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。     

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。     

VARTM工艺铺层取向对复合材料力学性能的影响

采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺制作了玻璃纤维增强不饱和聚酯复合材料层合板,对其进行了拉伸、弯曲、冲击性能测试,并对铺层取向与玻璃纤维复合材料层合板力学性能的影响关系进行了实验研究。实验结果表明,0°取向玻纤增强复合材料在单一方向上的力学性能最佳,±θ取向比θ取向玻纤增强复合材料有更好的力学性能;θ单向铺层复合材料在外载荷作用下发生破坏,其断口破坏的角度与铺层角度一致,而在±θ多向铺层复合材料的断口形貌更复杂。通过合理的铺层设计可获得满足工程需要的复合材料制品。     

纤维分布对复合材料固化变形的影响

本文分析了复合材料层合板纤维分布不均匀的产生原因,提出了纤维分布不均匀度的表征参数Id,采用图像处理技术测定了层合板的纤维分布不均匀度,用实验和有限元方法研究了纤维分布不均匀对复合材料固化变形的影响规律。结果表明,复合材料的固化变形随着纤维分布不均度增加而增大,变形量随着层合板层数增多而减小,研究还表明,固化变形程度与层合板的铺层方式相关。     

准静态压痕作用下复合材料层合板损伤阻抗与损伤容限实验研究

参照标准实验方法,开展了复合材料层合板对准静态压痕力的损伤阻抗和损伤容限实验研究,获取了接触力、压痕深度、压头位移等实验数据,并对含静压痕损伤层合板进行了剩余压缩强度试验。研究了压痕深度-接触力与剩余压缩强度-压痕深度的变化关系,并讨论了准静态压痕过程中的损伤演变过程和层合板的压缩破坏模式。结果表明:当层合板表面出现目视勉强可见压痕时,初始损伤发生,压痕深度随接触力增大而明显增大,同时剩余压缩强度随压痕深度增加而明显降低;当达到最大接触力时,层合板失去承载能力,背面可看到大量纤维断裂。对于含静压痕损伤的层合板,压缩破坏模式为贯穿损伤区域的层合板断裂。     

玻璃纤维增强树脂基复合材料疲劳性能的试验研究

介绍了对玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板疲劳问题的研究。试验采用MTS809液压电磁伺服疲劳试验机,对多种铺层平板试验件进行研究。试验得出不同铺层方向层合板的应力应变、疲劳寿命与加载比的关系曲线,并将试验数据与理论模型预测值进行了对比,分析了玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板的疲劳机理。     

碳纤维层合板抗球形弹冲击动态响应特性试验研究

为了研究碳纤维复合材料层合板对球形弹的抗冲击特性,利用一级气炮发射弹体对层合板进行高速冲击试验,通过高速摄像机记录弹靶冲击过程。利用C扫成像及显微镜检测层合板的损伤区域,分析不同速度弹体冲击下层合板的能量吸收率、损伤形式及能量吸收机制的变化规律。研究结果表明:弹体剩余速度随着初始速度的增加先减小后增加,而弹体剩余速度变化率先增大后减小。当弹体初始速度比较低时,层合板主要通过分层吸收弹体动能。随着弹体初始速度增加,层合板的冲击响应时间减小,分层面积下降,纤维断裂成为吸能的主要方式,层合板能量吸收量迅速下降。     

连续玻纤增强聚丙烯正交单向层合板热冲压成形工艺

利用自行设计的带有加热系统的半球模具在不同的成形工艺参数下对连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料单向层合板进行热冲压成形实验,使用光学显微镜对实验制件的成形质量进行分析。结果表明,提高预热温度可以降低树脂黏度,从而降低成形所需冲压力,提高冲压速度增大了成形所需冲压力。在相同的冲压速度下,预热200℃时,所得制件的厚度差最小。在相同的预热温度下,当冲压速度小于200 mm/min时,随着冲压速度的增大,所得制件的厚度差值逐渐减小。冲压过程中树脂流动不平衡往往伴随着制件的成形缺陷。本实验条件下,预热温度200℃,冲压速度150 mm/min时,可得到较好成形质量的制件。     

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。     

编织碳纤维复合材料雷击损伤特性研究

采用实验方法研究了编织碳纤维/环氧树脂复合材料层合板在干燥环境下受到不同强度等级模拟雷电冲击后的电击破坏特性,并进行了系统分析与机理解释。研究显示,雷电冲击对复合材料造成了三种典型破坏形式,并随着电击强度的增加及铺层角度的改变呈现出不同形态的变化。微观扫描分析发现,电击会对树脂与纤维界面造成严重破坏。     

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。     

RTM复合材料中分层缺陷的超声表征及量化分析

以ZT7H/QY8911碳纤维增强树脂基RTM工艺成型复合材料为研究对象,通过预埋单层聚四氟乙烯薄膜(PTFE)模拟不同尺寸(?=3 mm,6 mm,10 mm)和不同深度(近上表面、中间深度、近下表明)的分层缺陷,制备了RTM复合材料超声检测试样。基于水浸式超声反射法对缺陷进行超声A-Scan、B-Scan和C-Scan检测表征,并对检测结果进行量化分析。结果表明:超声反射法对RTM复合材料层压板中分层缺陷具有定性、定量检测能力,超声A-Scan检测信号中幅值、相位、时域渡越等特征量与缺陷的尺寸、深度、性质等具有相关性,超声B-Scan检测可以对缺陷深度进行表征,超声C-Scan可以对缺陷尺寸进行表征,深度方向检测分辨率达1个铺层厚度,缺陷尺寸的检测偏差≤1.0 mm。     

