整体缝合夹芯结构复合材料压缩性能

设计了一种新型整体缝合夹芯结构。采用真空导入模塑工艺(VIMP)制备整体缝合夹芯结构复合材料, 研究其在平压载荷作用下的力学性能和破坏模式, 建立其有限元模型, 研究缝合纱线用量对整体缝合夹芯结构复合材料平压力学性能的影响。结果表明:该新型整体缝合夹芯结构复合材料能够在提高缝合纱线数量的同时避免一般斜缝方式引起纤维交叉损坏的弊端。整体缝合夹芯结构复合材料的压缩强度和压缩模量随着缝合纱线数量的增加而增大, 但缝合纱线含量较高时, 比压缩强度有所下降。数值计算结果与试验结果对比分析, 验证了所建立有限元模型的合理性, 说明该模型可用于预测其压缩模量。      

改进V-型复合材料褶皱夹芯结构的制备及压缩性能

以改进V-型褶皱夹芯结构为研究对象,采用模压成型法制备出改进的V-型复合材料褶皱芯子,结合二次粘接工艺将复合材料层合板与褶皱芯子进行复合得到一种新型复合材料褶皱夹芯结构。利用数值模拟与试验相结合的方法,重点考察了该结构在平压载荷作用下的力学响应及其破坏机制。通过引进纤维压溃模型,对该结构的损伤演化过程进行了描述,数值模拟与试验获得的压缩应力-应变曲线吻合较好。实验研究发现,相对密度的变化不仅对该结构的力学性能产生影响,而且将直接导致该结构的破坏模式发生转变。     

三维整体中空复合材料压缩性能的有限元分析

利用有限元软件ANSYS, 建立了三维整体中空复合材料结构模型, 进行压缩力学性能分析。利用该模型, 以芯材高度、 芯材密度和材料特性(弹性模量)为参数, 详细研究了其对材料压缩性能的影响, 并对其影响特征进行了分析和讨论。结果表明: 三维整体中空复合材料在受压状态下, 芯材与上下面板相接处应力最大, 最容易发生压缩破坏; 材料的压缩性能随着芯材密度、 材料弹性模量的增加而提高, 随着芯材高度的增加而下降。该研究结果可为整体中空复合材料的结构优化提供参考。      

碳纤维增强聚合物复合材料方形蜂窝夹层结构水下爆炸动态响应数值模拟

基于ABAQUS有限元仿真软件,建立了不同夹芯相对密度的碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP）复合材料方形蜂窝夹层结构在水中爆炸冲击波载荷作用下的仿真模型,分析了结构的变形过程、夹芯的压缩特性及结构的失效及破坏情况。数值模拟结果表明,CFRP复合材料蜂窝夹芯压缩量在前面板速度降至与后面板相同时达到最大; CFRP复合材料蜂窝夹芯的最大压缩量随着初始压力的增大呈先缓慢增大后快速增大的趋势,其增大趋势在夹芯接近完全压缩时又趋于缓慢; CFRP复合材料夹层结构失效随夹芯相对密度和初始压力的变化呈现不同的模式,且其防护性能优于等重的层合结构。研究结果可以为复合材料夹层结构在水中冲击波载荷防护中的应用提供参考。      

