三维多向编织复合材料T型梁抗弯应力分析

 针对三维多向编织复合材料结构件承载细观结构优化设计的问题,以三维编织复合材料T型梁为对象,对其抗弯性能进行模拟分析。基于细观结构单胞模型,采用刚度体积平均法计算具有不同编织角的三维四向、五向和六向编织复合材料的弹性常数;利用有限元软件Patran/Nastran计算T型梁承受弯曲载荷的应力与应变,分析纤维束交织结构和细观结构参数对T型梁抗弯性能的影响。结果表明,纤维体积含量一定时,三维六向较三维四向、五向编织复合材料的弹性性能更接近各向同性,同时选择比较大的编织角,可提高T型梁抗弯的承载能力。此方法可为异型三维编织复合材料构件细观结构的选型与参数设计可供参考。     

T形截面三维编织复合材料细观结构分析及弯曲性能预测

根据矩形组合截面三维编织复合材料四步法编织原理,分析了T形截面编织物的纱线运动规律,按照载纱器的水平运动规律确定了纱线的空间运动轨迹,并用控制体积法建立T形截面交接区域的特殊细观结构模型。在假设纱线截面为椭圆形等理想状态下,建立了编织工艺参数之间的数学关系。运用弯曲刚度合成法预测了T形截面三维编织复合材料的弯曲性能,用MatLab编写了弯曲模量的计算程序。结果表明：弯曲模量随编织角的增大而减小,随纤维体积含量的增加而增大,三维五向T形截面梁的弯曲性能优于三维四向的。最后将预测结果与实验结果进行比较分析,结果证实用弯曲刚度合成法预测T形截面三维编织复合材料的弯曲性能是可靠的。     

三维全五向编织复合材料的压缩性能

以无碱玻璃纤维为原料,采用四步法1×1编织工艺在全自动模块组合式编织平台上制备三维五向及全五向编织物;以E51环氧树脂、70#固化剂(四氢邻苯二甲酸酐)为树脂基体,与编织物复合制备三维五向及全五向编织复合材料;并利用Instron万能材料试验机对比测试上述编织复合材料的压缩性能,研究轴纱、编织角、纤维体积分数等结构参数对材料压缩性能的影响。结果表明,编织复合材料的压缩性能随着编织角的增大而降低,随着轴纱、纤维体积分数的增大而提高;三维全五向编织复合材料的压缩性能明显好于三维五向编织复合材料。     

三维管状编织复合材料的弯曲性能研究

以1 200 tex的E型玻璃纤维为原料,采用3DB-J100-8型模块化组合三维编织平台制备三维四向、三维五向管状编织物;以E51环氧树脂、H023聚醚胺组成树脂基体,与上述编织物复合制成三维管状编织复合材料;利用Instron 3385H型万能材料试验机测试并观察材料的弯曲性能,研究编织结构、编织角等结构参数对三维管状编织复合材料弯曲性能的影响规律。结果表明:三维管状编织复合材料破坏特性均表现为明显的脆性破坏;三维五向管状编织复合材料的抗弯性能明显好于三维四向管状编织复合材料;三维管状编织复合材料的弯曲性能均随编织角的增大而增加。     

三维管状编织复合材料的制备及轴向压缩性能研究

采用1 200tex的E-Glass纤维为原料,利用3DB-J100-8型模块式三维编织平台制备三维四向、三维五向管状编织物;以E51环氧树脂、H023聚醚胺组成树脂体系,与上述编织物复合制成三维管状编织复合材料;利用Instron 3385H型万能材料试验机测试材料的轴向压缩性能,观察材料压缩特性,并研究编织结构、编织角等结构参数对材料轴向压缩性能的影响。结果表明,三维管状编织复合材料的破坏特性表现为明显的脆性破坏;同时,材料破坏形式主要表现为树脂开裂、纤维断裂、界面脱粘等。三维四向、三维五向管状编织复合材料的轴向压缩性能均随着编织角增加而增强;三维五向编织结构轴向压缩性能明显好于三维四向结构。研究结果将为该类材料的结构优化设计和性能分析奠定理论基础。     

三维编织复合材料热传导性能研究

文章运用热传导系数仪研究了三维编织复合材料热传导性能,分析了编织角(α)、纤维体积含量变化对其热传导性能的影响,并对比了三维四向编织复合材料(4D)、三维五向编织复合材料(5D)和层合复合材料的热传导性能。     

