件结构具有更大的传力面积,大部分纤维处于适宜的受拉状态,其极限载荷比圆柱形预埋件结构提高了40.36%。     

变刚度铺放改善单钉双剪螺栓连接拉伸强度

沿最大主应力方向的变刚度铺放可有效提高复合材料构件的强度。以与孔周围设定区域内,单元格上流场速度矢方向与有限元得到的最大主应力方向之间的差异最小为优化目标,优化有势流场构造参数,从而得到优化的变刚度铺层轨迹。该方法得到的变刚度铺层能最大程度地使纤维主方向与层合板在该点处的最大主应力方向一致。研究结果表明,变刚度铺放不仅可提高层合板的拉伸强度,还可使试件在达到极限载荷后的承载能力下降速度平缓,从而降低了发生瞬时性损坏的概率。     

铺层顺序及补片偏转对挖补修理层合板低速冲击性能的影响

根据试验研究的结果建立了挖补修理后碳纤维复合材料层合板低速冲击性能分析有限元模型,并对低速冲击响应及挖补板的冲击损伤进行了分析,理论计算与试验结果吻合良好。在此基础上,就母板与补片铺层顺序以及补片偏转对挖补板低速冲击性能的影响进行了研究,结果表明:补片铺层顺序的改变对冲击载荷响应的影响很小,但对表面及内部分层损伤面积和形状的影响却较大;补片偏转5°时,最大冲击载荷提前出现并且显著降低,分层损伤面积变化不大,分层损伤区域长轴方向向着补片偏转方向偏转。     

多向玻碳纤维混杂复合材料的拉伸性能北大核心

为探讨±45°铺层比例对玻碳纤维混杂复合材料拉伸性能的影响,对层间混杂和夹芯混杂分别设计4种铺层方案,并进行拉伸性能实验。通过经典层合板理论对试样的拉伸模量进行估算,与实验结果对比并分析误差。基于混杂效应及±45°铺层比例的影响,对经典层合板理论结果进行修正。结果表明:在±45°铺层比例为40%时,±45°铺层可以对横向应力和剪应力起到很好的平衡作用,从而有效提高复合材料的拉伸性能;混杂效应及±45°铺层比例对经典层合板理论与实验结果的误差都有影响,提出的修正公式可在一定程度上反映其影响,并且可以得到更加准确的拉伸模量估算结果。     

多向玻碳纤维混杂复合材料的拉伸性能

为探讨±45°铺层比例对玻碳纤维混杂复合材料拉伸性能的影响,对层间混杂和夹芯混杂分别设计4种铺层方案,并进行拉伸性能实验。通过经典层合板理论对试样的拉伸模量进行估算,与实验结果对比并分析误差。基于混杂效应及±45°铺层比例的影响,对经典层合板理论结果进行修正。结果表明:在±45°铺层比例为40%时,±45°铺层可以对横向应力和剪应力起到很好的平衡作用,从而有效提高复合材料的拉伸性能;混杂效应及±45°铺层比例对经典层合板理论与实验结果的误差都有影响,提出的修正公式可在一定程度上反映其影响,并且可以得到更加准确的拉伸模量估算结果。     

穿透裂纹对层合板拉伸性能的影响

对含3种不同方向穿透裂纹的层合板进行了拉伸试验研究,通过观测试验过程与断口分析,研究了含穿透裂纹层合板的失效行为。在此基础上,采用ABAQUS软件建立了含穿透裂纹层合板渐进损伤有限元分析模型,对其拉伸性能进行了分析,并对初始损伤与裂纹扩展路径进行了研究,讨论了裂纹形式对复合材料层合板剩余拉伸强度的影响。结果表明,初始损伤发生在裂纹尖端,损伤有沿垂直于载荷方向扩展的趋势。裂纹方向的变化对层合板的剩余强度有明显影响。     

T700／3234层合板力学性能的研究

研究了T700／3234层合板力学性能,T700／3234层合板铺层45°／-45°／0°／90°／0°／0°／90°／0°／-45°／45°.T700／3234中温固化环氧碳纤维单向预浸料适应于热压罐成型工艺方法.测试了23℃、60℃、80℃、100％下,T700／3234层合板拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、层间剪切强度及层合板的拉伸剪切强度,得出不同温度下层合板各项力学性能的保持率,表明：T700／3234复合材料使用温度不大于80℃.     

薄层合板单面贴补修理拉伸性能研究

贴补修理是工艺简单、应用较广的复合材料结构修补技术。对含有孔穿透损伤的复合材料层合板单面贴补修理试验件进行拉伸试验,保持补片的铺层顺序、厚度不变,改变补片的直径,考察补片直径对单面贴补修理效果的影响,并根据试验过程中采集的试验件相应位置的应变数据以及载荷位移曲线分析其失效机理。结果表明,单面贴补修理试验件的强度恢复率约为34%～50%,且贴补修理对于含穿透孔损伤层合板的刚度具有一定的恢复作用,而且随着补片直径的增大,强度恢复率增高。当补片直径较小时,胶层先于母板发生破坏,此时的修理效果不明显;当补片直径增大到一定程度后,胶层承载能力较高,此时贴补修理对损伤件的拉伸强度有一定的提高作用。在试验基础上建立了有限元模型,能有效预测贴补修理件的破坏模式、拉伸强度,并可分析得到试验件的应力分布;改变有限元模型参数,研究最佳效果的补片尺寸与损伤孔径之间的关系。结果表明,当补片直径比损伤孔径大30 mm～40 mm时可获得较高的修理效率。为复合材料层合板设计贴补修理方案提供了参考。     

正交各向异性易碎复合材料层合板的设计与试验研究

提出一种新型正交各向异性易碎复合材料结构,利用单向连续纤维板具有纵向拉伸强度高而横向易于被撕裂的特点,在制备好的单向板上垂直于纤维方向预制刻槽,然后将单向板正交复合而制备成正交各向异性易碎复合材料层合板,并对这种层合板作了承压试验与冲击试验.结果表明,所设计并制备的正交各向异性易碎复合材料层合板试样可承受一定的均布载荷...