碳/芳纶混杂纤维增强波纹夹芯结构低速冲击性能

采用碳纤维和芳纶纤维增强复合材料对波纹夹芯结构的面板进行层间混杂铺层设计,通过真空辅助树脂灌注(VARI)成型工艺制备混杂波纹夹芯结构。在60 J、80 J和100 J三种不同冲击能量下,研究了面板混杂铺层方式对波纹夹芯结构低速冲击性能及冲击后压缩强度的影响,并利用超声C扫和工业CT断层成像两种无损检测技术对波纹夹芯结构的冲击损伤机制进行了分析。结果表明：冲击能量较低时,波纹夹芯结构的吸收能量基本不受面板的混杂铺层方式影响,而凹坑深度随表层碳纤维层数增加而减少。冲击能量较高时,面板为分层式混杂(碳/芳纶纤维单层交替铺层)的波纹夹芯结构的抗冲击性能最好,纤维断裂损伤和层间分层主要发生在试样表层,但损伤面积较大;面板为夹层式混杂(以碳纤维为蒙皮、芳纶纤维为芯材)的波纹夹芯结构具有较高的吸收能量,整个上面板的纤维都发生了断裂破坏,但损伤面积较小。碳/芳纶混杂波纹夹芯结构的面板采用分层式和夹层式的混杂铺层设计时,具有较高的冲击后压缩强度。     

复合芯材夹芯结构成型工艺研究

为了改善复合材料夹芯结构中芯材与面板界面结合强度,研制了一种新型夹芯结构,即复合材料柱/泡沫塑料复合芯材夹芯结构.该结构中用过渡层取代胶结层,使芯材和面板为一体,芯材由泡沫塑料和柱结构组成,其中柱结构是与面板同材质的纤维增强复合材料.通过该夹芯结构的芯材结构设计、加工工具的设计、加工工艺设计,使增强材料在法向上植入芯材中,并与上下面板的增强材料连通.由于在同一个工艺过程中固化成型,构成一个整体,没有界面,从根本上改善了面板与芯材之间粘接性能薄弱问题.试验结果表明,该结构具有较高的抗层间剪切、抗平压、抗剥离及抗疲劳性能.     

缝合泡沫夹芯复合材料低速冲击的多尺度数值方法

为了发展缝合泡沫夹芯复合材料低速冲击损伤的多尺度分析方法, 建立了缝合泡沫简化力学模型, 将缝合泡沫等效为缝线树脂柱增强的正交各向异性芯材, 其材料参数由各组分性能及所占体积分数根据均一化理论计算得出; 同时, 建立冲击试验有限元模型, 通过界面元模拟面板与芯材之间的层间分层。采用GENOA渐进损伤分析模块对缝合结构冲击动态响应过程进行数值模拟, 并将计算结果与试验记录进行对比分析。结果表明: 缝合可以减小面板破坏面积, 抑制面板与泡沫分层的扩展; 但缝纫会对结构造成初始损伤, 较高的缝合密度使芯材刚度增加, 不利于泡沫结构的缓冲吸能。数值模拟结果与试验记录吻合良好, 验证了多尺度分析方法的正确性。     

碳纤维增强环氧树脂复合材料金字塔点阵夹芯假脚结构在竖向载荷下的力学性能

对碳纤维增强树脂复合材料金字塔点阵夹芯假脚结构在竖向载荷下的力学性能进行研究。制备了三种不同相对密度的假脚,并进行了竖向载荷压缩试验。结果表明,相对密度对结构力学性能的影响显著,载荷-位移曲线呈非线性,峰值载荷和刚度值随相对密度的增加而增大,三种相对密度的破坏模式均为节点的失效和面板的皱曲,结构具有一定的能量吸收能力。建立了金字塔点阵夹芯假脚结构的理论强度预报模型,给出了结构在竖向载荷作用下的挠度响应,获得了四种失效模式和临界破坏载荷。对比了理论计算与试验的峰值载荷、破坏模式和挠度,得到较好的一致性。给出假脚结构参数(面板厚度、杆件角度和杆件直径)对破坏模式和破坏临界载荷的影响,并绘制了结构失效机制图。      

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%。     

纤维缝合结构对夹芯结构复合材料力学性能的影响

通过RTM工艺成型了点阵增强夹芯结构复合材料,研究了纤维缝合结构对复合材料平压及侧压力学性能的影响,并探索了侧向压缩载荷下夹芯结构复合材料的破坏模式。结果表明,采用纤维缝合的方式可显著提高夹芯结构复合材料的力学性能。双向增强夹芯复合材料在长度和厚度方向上的侧压强度和模量相同,单向增强的侧压强度和模量表现出方向性,且长度方向上的模量明显高于宽度方向的。     

