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。      

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%.     

泡沫夹芯结构复合材料VARI工艺模拟仿真技术研究

采用模拟仿真软件对聚氯乙烯泡沫夹芯结构复合材料矩形平板成型工艺进行了模拟分析.考察了芯材厚度、芯材的开槽方式及开槽尺寸等对树脂充模过程的影响,确定了适于工程应用的开槽方式及尺寸.     

穿孔泡沫夹芯复合材料灌注工艺仿真与方案优选

真空辅助树脂灌注(VARI)工艺作为一种高性能、低成本的制造技术,已广泛应用于大型复合材料零部件的制造。穿孔夹芯复合材料具有比强度比模量高、承载能力强等特点,然而,为了准确模拟穿孔夹芯复合材料中树脂的充模过程,需要对芯材内每个孔洞的树脂流动行为进行三维数值计算,尤其是对于大厚度构件而言需要大量的开发成本和生产周期。为了降低仿真计算复杂性和时间成本,本文提出了一种全新的1D-3D有限单元耦合计算方法,利用自开发ANSYS Fluent UDF (用户自定义函数)子程序模拟树脂在芯材孔洞中的流动,避免了对数量巨大的孔洞进行物理建模,成功优化了穿孔夹芯复合材料真空灌注过程的模型构建和仿真计算过程,并通过实尺度的灌注实验验证了仿真模拟的可行性。研究结果表明,数值仿真与实验测得的灌注时间基本吻合,能够较为准确地模拟穿孔夹芯结构成型过程中树脂的流动。

     

缝纫泡沫夹芯复合材料板的稳定性分析

整体屈曲是缝纫复合材料夹芯板的一种重要失效模式。考虑到缝纫夹芯复合材料板一般较厚且面板与芯层厚度相差较大, 缝纫工艺对夹芯板刚度影响较大的特点, 基于高阶剪切理论, 编制了缝纫泡沫夹芯复合材料板稳定性分析的有限元程序。利用该程序对多个算例进行了计算, 所得临界屈曲应力与文献及试验结果吻合很好。同时, 讨论了不同边界条件下缝纫泡沫夹芯复合材料板稳定性随缝纫参数(包括针距、 行距和缝纫针半径)以及结构参数(包括面板铺层角、 芯层厚度和缝纫夹芯板边长)的变化规律。      

穿孔泡沫夹芯复合材料灌注工艺仿真与方案优选

以穿孔泡沫夹芯复合材料为研究对象,对其真空辅助树脂灌注(VARI)工艺进行了实验研究、仿真分析和方案优选。首先,通过实验测试与数值计算分别得到穿孔夹芯结构织物与芯材孔洞的渗透率;然后,对穿孔夹芯结构灌注过程进行三维仿真模拟,并通过实尺度灌注实验验证了仿真模拟的可靠性;最后,基于验证的仿真模型进行工艺参数优选,拟合得到了灌注时间的预测模型。结果表明：数值仿真与实验值基本吻合,能较准确地模拟穿孔夹芯结构成型时的流动过程和孔隙分布;灌注时间的预测模型可用于指导实际生产;通过优化成型工艺参数可控制树脂的流动行为,达到缩短成型时间和降低构件孔隙率的目的。     

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。     

典型夹芯结构复合材料VARI工艺成型仿真计算研究

对于大尺寸夹芯结构或复杂形状夹芯结构复合材料的VARI工艺成型过程的模拟仿真计算,如果采用传统的建模方法,则建模困难,模拟仿真计算量大,效率不高。针对此问题,提出了一种简单方便的等效建模法。以弧形和带加强筋的夹芯结构复合材料构件为基础模型,采用等效建模法建立了实体CAD模型和有限元网格模型,并利用PAM-RTM软件对两种夹芯结构复合材料构件的VARI工艺成型过程进行了仿真计算,并结合工艺成型实验进行了实验验证。     

夹芯结构复合材料构件VARI工艺仿真计算与成型实验

对于大尺寸夹芯结构或复杂形状夹芯结构复合材料的VARI工艺成型过程的模拟仿真计算,如果采用传统的建模方法,则建模困难,模拟仿真计算量大,效率不高。针对此问题,本文提出了一种简单方便的等效建模法。以矩形泡沫夹芯结构复合材料构件的铺层设计为基础,采用等效建模法建立了实体CAD模型和有限元网格模型,并利用PAM-RTM模拟软件对夹芯结构复合材料构件的VARI工艺成型过程进行了模拟仿真计算,结合工艺成型实验进行了实验验证,并对制品的密度、树脂含量和力学性能等进行了测试与表征。结果表明:由等效建模法仿真计算所得理论充模时间与实测充模时间基本一致,且仿真计算所得树脂流动前锋位置曲线与工艺成型实验测试值也比较吻合;VARI工艺成型对夹芯结构复合材料制品性能的分布均匀性有一定影响。     

缝合参数对缝合泡沫夹芯结构复合材料VARTM工艺树脂充模的影响

对不同缝合参数的缝合泡沫夹芯结构复合材料真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺进行数值模拟,研究了针距、行距、缝针直径、芯板厚度及纤维面板厚度等缝合参数对缝合泡沫夹芯结构复合材料VARTM工艺树脂流动充填的影响。结果表明,改变缝合行距对树脂的流动充填速度影响不大,缝合行距越大,树脂在下层纤维面板流动的同步性越差,制品出现空隙及干斑的可能性越大;缝合针距越小,树脂完成充填的时间越长;分别增加缝针直径和泡沫芯板的厚度,树脂完成充填时间呈线性增长,缝针直径越大,下层纤维面板树脂浸润效果越好;纤维面板厚度增加,树脂完成充填的时间变长,且相对于其他缝合参数,纤维面板厚度对树脂流动充填时间影响最大;缝合针距、泡沫芯板的厚度及纤维面板的厚度都不影响树脂在下层纤维面板的浸润效果。     