三维多向编织复合材料纤维束细观结构拓扑优化

三维多向编织复合材料中近似空间网格状的纤维束增强骨架为复合材料及其结构件的性能提供了灵活的可设计性,为充分利用这类复合材料的优越性能,选用遗传算法优化纤维束拓扑结构、纤维束线密度和节矩长度,使三维编织复合材料既满足轴向弹性模量的下限要求,又能使材料的质量和横向泊松比最小。研究结果表明,在建立复合材料空间桁架结构单胞模型与其细观结构几何等价关系的基础上,利用遗传算法不断调用单胞模型刚度有限元计算子程序,可以在满足弹性要求的前提下,为三维多向编织复合材料找到最优的纤维束拓扑结构和细观结构参数。     

基于桥联模型预报三维五向编织复合材料的刚度和强度

基于三维五向编织复合材料细观单胞模型,将材料内部、表面、棱角区域内具有相同走向的纤维束简化为单向复合材料,利用桥联模型,确定了单向复合材料的柔度矩阵,将具有不同材料主向的单向复合材料的刚度通过体积进行平均,得到了三维五向编织复合材料的总体刚度矩阵,进一步计算得到材料的工程弹性常数;以单向复合材料为基础,宏观上基于等应变假设,结合桥联模型,确定出材料内各组分(纤维束和基体)的细观应力分布,对纤维束采用Hoffman失效准则,基体采用Mises失效准则,预报了三维五向编织复合材料的拉伸强度。结果表明,三维五向编织复合材料的刚度和强度的预测值与实验值吻合较好,验证了本文分析模型的有效性。     

芳纶三维编织复合材料的抗冲击性能研究

用三维纺织结构复合材料的纤维倾斜模型在准细观结构层次上分解三维编织复合材料 ,建立与三维编织复合材料具有相同纤维体积含量的单向板细观模型。用动态显式算法有限元程序模拟倾斜单向板弹道侵彻破坏过程 ,并得到弹体贯穿靶体后的剩余速度和靶体变形形态。计算结果与弹道测试结果的比较证明在三维编织复合材料细观结构简化方案基础上计算三维编织复合材料弹道冲击性能的有效性。并简要讨论靶板破坏方式和破坏机理     

三维四向编织复合材料刚度的细观力学设计

为了实现工程应用中三维编织复合材料的灵活设计,合理优化纤维束结构参数使得三维编织复合材料宏观刚度达到要求。基于非连续介质力学方法建立桁架结构单胞模型,采用有限元法预估复合材料的有效弹性模量,以材料质量最轻和刚度要求为目标,选用遗传算法优化细观结构参数。对纱线线密度和编织节距长度的优化结果验证,实验表明,桁架单胞模型结合遗传算法可以为满足弹性性能要求的三维编织复合材料快速地找到最优的细观结构参数。     

三维四向和五向编织复合材料冲击断裂行为的多尺度模拟

为对三维编织复合材料的结构特性进行模拟预测分析,采用一种多尺度和细观结构结合的方法,建立三维编织复合材料的等效拼接组合模型,进一步揭示编织复合材料在微观结构水平下的冲击损伤演化、裂纹扩展和能量吸收。设计制备三维四向和三维五向2种编织结构的碳/环氧树脂三维编织复合材料,根据编织参数建立等效拼接组合模型;通过落锤式冲击试验仪结合高速摄影系统记录2种编织复合材料在低速冲击下的断裂行为,与等效拼接组合模型在有限元数值模拟结果相对比,验证等效拼接组合模型的有效性。模拟结果表明,相同的体积分数下轴纱表现出最高的能量吸收,由于轴纱的存在,三维五向编织复合材料的抗裂性和裂纹扩展性优于三维四向编织复合材料。     

碳/芳纶混编三维编织复合材料拉伸性能

为分析三维编织复合材料拉伸性能和失效机制,分别以碳纤维和芳纶纤维为轴纱和编织纱织造了三维五向、三维六向碳/芳纶混编复合材料。采用数字图像相关法采集试样在单轴拉伸过程中表面全场应变信息得到的泊松比。结果表明：三维编织复合材料泊松比受编织结构的影响较大,同种编织结构下,碳纤维为轴纱的复合材料基本保持了碳纤维三维编织复合材料的拉伸强度和模量,同时提高了断裂伸长率;芳纶纤维为轴纱的复合材料则显著提高了断裂伸长率,但拉伸强度和模量损失较为明显;同种混编方式下,三维五向编织复合材料的拉伸强度和拉伸模量较三维六向高,断裂伸长率无明显差异。编织纱分别为碳纤维和芳纶纤维的三维编织复合材料高应变区分别类似点阵分布和波浪线分布,三维五向和三维六向编织复合材料高应变区分别呈均匀分散分布和横向分布。     