复合材料褶皱夹芯结构的制备及压缩性能研究

目的 探究复合材料褶皱芯子的一次性成型工艺,并研究浸胶量对褶皱夹芯结构压缩性能的影响。方法 以V型褶皱夹芯结构为研究对象,首先采用真空吸附成型工艺制备V型复合材料褶皱芯子,然后通过黏接工艺将碳纤维复合材料层合板与褶皱芯子进行复合,得到复合材料褶皱夹芯结构,最后通过实验测试,研究该结构在压缩载荷作用下的力学性能和失效模式,以及不同浸胶量对其压缩性能的影响。结果 采用真空吸附成型工艺能够一次性制备出褶皱芯子,其成型精度有待提高;由压缩实验可知,褶皱夹芯结构先从壁面开始失效,后逐步扩散至棱线处,最终导致芯子的整体失效;由压缩实验测试结果可知,浸胶量(质量分数)为11%、17%、22%的褶皱夹芯结构的破坏载荷分别为362.853、420.521、471.389 N。结论 采用真空吸附成型工艺可一次性成型出褶皱芯子,其制备效率较高,但存在成型尺寸精度不高问题,后续需要进一步改进;在一定范围内,复合材料褶皱夹芯结构的压缩破坏载荷与芯子的浸胶量近似成正比例线性关系。     

等腰梯形蜂窝芯玻璃钢夹芯板的面内压缩性能

为研究等腰梯形蜂窝芯玻璃钢夹芯板面内压缩破坏机制, 利用材料试验机对夹芯板面内压缩性能进行了试验测试, 并开展了模拟研究。结果表明: 夹芯板的面内压缩破坏方式主要有面板折断、夹芯板屈曲失稳和夹芯板中面板与蜂窝芯脱粘3种类型。面板为夹芯板面内压缩的主要承载构件, 蜂窝芯对面板起到固支作用。面板结构参数与材料参数为影响夹芯板面内压缩抗压强度与抗压刚度主要因素, 多数蜂窝芯的结构参数与材料参数对夹芯板面内压缩抗压强度的影响微弱, 而个别蜂窝芯的结构参数对夹芯板面内压缩抗压刚度的影响比较显著。夹芯板体积一定时, 随着蜂窝芯胞体单元数量的增加, 夹芯板面内压缩的抗压强度与抗压刚度逐渐增大。      

纸蜂窝夹芯复合板材静态缓冲性能研究

目的为了新型纸蜂窝夹芯复合板材在运输包装中的推广应用,对新型泡状纸蜂窝夹芯复合板和纸蜂窝夹芯复合平板的缓冲性能和吸能特性进行研究。方法主要通过静态压缩实验,研究不同芯高的纸蜂窝结构类板材的应力-应变曲线、总能量吸收图、单位体积能量吸收图和缓冲系数-应变曲线,分析结构和芯高对板材静态压缩性能的影响。结果数据表明同种芯高的板材,纸蜂窝夹芯复合平板的应力峰值稍高;纸蜂窝夹芯复合平板的能量吸收、单位体积能量吸收最好;泡状纸蜂窝夹芯板由于泡结构的作用,缓冲性能大大增强。结论纸蜂窝夹芯复合平板的平压强度最好,而泡状纸蜂窝夹芯复合板的缓冲性能优于同等结构的蜂窝纸板,2种板材都有很好的应用前景。     