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。     

树脂基体中热塑性树脂含量对碳纤维环氧复合材料压缩性能的影响

制备了国产CCF800H碳纤维增强环氧树脂基复合材料,通过调控环氧树脂中的热塑性树脂增韧剂含量,探索增韧剂含量对树脂浇注体拉伸弹性模量的影响规律,并进一步研究增韧剂含量对碳纤维增强环氧树脂基复合材料纵向压缩性能的影响。结果表明,随着树脂基体中增韧剂含量的升高,环氧树脂浇注体拉伸弹性模量降低,其对应碳纤维增强复合材料单向层合板泊松比升高。增韧剂含量对单向复合材料压缩模量的影响不明显,但复合材料纵向压缩强度会随着增韧剂含量的升高而降低。     

碳纤维复合材料低温下螺栓连接疲劳研究

本文主要围绕碳纤维复合材料(CFRP)与2024Al的连接件,研究低温环境下螺栓连接的拉-拉疲劳问题。首先进行不同环境下的拉伸实验,从中获得最大静力载荷,并通过静载破坏曲线探究不同温度下异质材料连接层合板接头的损伤过程,通过观察不同温度下的拉伸破坏现象,对比复合材料层合板纤维分层与撕裂程度,以此为依据研究低温环境对异质材料螺栓连接疲劳的影响,选用不同温度分组的层合板接头分别在各自85%、80%、75%的最大静载条件下进行常温与低温疲劳实验,实验结果拟合常温与低温下的S-N曲线。结果表明,在其他实验条件相同时,低温环境下层合板接头拉伸破坏强度相比于常温环境增强。分析疲劳曲线得出低温环境下层合板接头受疲劳载荷能力更强。     

Z-pin植入对碳纤维/环氧层合板弯曲性能的影响研究

通过三点弯曲试验研究了Z-pin材质、直径和加捻状态对Z-pin增强复合材料层合板弯曲性能的影响。结果表明相较于未增强对照组试件,碳纤维Z-pin增强组试件的弯曲强度、模量分别提升了20.28%与27.55%,且其提升效果要优于聚酰亚胺纤维Z-pin;小直径Z-pin组试件的弯曲强度、模量分别提升了19.96%与29.32%,且其提升效果要优于大直径Z-pin; Z-pin加捻与否对试件弯曲强度、模量的影响甚微,这与其失效形式有关。Z-pin植入试件后能大幅度提高试件的弯曲应变能,试验中相较于对照组试件,Z-pin增强组试件弯曲应变能的提升范围为15.23%～112.23%。其中,大直径Z-pin的提升效果最为显著,提升比率在110%以上。此外,Z-pin的植入会提高试件抵抗变形损伤的阻力,使试件表现出更大的失效位移,但弯曲应变能低的试件不易形成稳定的损伤扩展。     

复合材料层合板损伤容限敏感性参数研究

本文针对碳纤维增强复合材料层合板冲击下的损伤容限参数敏感性进行分析.对复合材料层合板损伤容限的影响参数、纤维角度、铺层顺序、层合板厚度、冲击速度和冲击角度等进行冲击损伤仿真,采用蔡-吴强度准则评价层合板冲击的剩余强度,并对各参数影响的敏感性排序,确定纤维角度和铺层顺序为复合材料层合板冲击下损伤容限的敏感参数.     

温度和圆孔缺陷对层合板线性屈曲特性的影响分析

随着应用环境趋于复杂,层合板经常会处于不同的温度环境以及经常需要开圆孔进行机械连接,且厚度方向尺寸较小,受压缩时容易发生屈曲现象,因此,研究不同温度和圆孔缺陷对层合板屈曲特性的影响具有重要的意义。首先对欧拉梁理论进行简单回顾,推导出梁在两端铰接受压状态时的平衡载荷和挠曲线的解析解。进一步用有限元方法对各向同性板屈曲问题进行研究,将屈曲载荷和屈曲模态与基于欧拉梁理论的解析解进行对照,确定合适的网格密度,验证模型的正确性。然后对含不同圆孔尺寸的准各向同性层合板在不同温度下进行屈曲特性分析,分别得到前五阶的屈曲载荷和屈曲模态。最后研究了不同圆孔尺寸下,圆孔深度对层合板屈曲特性的影响。结果表明:随着温度的升高,含相同圆孔尺寸的层合板的屈曲载荷线性下降;同一温度下,随着圆孔尺寸的增大,屈曲载荷下降越来越快;同一圆孔尺寸下,随着圆孔深度的增加,屈曲载荷下降速度先减小后增大,呈现出对称性。     

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。     

短纤维层间增强碳纤维复合材料层板的力学研究

以斜纹3k T300碳纤维布、环氧树脂和0.3~0.5 mm短切碳纤维为主要实验原料,使用短切纤维铺放装置将短切碳纤维定量铺放在碳纤维布表面,并铺层得到5块层间短切纤维增强的预制体,每块预制体含8层碳纤维布且每块预制体层间短切碳纤维铺放面密度分别为5,10,20,30,40 g/m2,并增设一块层数为8层、层间不含短切纤维增强的预制体作为对照组。采用真空辅助树脂灌注成型方式浸渍预制体后高温固化,得到层间含不同面密度短切纤维的碳纤维复合材料层合板,研究了不同面密度短切纤维含量对碳纤维复合材料层合板拉伸、弯曲以及层间剪切强度的影响。研究结果表明,当短切碳纤维铺放面密度为5 g/m2时,复合材料层板的拉伸、弯曲强度最好,在5~40 g/m2范围内,复合材料层板的层间剪切强度随短切碳纤维铺放面密度的增大而增大。