跨尺度预测非屈曲织物增强复合材料的刚度和强度

为了预测非屈曲织物增强复合材料的力学性能, 建立了纤维束的正六边形单胞和非屈曲织物复合材料的长方形单胞, 并重点推导了正六边单胞的方程边界条件。通过跨尺度逐级计算这两个单胞的有效弹性常数, 得到了非屈曲碳纤维织物增强环氧树脂基复合材料的宏观有效弹性性能和强度。对该非屈曲织物复合材料在拉伸载荷下的累计失效进行了有限元损伤分析。结果表明: 初始损伤发生在富树脂区或横向纤维束, 损伤在富树脂区与横向纤维束内逐步扩展, 最后向纵向纤维束扩展并迅速导致整体失效; 非屈曲织物增强复合材料的面内拉伸模量的计算预测值非常接近实验值, 面内拉伸强度计算值略小于实验值。     

考虑纤维束间粘接层的三维四向编织复合材料弹性性能数值预测

考虑了相邻纤维束之间的界面粘接效应, 建立了考虑纤维束间粘接层的三维四向编织复合材料单胞有限元模型, 较为真实地模拟了该材料的细观结构, 讨论了相应的边界条件和约束条件, 并采用有限元方法计算了该材料的等效弹性性能参数, 计算结果与实验值符合较好。研究了等效弹性性能参数随不同编织角及体积分数的变化关系, 得到了体胞的细观应力场, 为强度分析提供数据。      

层间纳米纤维膜对玻纤预制体渗流特性的影响

为了研究层间纳米纤维膜对玻纤织物渗流特性的影响,使用超景深三维显微镜表征了纳米纤维含量对玻纤织物微观结构的影响,采用径向法测量了纳米纤维膜夹层玻纤织物预制体的渗透率,重点分析了纳米纤维含量对玻纤织物预制体渗流模式的影响。结果表明:玻璃纤维束间的毫米尺度区域被纳米纤维膜填充而离散成微米尺度区域;预制体孔隙率及渗透率值均随着纳米纤维含量的增加而减小;随着纳米纤维含量的增加,复合预制体表现出的各向异性程度逐渐减小;树脂宏观流动前沿内部分饱和区域面积比例随纳米纤维含量的增加而增大;相同纳米纤维含量预制体的部分饱和区域面积比例随注入时间的增加呈先增大后减小趋势。     

基于Micro-CT图像的缎纹织物细观结构分析及渗透率预测

建立了确定显微计算机断层扫描技术(Micro-CT)扫描最合适分辨率的方法,并基于CT图像分析了3K五枚缎纹织物的结构,预测了渗透率。首先,将织物理想单胞模型转换为不同分辨率二维切片,考察分辨率对单胞结构、渗透率表征的影响,提出了确定Micro-CT扫描最合适分辨率的方法;其次,采用确定的分辨率对织物进行Micro-CT扫描,获取织物细观结构;最后,使用CT三维细观结构进行厚度方向渗透率数值预测,研究了织物结构的空间离散性对厚度方向渗透率的影响。结果表明：对于本文所用五枚缎纹织物,采用15μm分辨率进行Micro-CT扫描最合适;通过Micro-CT可准确获取织物纤维束的路径及截面变化;多层织物的孔隙沿3个主方向均呈现周期性排布,且束间孔隙率均值为16.6%;使用真实CT模型的厚度方向渗透率预测结果与实验值具有良好的吻合性。     

复合材料液体模塑成型工艺中预成型体渗透率张量的数值预测

结合均匀化理论和计算流体动力学技术, 实现了对复合材料液体模塑工艺中预成型体渗透率张量的预测。首先, 采用均匀化理论分析了流体在多孔介质内的流动问题, 推导出广义达西定律, 证明以施加周期性边界条件的单胞为研究对象, 可以预测预成型体的渗透率张量, 并以单向纤维织物为例, 对该方法进行了验证。对于复杂结构的预成型体, 渗透率的预测分为两步, 首先分别确定预成型体中流道和纤维束的渗透率, 然后计算其整体宏观渗透率。对于二维平面织物, 该方法与其他预测方法及实验的结果吻合较好。本文还考察了单胞的微观结构对渗透率的影响, 微观结构相似的预成型体如果孔隙率相同, 但束间流道的结构不同, 其整体宏观渗透率也存在很大差别。      