开孔三维编织复合材料的压缩性能

为研究机械开孔对三维编织复合材料压缩性能的影响,测试了2种三维编织复合材料试验件的压缩性能。1种为基本编织(100%编织纱)结构,另1种为含有编织纱/轴向纱(58/42)的结构,试验件编织角约为±12°。根据相关标准要求,分别进行有开孔和无开孔的复合材料试验件准静态压缩试验,并与层合板的压缩性能进行对比。研究结果表明:2种三维编织结构无缺陷材料的压缩强度较为接近,但引入开孔后,无增强纱结构可保留更高比列的压缩强度;引入开孔后,2种三维编织复合材料保留的压缩强度均高于层合板;在失效形式上,2种三维编织复合材料的宏观失效形式较为相似,均为剪切失效,表现出横向断裂且无分层现象。     

嵌入三维编织复合材料的碳纳米线应变传感特性

为实现三维编织复合材料的原位结构健康监测,研制了嵌入碳纳米线的三维五向编织复合材料预制件,建立了基于三维编织复合材料试件的碳纳米线应变传感实验系统,分析了嵌入三维编织复合材料中的碳纳米线应变传感特性。结果表明：在单调拉伸和循环加载卸载过程中,嵌入三维编织复合材料的碳纳米线传感器电阻变化与试件应变的线性相关性较高;在较大载荷循环加载卸载后,碳纳米线传感器产生的残余电阻可用于检测试件的损伤或累积损伤;引入电阻应变相关系数建立了电阻变化净差值与机械应变净差值的应变传感方程,可实现基于碳纳米线传感器的三维编织复合材料原位结构健康监测。     

基于碳纳米线传感器的三维六向编织复合材料内部损伤定位

为研究三维编织复合材料的实时结构健康状态监控,针对三维六向编织复合材料编织结构,采用三维四步六向编织方法将碳纳米线传感器以轴向纱和六向纱形式嵌入复合材料中,提出了一种构建智能三维复合材料的方法,建立了基于碳纳米线的三维编织复合材料试件内部损伤监测系统。基于碳纳米线测量的电阻值矩阵,采用四分矩阵奇异值分解方法分析信号矩阵的主要特征,计算试件内部的损伤准确位置。实验采用5种不同类型损伤试件进行分析,结果表明,该方法计算的试件内部损伤位置与实际损伤一致,测量的损伤位置坐标误差小于1。该研究可为智能三维编织复合材料的健康监测发展提供理论基础。     

基于损伤指数的三维编织复合材料结构损伤评估

以嵌入三维编织复合材料的碳纳米线作为拉伸传感器构建智能复合材料,利用主成分分析（PCA）以及T²和Q统计方法,对三维编织智能复合材料结构损伤进行研究。采用主成分方法对三维编织智能复合材料制件的损伤信息进行处理,以无损伤试件作为基准值建立PCA 模型,提出了智能复合材料损伤估计步骤。结果表明：用损伤指数（T² 和Q）与基准值的偏差可描述试件结构损伤程度,有损试件的损伤指数远远大于无损试件的基准值,T² 损伤指数值可以很好地反映试件较大的损伤,Q 损伤指数值较详细地反映了试件的损伤细节;本文方法的计算结果与实际损伤具有很好的吻合性。     

基于磁通图像的平板三维编织复合材料试件内部缺陷检测

基于量子扰动超导探测传感器超高的磁场灵敏度,将量子扰动超导探测无损检测技术应用于三维编织复合材料平板试件内部缺陷的无损检测。构建了适用于量子扰动超导探测检测需要的薄板中圆形缺陷涡流分布的理论模型。提出了量子扰动超导探测检测平板三维纺织复合材料试件内部缺陷的磁通变化成像算法,利用OPENCV软件对磁通图像进行处理,准确判定三维编织复合材料平板内部缺陷情况。试验结果表明：该方法准确描述了被检测试件缺陷的位置和尺寸;量子振动超导探测磁通成像具备良好的检测和定位的能力;相对于超声波等传统检测技术,量子振动超导探测技术是一种更为先进的三维编织复合材料的无损检测技术。