复合材料层合板低速冲击后的力学性能试验研究

对特定铺层的5224/CF3052平纹织物复合材料层合板进行了低速冲击和冲击后拉伸、压缩及弯曲试验。探讨了层合板在冲击试验过程中的损伤过程、特征和机理;分析了凹坑深度对层合板冲击后拉伸、压缩和弯曲强度的影响规律。结果表明:冲击后拉伸、压缩及弯曲强度降幅分别为60.9%、50.4%及28.4%,冲击后拉伸强度降幅最大,应引起注意。与冲击后压缩试验结果类似,凹坑深度与冲击后拉伸、弯曲剩余强度关系曲线存在拐点现象。     

CFRP层合板冲击后剩余强度及黏弹性能研究

通过对制备的环氧基碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板进行低速冲击剩余压缩强度试验研究，分析了CFRP层合板的冲击后剩余性能，然后观察CFRP层合板的冲击凹坑回弹现象，分析CFRP层合板的黏弹性能，深入分析冲击过程中能量的吸收与转化。结果表明：当冲击能量越来越大时，CFRP层合板的损伤越来越严重，其剩余压缩强度越来越低；从凹坑边缘到凹坑中心处，CFRP层合板的应变能密度逐渐增大；凹坑回弹部位位于凹坑中心区域附近，呈现局部突起状，最终凹坑剖面近似于不规则“W”形。     

电热载荷对CFRP复合材料冲击后压缩性能研究

采用实验室电热载荷试验环境与测试平台,测试了CFRP复合材料在多种电流制度下试样的表面温度分布,并获得了CFRP复合材料电阻在不同电流强度下的变化规律,初步揭示了CFRP复合材料的电阻与电流强度之间呈线性递减的关系;对五种不同电流处理的CFRP复合材料进行了冲击后的剩余压缩强度试验(CAI)测试,试验后采用超声C扫描检测、外观检查与断口侧面宏观观察方法对损伤与失效特征进行了对比分析。研究结果表明,CFRP复合材料的剩余压缩强度随通入电流强度的大小呈先保持不变后下降的趋势,当电流超过20A时,试样表面冲击凹坑深度和冲击损伤面积增长较快,分层损伤与纤维断裂现象越来越严重。     

复合材料加筋层合板准静态压痕实验研究及数值分析

利用ABAQUS有限元程序所建立了一种基于用户子程序USDFLD和Hashin强度准则的复合材料损伤计算模型,用该模型对复合材料加筋层合板在静压痕力作用下主要发生的纤维拉伸破坏、纤维微屈破坏、基体拉伸破坏、基体压缩破坏、层间拉伸破坏、层间压缩破坏这几种基本损伤模式进行分析。对复合材料加筋层合板在静压痕力作用下进行损伤全过程数值研究,利用该有限元模型预测复合材料层合板静压痕力作用下的荷载-位移曲线以及凹坑深度与静压痕力的关系曲线。数值仿真与实验结果吻合较好,表明该损伤模型方法的可行性。复合材料层合板加筋后拐点处的凹坑深度明显加大,达到0.84mm。通过对加筋板的刚度和强度失效规律的分析,为进一步的复合材料格栅加筋结构(如飞机结构中复合材料后压力框)的性能分析提供参考。     

碳纤维树脂基复合板料的铺层方式对低速冲击性能的影响

为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)板铺层方式对低速冲击性能的影响,设计了一系列CFRP板的冲击试验。对CFRP板的铺层方式、冲击能量的形式进行调节和改变,获取CFRP板在各种条件下的低速冲击行为;再通过冲击实验和超声波扫描的方法研究冲击过程中CFRP板的铺层方式和冲头质量对碳纤维树脂基复合材料板冲击性能的影响。结果表明,在15 J的低能量作用下冲击CFRP板时,冲头的质量越大,该板对能量的吸收率越大,损伤面积也越大;相同能量和相同冲头质量的冲击情况下,铺层方式为[0°/45°/90°/-45°]_2的抗冲击性能最好。CFRP板的冲击载荷、能量吸收和损伤形态与冲击能量的大小以及冲头动量密切相关。     