计及纤维交叉起伏影响的缠绕复合材料刚度分析

针对缠绕复合材料交叉起伏区域的细观结构,建立了一种细观分析模型。首先,将纤维交叉起伏区域划分为环向交叉起伏区和螺旋交叉起伏区2种类型;然后,以缠绕面为基准,用平行横截面将起伏区域空间结构模型离散化为多个子模型,运用纤维束起伏角、富树脂区域尺寸、纤维束的体积分数、纤维束的横截面形状及尺寸等细观参数来描述缠绕复合材料交叉起伏区域的细观结构。基于所建立的细观模型及层合板理论,提出了缠绕复合材料交叉起伏区域的等效刚度计算方法。通过算例研究了纤维束截面、纤维束起伏角以及富树脂区体积分数等细观参数对局部区域等效刚度的影响。结果表明:环向交叉起伏区的弹性模量比螺旋交叉起伏区下降得更为明显;在富树脂区域,弹性模量和剪切模量降低较为明显,而泊松比则有所增大。纤维束厚度增加及纤维束截面变化对交叉起伏区域等效刚度会产生明显影响。      

树脂传递模塑工艺中的非饱和流动过程模拟与实验研究

针对编织类纤维增强体的纤维束之间与纤维束内孔隙的双尺度特点,建立了平纹织物的细观结构模型,并推导了汇函数的数学表达式。建立了局部细观流动特征的非饱和流动控制方程,利用有限元/控制体积方法求解,得到了局部饱和度分布。与实验进行比较,吻合较好。      

预成型体渗透率预测及其受压缩变形的影响

建立了织物预成型体单胞内纱线间细观流动和纱线内部微观流动的统一的数学模型。基于最小势能原理建立了织物松弛状态下的单胞几何模型,同时对在模具压缩下的单胞变形进行了分析,并建立了不同压缩状态下的单胞几何模型。通过对单胞内树脂流动数学模型的数值求解,获得了流动速度场及压力场,进而预测了预成型体的渗透率。预测1组不同压缩状态下的单胞渗透率,研究了预成型体压缩变形对渗透率的影响。结果显示:随着压缩量的增加,其渗透率逐渐降低。通过实验测量及数据分析,验证了建模和预测方法的正确性。     

基于“离位”增韧技术Z向注射RTM成型的浸润研究

针对"离位"增韧技术和Z-RTM成型技术,引入饱和度参数修正Darcy定律,建立描述树脂在纤维预制件中非稳态流动的偏微分方程,研究恒流注射过程中体积流量、树脂黏度和纤维预制件渗透率等工艺参数对非稳态浸润过程注入压力的影响,模拟树脂在层间未增韧和增韧纤维预制件束内和束间的流动。结果表明:数值模拟结果具有可靠性;随着注射时间的增加,纤维预制件内部各点的压力增加;随着体积流量、树脂黏度的增加,注入压力线性增加,而随着纤维渗透率的增加,注入压力减少,符合Darcy定律;实现了树脂在纤维预制件细微观层次浸润的可视化,这种可视化结果为预测树脂在预制件中的宏观流动提供了重要补充,并为实际工艺提供了一定指导作用。     

碳纤维复合材料超声振动辅助RTM工艺的浸润特性

研究了织物类型、纤维体积分数和超声振动对树脂在碳纤维织物中流动特性的影响规律,设计了超声振动辅助RTM工艺过程中单向渗透率测量装置,开展了16组渗透率测试实验,并结合COMSOL软件仿真分析了织物中的树脂流动特性。研究表明,在相同纤维体积分数水平下,斜纹编织物的纤维束间隙通道比平纹织物的更宽,2/2斜纹编织织物渗透率比平纹织物提高了约21.5%。纤维体积分数与织物渗透率呈负相关,其函数关系与半经验公式Kozeny-Carman(KC)方程吻合较好。树脂流动过程中加入超声振动,其超声空化效应、加速度效应和微射流效应作用于纤维丝束表面,提高了织物渗透率约58.2%。有限元仿真模拟了椭圆形和近矩形纤维束截面设计的织物模型的流动过程,结果发现近矩形纤维束截面高流速区域范围更广,流体向纤维布夹层浸渍的速度分量更大。超声作用于织物纤维可能带动纤维丝束蠕动,使纤维束截面趋于近矩形状,从而提高了树脂对纤维织物的浸润性。上述研究结果对优化碳纤维复合材料成型工艺和成型性能具有一定的指导意义。      