嵌入加强筋的缝合泡沫夹芯结构复合材料VARTM工艺树脂充填模拟及验证

在缝合泡沫夹芯结构复合材料的泡沫中嵌入轻质的加强筋板,可以在不增加缝合密度并且在只增加较少质量的前提下,增强复合材料制品整体的强度和刚性。文中对真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺树脂在嵌入加强筋的缝合泡沫夹芯结构复合材料预成型体中充填过程进行模拟和验证研究。采用一种矩形流道模型代替沿加强筋与泡沫空隙间的树脂流动,并对其等效渗透率及孔隙率进行计算;通过PAM-RTM软件模拟了嵌入加强筋板的缝合泡沫夹芯结构VARTM工艺的树脂充填过程,并建立了流动可视化实验装置与模拟对比,结果表明模拟与实验相当吻合。而模拟与实验的结果均表明加强筋的引入可以在局部加强树脂沿厚度方向的流动,但是会延缓树脂对整个预成型体的充填。     

VARTM工艺中高渗透导流介质对树脂充填行为的影响

在复合材料中引入黏弹性阻尼层是改善复合材料结构振动特性的有效方法。针对穿孔硅橡胶夹芯复合材料的真空辅助树脂传递工艺(VARTM)进行了实验与仿真分析。首先采用恒压注射条件分别测试了纤维增强材料及加入导流网后的等效渗透率。然后搭建了实验室VARTM观测平台进行了充模实验,同时基于RTM-Worx软件建立了树脂充模模型。通过对比实验与仿真的树脂流动状态图及不同时刻的填充面积,验证了仿真模型的有效性。最后,探究了阻尼层穿孔列间距、行距、直径及“边缘效应”等参数对树脂充模的时间及充模过程的影响。结果表明：仿真模型能够较好预测树脂流动情况,不合理的阻尼层参数会影响树脂的流动甚至导致缺陷的产生。     

真空辅助成型工艺中预成型体的厚度变化与过流控制

采用无接触式电涡流位移传感系统, 对真空辅助成型工艺中预成型体的厚度变化进行了实时监测。揭示了该成型工艺过程中预成型体的厚度变化规律, 并考察了树脂过流控制时间对制件厚度与纤维体积含量的影响。结果表明, 在整个工艺过程中预成型体的厚度变化可分为三个阶段： 在树脂浸入后, 预成型体厚度迅速增加; 在树脂过流控制阶段, 预成型体厚度变化较小且保持在较高水平; 在树脂管关闭后, 预成型体厚度迅速下降并逐渐趋于稳定。制件厚度与树脂过流控制时间的变化关系类似于正弦曲线, 在树脂过流控制时间约为10 min时, 纤维体积分数最低, 较无过流控制降低1.7%; 在树脂过流控制时间约为40 min时, 纤维体积分数最高, 较无过流控制提高1.6%。     

Needle Penetration Through Polymeric Cellular Foam Materials

This article presents an analytical model for predicting the needle penetration force through relatively hard polymeric cellular foam. Prediction of needle penetration force is of importance to a number of applications, including textile and composites manufacture as well as robotic surgery. With the aid of this analytical model, a complete nonlinear force-displacement relation can be predicted for any needle size, material hardness, thickness, or inclination. The model assumes the needle to be a cylinder with a conical tip and ignores features, such as needle eye. The primary mechanism for needle penetration force is cell crushing while the friction between the needle and the foam plays a secondary role. There is a good agreement between the experimental and analytical force-displacement curves. In comparison to numerical methods that require nonlinear finite element analysis, this analytical model can be implemented with the knowledge on only two material properties: compression strength and frictional resistance.     

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。      

缝合泡沫夹层复合材料低速冲击数值模拟及实验

在ABAQUS分析平台中建立了缝合泡沫夹层复合材料在低速冲击下的动力学有限元模型,采用杆单元模拟缝线树脂柱的作用,基于Hashin破坏准则模拟层板面内损伤,通过各向同性硬化本构模型利用等效塑性变形模拟泡沫夹芯损伤演化。针对相同铺层的缝合和未缝合泡沫夹层结构,模拟了相同冲击能量下的低速冲击响应过程及面板、泡沫的损伤情况,数值结果与实验结果吻合较好,证明了该方法的有效性和准确性。研究结果表明,在低速冲击下,泡沫夹层结构引入缝线后虽然降低了泡沫缓冲吸能的作用,使得面板表面受到较大的冲击破坏,但增强了整体刚度,增大了面板抵抗弯曲变形的能力,减小了内部面板的损伤,使其在改善复合材料面板易分层缺陷的同时还依然拥有优良的面内性能。     

Experimental and numerical investigation on bolted joint in glass–fiber reinforced composites

In this paper, vacuum assisted resin injection technique was employed to prepare the composite laminates with different plies ways. The macro-mechanical performances of the bolted joint of the composite laminates were investigated by experimental and finite element simulation. The influence mechanism of different parameters on the joint performance and failure models of the composite laminates were analyzed. A VUMAT subroutine was developed, according to the failure criteria and corresponding stiffness degradation criteria, to describe the progressive damage process of bolted joint composite laminates through finite element analysis method. The results indicated that the failure strength of composite laminates would be improved with the increasing of tightening torque, and the strength of three-ply-way hybrid composite laminates is higher than that of two-way hybrid laminates. The comparisons between numerical simulation results and experimental results showed that the developed subroutine can effectively predict the macroscopic response of bolted joint glass–fiber reinforced composite laminates.