平纹编织碳纤维增强碳化硅复合材料低速冲击特性及冲击后的压缩强度

采用落锤冲击试验系统对平纹编织碳纤维增强碳化硅复合材料平板试样进行低速冲击,冲击能量为1.5～9J。冲击试验后,采用超声C扫描得到冲击损伤的大小。对含冲击损伤的试样进行压缩试验,通过与未冲击试样的压缩强度比较,得到冲击试样的剩余压缩强度。并对比了编织陶瓷基复合材料和树脂基复合材料的损伤阻抗和损伤容限。结果显示:随着冲击能量的增加,冲击力峰值、复合材料损伤面积和凹坑深度明显增加,到达峰值冲击力的时间减小。冲击能量的增加会导致冲击损伤面积的增加,而损伤面积的增加会导致剩余压缩强度的明显降低。相对于编织纤维增强树脂基复合材料,编织纤维增强陶瓷基复合材料的损伤阻抗较低,但损伤容限较高。     

非热压罐预浸料T700SC/#2510层板的低速冲击损伤特性

通过试验研究了一种非热压罐(Out of Autoclave,简称OOA)预浸料T700SC/#2510层压板的低速冲击损伤特性。针对三种典型铺层方案,获得了层压板的凹坑深度-单位厚度冲击能量(d-e)、损伤面积-单位厚度冲击能量(S-e)和冲击后压缩强度-凹坑深度(σ-d)曲线,以及三个批次的该OOA预浸料准各向同性层压板在标准冲击能量6.7J/mm下的剩余压缩强度结果。结果表明,T700SC/#2510材料体系冲击表面损伤不明显,但内部损伤却较大;该OOA预浸料的d-e曲线、S-e曲线和σ-d曲线均存在拐点现象;准各向同性铺层可以吸收更高的冲击能量,但也导致了更大的内部分层损伤;该OOA预浸料的CAI强度满足第二代OOA预浸料的指标。     

CFRP汽车储气罐低速冲击损伤特性分析

将CFRP汽车储气罐的低速冲击过程作为研究对象,建立了CFRP汽车储气罐冲击损伤多尺度分析有限元模型。在宏观层面分析了储气罐工况、冲头质量、冲击速度及碳纤维增强树脂基复合材料中碳纤维的缠绕角度等因素,对储气罐冲击损伤特性的影响。在微观层面,研究了纤维增强相、树脂基体相及界面相等细观组分材料,对复合材料RVE模型的影响。结果表明,背离冲击一侧的复合材料损伤面积大于受冲击侧,损伤的形貌呈不规则分布。复合材料拉伸损伤起始单元的数量约为压缩损伤起始单元数的1/5。复合材料中,当碳纤维[90/90/90/90/90]环向缠绕时,储气罐抗冲击性能较好。复合材料中碳纤维含量约为55%时,CFRP汽车储气罐抗冲击性较优。界面厚度的增加,提高了复合材料的承载能力。     

冲击位置对挖补修理层合板冲击后压缩性能的影响

使用过程中的低速冲击损伤对修理后的复合材料结构同样会造成威胁.设计并进行了复合材料挖补修理结构的低速冲击及冲击后压缩试验,测量了试验件的损伤投影面积和剩余压缩强度,分析了不同冲击位置的影响.结果表明,挖补修理层合板冲击后压缩强度比未修补板的低,挖补层合板对低速冲击位置较为敏感.冲击点离开挖补区一定距离后,挖补对层合板的低速冲击及其继后压缩性能的影响消失.     