二维编织C/SiC复合材料的热膨胀系数预测

根据二维编织 C/ SiC复合材料的细观结构及其制备工艺特点 , 提出了一种预测该材料面内热膨胀系数的单胞模型。模型充分考虑了编织结构复合材料中的纤维束弯曲和 CVI工艺制备陶瓷基复合材料产生的孔洞对热膨胀系数的影响。利用单胞模型预测了二维编织 C/ SiC的结构参数、 纤维体积含量、 孔洞含量对复合材料热膨胀系数的影响规律 , 结果表明 : 随着纤维束扭结处产生间隙与纱线宽度比值的增大 , 热膨胀系数增大 ; 当其它参数不变时 , 随着纤维体积含量的增大 , 热膨胀系数反而下降; 随着孔洞含量的增加 , 热膨胀系数也出现了下降的趋势。利用 DIL402C热膨胀仪测试了二维编织 C/ SiC复合材料纵向热膨胀系数 , 试验结果与模型预测结果吻合较好。     

纤维束波动效应对平纹编织复合材料损伤行为的影响

平纹编织复合材料中纤维束波动效应会引起随动材料主方向变化及面外剪切应力集中,为了研究其对平纹编织复合材料力学性能及损伤行为的影响,提出改进的像素法细观有限元单胞模型。模型根据纤维束波动曲线定义了材料主方向的变化,采用Hashin准则模拟纤维束的损伤起始,并引入剪切修正因子考虑面外剪切应力对面内拉伸损伤的影响。模型可以预测平纹编织复合材料的面内拉伸强度和损伤演化过程,结果表明:纤维束材料主方向波动会引起平纹编织复合材料面内拉伸强度下降;面外剪切应力集中是导致复合材料最终失效的主要原因,且随着剪切修正因子增大,复合材料面内拉伸强度显著降低;纤维束材料主方向波动和面外剪切应力集中均对平纹编织复合材料的损伤行为和破坏机理产生了影响,需要在数值分析中对其进行准确描述。      

基于数字图像技术的纤维织物面内渗透率表征

材料渗透率的表征受其结构空间离散性和求解方式准确性的严重影响。基于数字图像技术,评估了纤维织物渗透率的空间分布,并探讨了阶梯铺层对灌注工艺的影响。首先,从恒压单向注射实验的视频流中动态提取了流动前沿的流速分布和流动前沿角,通过织物渗透率与结构的关系仅一次实验便可求得纤维织物的面内局部渗透率分布;其次,利用正态分布函数拟合,建立了基于数字图像技术的纤维织物面内主方向渗透率张量的求解方法,并利用该方法研究了编织形式对渗透率的影响;最后,研究了阶梯铺层和恒定铺层对灌注过程的影响。结果表明:建立的基于数字图像技术的渗透率表征方法可以通过一次实验同时获取面内主方向上的渗透率及其空间离散型;在恒定铺层下缎纹织物渗透率随着纤维层数增大而增大,从厚铺层向薄铺层的灌注方式可以达到最优的灌注时间。      

基于细观力学的大开孔层合板缝合补强力学性能计算的新方法基于细观力学的大开孔层合板缝合补强力学性能计算的新方法

从细观力学的角度出发,考虑了面内纤维弯曲及富树脂缺陷,建立了大开孔层合板缝合补强孔边针脚损伤的单胞模型。建立了纤维弯曲函数,推导了纤维弯曲区域的纤维体积分数及纤维弯曲角度。基于复合材料力学分析方法,计算得出了单胞的材料弹性常数。研究表明:缝合导致单胞面内纤维最大弯曲角不超过20°,单层板纵向杨氏模量减小,横向杨氏模量、剪切模量及泊松比均增大,变化幅度均在-8%~20%之间;且对于大开孔层合板缝合补强而言,针距变化引起的材料性能变化相对边距大许多。由上述计算结果,建立了一种缝合补强大开孔层合板力学性能计算的新方法,同时引入针孔模拟针脚处的应力集中现象,结果表明:缝合会造成层合板面内力学性能降低,并且对面内的压缩性能影响大于对面内拉伸性能的影响。      