复合材料双向波纹夹层结构力学性能

为改进传统单向波纹夹层结构横向力学性能较差的缺点,设计了一种新型复合材料双向波纹夹层结构。考虑复合材料双向夹层结构制备困难,研究了整套真空辅助成型工艺(VARI)工艺制备方案,实现双向波纹夹层结构的高效制备,以满足工程应用的需要。对制备出的复合材料双向波纹夹层结构与单向波纹夹层结构分别进行面外压缩、弯曲和剪切实验,分析了双向波纹夹层结构在不同载荷下的破坏模式及其失效机制,计算了该结构在不同荷载条件下的强度和模量,并将其与单向波纹夹层结构进行对比分析。结果表明,在压缩荷载作用下,玻璃纤维/环氧树脂芯子为主要承载部分,结构的失效主要体现在芯子的屈曲、断裂和分层;在弯曲荷载的作用下,由于纤维的抗压强度远小于抗拉强度,所以压头下方的上面板最先达到破坏荷载,结构的弯曲失效形式主要为上面板的断裂和脱粘;结构的剪切失效主要以泡沫与面板的脱粘和压溃为主,芯子和面板未见明显的破坏现象;与单向波纹夹层结构相比,双向波纹夹层结构力学性能显著提升。      

Experimental investigation of 3D sandwich structure with core reinforced by composite columns

3D sandwich structure with foam core reinforced by composite columns, a new concept of sandwich structure, is designed and manufactured. Five types of samples with different densities of composite columns (1, 1.5, 2, 2.5 and 4 columns/cm²) are fabricated, tested and analyzed under bending, out-of-plane compressive and shear loadings. The mechanical properties of compressive, bending and shear increase with increasing of the densities of composite columns. The failure modes were investigated under the optical microscope. The plasticity of the column–core sandwich structure subjected to bending and shear loads can be explained by the mechanism of the inclination and chain-like failure of composite columns.     

格构增强夹芯复合材料的力学性能

为了解决传统夹芯结构z向刚度和强度较低的缺点,以近年来出现的z向增强技术之一格构增强技术为研究对象试制了几种不同结构参数的格构增强夹芯复合材料板,取得了良好的增强效果。同时研究了格构增强结构的压缩和弯曲性能,揭示了格构增强结构不同于传统夹芯结构的破坏模式。     

Experimental analysis of the through-thickness compression properties of z-pinned sandwich composites

This paper presents an experimental investigation into the flat-wise compression properties, strengthening mechanisms and failure modes of sandwich composite materials reinforced with orthogonal z-pins. The compression modulus of the sandwich composite increases rapidly with the volume content of z-pins due to their high longitudinal stiffness, however acoustic emission monitoring and X-ray computed tomography reveal that some z-pins are damaged during elastic loading. The compression stress to induce core crushing is increased greatly by z-pinning (up to nearly 700%), although a large percentage of the z-pins fail close to the elastic stress limit by longitudinal splitting and/or kinking. The total absorbed compressive strain energy of the sandwich composite is also improved greatly by z-pinning (more than 600%) due to the z-pins resisting core crushing, even though they are severely damaged. The results and observations presented in this paper have implications on the mechanical modelling of sandwich materials reinforced with brittle z-pins.     

玻璃纤维立体织物增强环氧树脂泡沫夹层复合材料的制备及力学性能

为了进一步提高泡沫夹层复合材料的承载能力和综合性能,实现其在轨道交通及汽车等工业领域的应用,开展了玻璃纤维立体织物增强环氧树脂泡沫(GF-Fabric/EP)复合材料的制备及其力学性能的研究。制备GF-Fabric/EP复合材料及其夹层结构,探索了GF-Fabric/EP复合材料及其夹层结构的失效行为,以揭示立体织物的增强机制。结果表明：立体织物的引入可显著改善GF-Fabric/EP复合材料的强度、刚度及破坏应变;但在不同承载条件下,各纱线发挥承载作用和效果不同。面板、芯材各自的性能、尺寸及面/芯界面性能均是影响GF-Fabric/EP夹层复合材料力学性能及失效特征的重要因素。以三点加载下的弯曲性能为例,针对不同的GF-Fabric/EP夹层复合材料,需调整跨厚比和试样尺寸并获得理想的失效特征,方可对其弯曲性能或层间剪切性能进行有效、合理的评价。