碳纤维复合材料薄壁管的制备及其轴向压缩性能研究

以内径60mm、外径74mm、长度80mm的碳纤维复合材料薄壁管为对象,对不同树脂含量、不同环/纵向铺层比、不同端部结构的薄壁管分别进行静态轴向压缩试验,并研究了不同树脂基体对薄壁管静态轴向压缩强度的影响。结果表明,适当增加树脂含量、降低环/纵向铺层比、对管端部加强及采用增韧改性树脂基体都可以提高此种复合材料薄壁管的静态轴向压缩强度。     

CFRP层合板冲击后压缩失效分析数值模拟

复合材料层合板的损伤容限是复合材料结构设计的关键因素。针对碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板低速冲击损伤和压缩破坏问题,本文基于连续损伤力学和粘结单元模型,在ABAQUS中对两种不同冲击能量下的层合板进行了低速冲击和冲击后压缩仿真分析,并对层内和层间损伤进行了研究,分析了层合板的冲击损伤与压缩失效行为,通过与试验结果进行对比,验证了该模型的有效性。研究结果表明:冲击损伤对层合板的剩余压缩强度有着重要影响,试件的破坏开始于冲击损伤区域,并逐渐扩展到层合板的边缘,压缩力快速下降,层合板最终失效。     

混杂纤维复合材料力学性能及其低速冲击性能研究

采用热压成型工艺制备单一碳纤维、碳纤维/玻璃纤维(CF/GF)和碳纤维/Kevlar纤维(CF/KF)均质和非均质混杂增强环氧树脂基复合材料,通过三点弯曲、层间剪切、低速冲击及冲后压缩性能测试,研究纤维组分、混杂结构和混杂比对复合材料力学性能及低速冲击性能的影响。结果表明,单一碳纤维复合材料力学性能最佳,其弯曲模量、弯曲强度和层间剪切强度分别达到66.16 GPa、830.35 MPa和42.73 MPa,而CF/GF混杂结构性能总体优于CF/KF混杂结构,内层混杂结构性能优于外层混杂结构;单一碳纤维复合材料低速冲击性能较差,其冲击损伤凹坑深度最高可达混杂结构的3.5倍,对应的分层阈值为2 723.53 N;CF/KF均质混杂结构的剩余压缩强度最大,而单一碳纤维复合材料则最小,对应数值分别为0.92和0.79。     

玻璃纤维/环氧层合板低冲击能量与凹坑深度量化研究

使用试件为单向层合板和多向层合板两种类型的玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料层合板,采用自由落体式冲击试验机进行低能量冲击,以及超景深显微镜对损伤形貌进行特征描述。引入低能量冲击关系因子K,建立冲击能量与损伤凹坑深度量化关系,该量化关系可使冲击能量与损伤形貌特征相对应。所建立的凹坑深度与冲击能量的关系,既可以根据测量冲击凹坑深度反推出冲击时的能量值,也可以根据冲击能量预判结构的损伤情况。     

基于FBG的复合材料成型与冲击监测研究

碳纤维复合材料(CFRP)作为一种先进复合材料得到了广泛应用,但由于层合板结构薄弱的层间性能,致使其在受到外界冲击时,内部极易发生分层损伤,造成力学性能的下降并带来安全隐患。本文考虑将光纤Bragg光栅传感器(FBG)埋入碳纤维复合材料层合板中,对复合材料的真空辅助成型工艺及单次冲击进行了监测研究。实验结果表明,FBG可以有效监测复合材料成型过程中的温度、应变变化,并反映其存在的残余应变;在低能量冲击条件下,可以监测到复合材料内部应变变化及内部损伤情况,为FBG监测CFRP层合板的低速冲击损伤提供了依据。     

复合材料层合板静压痕试验及全过程数值分析

复合材料层合板在静压痕力作用下主要发生层间分层、基体开裂、基体压缩破坏、纤维断裂和纤维压坏这几种损伤模式。本文利用ABAQUS有限元程序,对在静压痕力作用下的复合材料层合板建立一个基于Hashin强度准则的全过程模型,并对各层各单元进行损伤演判。利用有限元模型对碳纤维NCF材料层合板在静压痕力作用下的荷载-位移曲线进行预测,并模拟层合板的损伤全过程,以及预测凹坑深度与静压痕力的关系曲线。对层合板进行静压痕试验,测试复合材料层合板在静压痕力作用下的荷载-位移曲线,并在试验过程中用凹坑深度仪测量层合板的凹坑深度。将数值模拟与试验结果比较,两者结果较为吻合。     