三维六向编织复合材料弹性性能理论预测

在三维六向编织物纱线运动规律的基础上, 建立了单胞模型, 推导了编织参数之间的数学关系。基于该模型, 采用改进的刚度平均化方法, 导出了三维六向编织复合材料的工程弹性常数, 分析了编织角和纤维体积含量对弹性性能的影响。结果表明, 三维六向编织复合材料具有良好的力学性能, 由于面内纬纱的加入, 使面内的力学性能得到了提高。      

一种改进的三维四向编织复合材料单胞模型及宏观弹性常数预测方法

提出了一种考虑打紧工艺导致纤维束截面形状沿其轨迹方向连续变化的三维四向编织复合材料改进单胞模型,并用于宏观弹性常数预测方法。首先,基于编织工艺过程分析,确定了单胞内部的纤维束布局形式;然后,从几何上推导了纤维束受挤压部位的位置坐标,并假设纤维束在受挤压前截面为圆形,受挤压部位发生圆形到椭圆的过渡变化,导致纤维轨迹产生弯曲,建立了纤维束截面为圆形和椭圆连续变化的改进单胞模型。通过该模型推导单胞编织参数和几何尺寸的数学关系,由此得出的几何特征数据与试件实测数据较为吻合,花节长度的预测值相对误差小于4%,相比于不考虑纤维束挤压变形的单胞模型更接近实际情况。最后,基于该改进的单胞模型,预测了三维四向编织复合材料的宏观弹性常数,并进一步研究了编织角和纤维体积分数对弹性常数的影响规律。     

Structurally stitched NCF CFRP laminates. Part 2: Finite element unit cell based prediction of in-plane strength

Based on experimental investigations on structurally stitched non-crimp fabric (NCF) carbon fiber/epoxy laminates under in-plane tension, compression and shear loading [1], a finite element based unit cell model was developed to estimate the in-plane strength of NCF laminates taking into consideration the yarn diameter, the stitching pattern and direction as well as the load type. Depending on these parameters, regions with undisturbed and disturbed fiber orientations leading to resin pockets as well as local changes of the fiber volume fraction are taken into account in the model.The comparison of experimental and numerical results showed that the strength of structurally stitched NCF laminates under in-plane tension, compression or shear loading can be predicted with an acceptable accuracy. The overall mean deviation between simulation and experiment observed was between 8% and 13%.     

Hyperelastic modelling for mesoscopic analyses of composite reinforcements

A hyperelastic constitutive law is proposed to describe the mechanical behaviour of fibre bundles of woven composite reinforcements. The objective of this model is to compute the 3D geometry of the deformed woven unit cell. This geometry is important for permeability calculations and for the mechanical behaviour of the composite into service. The finite element models of a woven unit cell can also be used as virtual mechanical tests. The highlight of four deformation modes of the fibre bundle leads to definition of a strain energy potential from four specific invariants. The parameters of the hyperelastic constitutive law are identified in the case of a glass plain weave reinforcement thanks to uniaxial and equibiaxial tensile tests on the fibre bundle and on the whole reinforcement. This constitutive law is then validated in comparison to biaxial tension and in-plane shear tests.     

2D-SiC/SiC复合材料损伤耦合力学行为

基于轴向和45°偏轴加载实验,分别获得2D-SiC/SiC复合材料在单一轴向应力和复合应力状态下纤维束轴向方向上的拉伸、压缩和面内剪切应力-应变行为,计算分析材料在复合应力状态下的损伤耦合力学行为。结果表明,在45°偏轴拉伸和压缩复合应力状态下材料损伤耦合力学行为的起始应力分别约为40MPa和-100MPa。复合应力状态下材料纤维束轴向方向上的拉伸损伤和面内剪切损伤进程间具有相互促进作用,面内剪切损伤对压缩损伤进程具有促进作用,但是压缩应力分量对面内剪切损伤进程具有明显的抑制作用;上述损伤耦合作用随着应力水平的增加而越发显著。由试件断口电镜扫描结果可知,复合应力状态下材料纤维束轴向方向上3个应力分量对材料内部0°/90°和45°3种取向基体裂纹开裂损伤进程的影响作用,是2D-SiC/SiC复合材料产生损伤耦合力学行为的主要细观损伤机制。