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.     

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。      

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。     

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。     

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。     

缝纫泡沫夹层结构弯曲性能研究

本文对缝纫泡沫夹层复合材料进行了理论分析和三点弯曲实验研究.讨论了缝纫夹芯剪切模量的计算方法和计算公式.实验表明缝纫提高了泡沫夹层板三点弯曲破坏载荷.针对实验结果研究了材料性能和试件几何的关系,给出了缝纫泡沫夹层板破坏模式的判别公式并基于经典夹层梁理论建立了初始破坏载荷预估方法,预估值和实验值符合较好.     

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。      

Study on impact properties of through-thickness stitched foam sandwich composites

Through-thickness stitched foam core sandwich composites were fabricated by using RTM process; and impact performance and damage extent were studied at 1–70 J impact energy levels. The results show that two sharp peak loads and a low-loading plateau appear on the load-time plots at 1–30 J impact energy levels; both sharp peak loads can be considered as the course of penetrating top and bottom facings, a low-loading plateau has the characteristics of penetrating foam cores. Compare to the unstitched samples, the average damage angle of stitched samples increase by 48%, the maximal cracking width and penetration depth of the stitched samples decrease by 67% and 4% at 25 J impact energy levels.     

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%。     

Effects of core machining configuration on the debonding toughness of foam core sandwich panels

Core machining is often applied to improve the formativeness of foam core and the manufacturing effectiveness of sandwich panels. This paper investigates the effects of core machining configuration on the interfacial debonding toughness of foam core sandwich panels fabricated by vacuum-assisted resin transfer molding process. Several machining configurations are conducted to foam core, and skin–core debonding toughness of fabricated sandwich panels is evaluated using double-cantilever-beam tests. The sandwich panels with core cuts exhibited higher apparent fracture toughness than the panels without core cut, specifically in the case of perforated core. The relationship between core machining configuration and measured fracture toughness is discussed based on the experimental observations and the numerical analyses of energy release rates.     

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。     

缝合夹层结构复合材料树脂传递模塑成型工艺充模仿真

对复合材料与金属经缝合连接形成的夹层结构板的树脂传递模塑成型（RTM）工艺进行了充模模拟研究。首先通过实验和数值计算的方法,分别获得缝合夹层结构织物和芯层孔洞的渗透率;随后,建立能够反映缝孔内流动情况的二维和三维简化模型,进行RTM充模仿真,讨论不同工艺参数对成型流动的影响;最后通过成型实验验证工艺的可行性。缝线与孔洞直径之比为0.3~0.8时,孔洞渗透率随缝线直径的增大而减小,预制体织物渗透率与孔洞渗透率相差两个数量级;缝孔内容易产生缺陷,没有缺陷的区域随着注射压力的增加、孔洞密度和芯层厚度的减小而增大,在芯层表面沿每排孔洞单向开槽能够改善树脂在孔洞内的浸润;线注射时,树脂整体流动情况优于点注射,而点注射时,将进胶口设置在一角,能够减少表面干斑。     

Fracture behavior of stitched warp-knit fabric composites

Pilot studies are conducted to characterize the macroscopic fracture resistance behavior using linear elastic fracture mechanics and attempt to quantify the fracture parameters in which may govern the fracture and failure patterns of stitched warp-knit fabric composites. Methods based on the J-integral method and Betti's reciprocal theorem in extracting the fracture parameters, critical stress intensity factors, T-stress, and the second term of _y(r,0) near the crack tip prior to fracture initiation are formulated. Two fracture criteria, [_c,r _c] and [_c,r _c] are attempted to characterize the failure initiation for the fiber-dominated failure mode and self-similar crack extension in a given thickness of the laminate. Based on linear elastic fracture mechanics principle, these criteria are transformed into crack-driving forces [K _Q,T] and [K _Q,g ₃₂]. The two-parameter fracture criteria, [K _Q,T] and [K _Q,g ₃₂] provide a good correlation for the CCT and SENT specimens, but not for the high constraint CT specimens. With the limited experimental data, the results tend to show that the large tensile T-stress and large magnitude of negative g ₃₂ may inhibit the crack extension in the same crack plane and promote crack kinking.     

整体中空复合材料隔声性能的实验研究

为了探讨整体中空复合材料结构与隔声性能之间的关系, 设计并制备了不同高度、不同面板厚度以及不同芯材的玻璃纤维整体中空织物/环氧树脂复合材料。采用混响室-消声室法对其隔声性能进行了测试分析。研究表明: 整体中空复合材料的结构对其隔声性能有明显的影响。复合材料的隔声性能随着结构高度的增加逐渐提高, 面板厚度对材料的隔声效果影响较大, 芯材排列形式对其隔声性能影响相对较小; 8 形整体中空复合材料的隔声性能略高于 88 形和 X 形。      

缝合参数对泡沫夹层结构复合材料力学性能的影响

采用真空辅助树脂注射(VARI)成型工艺制备不同缝合方式和缝合密度的缝合泡沫夹层复合材料,研究缝合参数对平面拉伸、三点弯曲、芯子剪切以及滚筒剥离性能的影响。结果表明:缝合使泡沫夹层复合材料的平面拉伸强度和芯子剪切强度明显降低,可以改善弯曲性能并大幅提高滚筒剥离性能,改进锁式缝合方式优于临缝式缝合方式;适当地增加缝合行距对力学性能有一定的积极作用,但不利于滚筒剥离性能的提高;与未缝合泡沫夹层复合材料相比,当缝合密度为30 mm×10 mm时,改进锁式缝合泡沫夹层复合材料的平拉强度和芯子剪切强度分别降低了14.75%和24.79%,弯曲强度和平均剥离强度分别提高了7.96%和80.78%。