复合材料拐角的抗冲击性能实验研究

由于树脂基复合材料层合板对冲击作用比较敏感,因此,在使用过程中受到低能冲击时,极易产生不可见损伤,造成复合材料在强度和刚度上的损失,严重威胁结构的安全使用性。本文借助四点弯曲实验分别对五种不同铺层的乙烯基树脂/玻纤复合材料拐角在不同能量冲击后的弯曲刚度衰减进行了测试,讨论了不同铺层和冲击能量对复合材料拐角抗冲性能的影响。研究结果表明,随着冲击能量的增加,冲击损伤越明显,剩余弯曲刚度越低,各种铺层冲击破坏面积与刚度下降呈现基本一致的趋势;相邻铺层的铺层角相差越小,复合材料拐角的弯曲刚度越大,冲击后弯曲刚度损耗越小,[45°/0°/-45°/90°]铺层的冲击后刚度损失率最低,正交铺层的试样组抗冲击性能最差。     

冲头形状对层合板低能量冲击损伤尺寸及剩余压缩强度的影响

为探索冲头形状对层合板低能量冲击损伤尺寸及剩余压缩强度的影响,采用不同形状的冲头对T700/DS1202层合板进行了低能量冲击试验,测量损伤尺寸及其冲击后的剩余压缩强度。结果表明:随着冲击能量等级的增加,锥形冲头造成的损伤更易向深度方向发展,当损伤深度≥0.315 mm时,层合板背部出现裂纹,造成层合板剩余压缩强度退化到90%以下;同时,冲头形状会影响冲击能量门槛值,锥形冲头与圆形冲头的冲击能量门槛值分别为5 J·mm-1、6.67 J·mm-1。     

冲击损伤对CFRP层合板拉伸-渗漏性能的影响研究

复合材料对于各种冲击具有敏感性,当其受到一定的冲击后,在材料内部通常会发生如基体开裂、层间滑脱、基体挤压破坏、分层和脱层、纤维挤压变形以及纤维断裂等损伤,这些损伤对复合材料的性能影响很大.本文选用五类CFRP层合板试件,各个试件的相对体积孔隙率均不大于0.1％,低于其力学性能变化的临界值,可以忽略孔隙率对本试验的影响....     

非对称夹芯结构低速冲击响应

为研究非对称夹芯结构的低速冲击响应，以环氧树脂/碳纤维复合材料层合板为面板，以Nomex蜂窝为芯材制备蜂窝夹芯板，通过落锤冲击试验研究了不同上下面板厚度比对夹芯结构抗低速冲击性能的影响。同时，基于Hashin失效准则、渐进损伤模型、内聚力模型、理想弹塑性模型，在有限元仿真软件ABAQUS中建立了碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)面板/Nomex蜂窝夹芯板精细化低速冲击仿真模型，仿真结果与试验结果吻合较好。结果表明，当上下面板总厚度不变时，增大上下面板的厚度比，有助于提高夹芯结构的抗低速冲击性能，且建立的有限元模型可以有效地预测蜂窝夹芯板的低速冲击响应和冲击损伤。通过提出的仿真模型，观察并讨论了低速冲击响应下的结构内部损伤及演化过程。     

复合材料层合板冲击损伤剩余强度分析

民用飞机复合材料结构设计时必须考虑复合材料层合板的冲击损伤.通过试验测量和数值模拟两种方法分析碳纤维增强复合材料层合板低速冲击损伤后的剩余压缩强度,试验采用标准试验规范进行测量,数值模拟分析采用层内渐进损伤模型和层间Cohesive模型模拟分析层合板冲击损伤以及剩余压缩强度.数值模拟与试验结果对比表明,该数值模拟分析方...