初始缺陷对复合材料层合板力学性能影响研究

复合材料层合板在热压成型以及冷却过程中容易出现分层缺陷,分层缺陷是影响复合材料性能最主要的缺陷形式之一,其在复合材料中的产生和扩展都会显著降低复合材料的结构强度甚至引发灾难性的破坏,所以复合材料的分层缺陷对于结构的可靠性有着十分重要的影响。以初始分层位置以及初始分层直径2个参数作为研究对象设计实验,通过数值模拟和试验得到两者对于复合材料层合板力学性能的影响规律,并得出以下结论:初始分层沿厚度方向位置对线性段平均压缩模量以及应变的影响较小,分层越接近中心面,对极限承载能力影响越大;当缺陷直径在有效作用区长度的8%～20%(18～44 mm)范围内时,对层合板线性段平均压缩模量、极限承载能力以及应变的影响变化不明显,当直径提升到有效作用区长度的27%(60 mm)时,以上性能均出现较大变化。另外,将双线性内聚力单元引入渐进失效方法计算层合板极限承载能力,通过试验结果与数值模拟的对比验证了算法的准确性。     

复合材料层合板低速冲击损伤阻抗性能影响因素研究

基于复合材料层合板的结构特点及典型损伤和破坏模式,建立了基于ABAQUS有限元软件的复合材料层合板低速冲击模型.与实验数据对比结果表明,该模型可以准确地模拟复合材料层合板低速冲击损伤阻抗特性.采用该有限元模型,研究复合材料层合板的铺层材料面内性能和铺层角度等参数对其在低速冲击作用下损伤阻抗性能的影响规律.分析结果表明,提高铺层纤维方向拉伸模量可明显提升其抗冲击损伤能力,在复合材料层合板中增加±45°铺层数量能明显提升其抗分层能力,而提高其它方向弹性模量对复合材料层合板低速冲击损伤阻抗性能的影响不明显.     

织物增强复合材料层合板层间强度的改善方法

分析了织物增强复合材料层合板的力学性能特点，并针对其层间强度低及层间断裂韧性差的缺点，从层间破坏机理出发介绍了提高层问强度及断裂韧性的几种方法，重点介绍改善织物增强复合材料层合板层间断裂韧性的缝合方法。同时，文中也分析探讨了层间强度的测试与评价方法。     

L型层合梁分层破坏的高阶理论分析

目前国内外有限元软件均采用一阶剪切变形层合板理论,对板壳等结构均不能计算层间应力,不能分析层间分层破坏,这已成为复合材料结构分析的难题。本文基于整体-局部高阶剪切变形理论对软件Abaqus进行二次开发,对L型梁的层间分层破坏进行了分析。对破坏形式及层间应力大小的计算结果与试验结果进行对比,计算与试验结果吻合。高阶理论有限元方法可以准确判断复合材料层合结构失效形式、位置和应力大小。     

一种计及分层效应的复合材料层合板疲劳寿命计算方法

给出了一种求解多向铺层复合材料层合板自由边层间应力的简化方法，并在此基础上提出了计及分层损伤的多向铺层复合材料层合板疲劳寿命的计算方法；算例与试验结果对比表明，该方法可以提高复合材料层合板疲劳寿命计算值与试验值的吻合程度。     

基于CDM的复合材料层合板插层补强强度分析

文章针对复合材料插层补强层合板损伤破坏问题,基于各向异性材料连续介质损伤力学方法,引入材料损伤状态变量对复合材料损伤情况进行描述,建立了复合材料插层补强三维非线性渐进损伤模型;利用该模型对复合材料插层补强层合板的损伤破坏进行了准确预测.重点对补强设计中插层材料铺层比例和补强半径两个设计参数进行了研究,得到了复合材料开口层合板理想的插层材料铺层比例及补强半径范围.     

织物增强复合材料层间基体铆接与层间剪切强度的关系

采用一种新的实验测试方法研究织物增强复合材料层合板的层间剪切强度，对该测试方法作了理论分析并建立了数学模型，提出了织物增强复合材料层合板中基体层间铆接的存在，采用不同经纬密度的织物作增强材料，研究了铆接与层间剪切强度的关系，为织物增强复合材料的细观力设计提供了依据。     

含孔复合材料层合板拉伸强度研究

对含孔复合材料层合板的破坏模式和拉伸强度进行了研究,考查了孔的直径和形状对层合板强度的影响.通过实验研究,测量出含孔层合板的强度.利用有限元软件ABAQUS的子程序USDFLD建立了逐渐损伤失效模型,对层合板的强度进行了数值模拟.研究结果表明,数值模拟得到的强度值和实验测量的强度值吻合较好,文中建立的数值模型可以有效地预测含孔层合板的强度.     

复合材料加筋板极限承载能力分析

加筋板在出现屈曲之后并未完全失效,仍然具有较高的承载能力。本研究利用ABAQUS软件建立由shell-solid单元组合的复合材料加筋板极限承载能力分析模型。复合材料层合板和界面材料的破坏通过子程序判断,子程序中编写了Hashin和Quads失效判据,并引入材料刚度退化准则。通过有限元模拟方法分析复合材料加筋板在轴向压缩载荷下的极限承载能力,并详细给出3种失效模式的破坏过程,仿真结果与试验结果相比误差较小,说明所建立模型及USDFLD程序是正确的。     

不同孔隙率CFRP层合板冲击损伤分析

为了建立适用于织物纤维增强复合材料层合板的冲击损伤失效准则,在适用于复合材料单向板低速冲击失效准则的基础上,改进了纤维及基体破坏的失效准则.对于织物纤维增强复合材料层合板,分别考虑了经向纤维破坏、纬向纤维破坏、基体法向挤压破坏、分层破坏等冲击损伤形式.使用ABAQUS软件建立有限元模型,结合刚度突然退化模型,通过引入不同孔隙率复合材料的基本强度参数,较为准确地预测了不同孔隙率的织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的冲击损伤投影面积.     

层合效应与疲劳寿命

通过对T300／QY8911碳纤维／双马复合材料三类多向层压板共5种铺层方式板条的试验研究和理论分析,揭示出不同铺设相邻单向层之间良好的粘合是确保多向层板具有高抗疲劳特性的基础,但自由边区域高的层间应力将引起分层发生与扩展,它将严重降低层板的疲劳寿命。当主要受力方向确定时,层间应力的大小与铺设顺序有密切关系,合理设计铺设顺序是降低层间应力十分有效的措施。     

共溶剂法测定树脂间相容性时分层速率的研究

以醇酸树脂-氯化聚丙烯-甲苯体系为例,采用共溶剂法考察了相容性和分子量对树脂分层速率的影响,结果表明:树脂间相容性对分层速率起着主要作用,相容性差的体系分层速率快,反之分层速率慢;在相容性相近的情况下,溶液的粘度大小(分子量)才对分层速率产生影响,粘度小的分层快,粘度大的分层慢;还发现多分散的高聚物中,分子量小的首先扩散进入分层的清液中.     

Study on Squeeze Casting Metal-zirconium Composite Die Material by Hot Press Sintering

ZrO_2-5CrMnMo composite samples were prepared by hot press sintering.When NiCoCrAlY powders were used as the bonding layer and the different mixtures of NiCoCrAlY alloy and 3YSZ (3mol% yttria stabilized zirconia) ceramic powders were used as the transition layers,the connection between zirconia ceramic and 5CrMnMo steel were strengthened.Three composite samples with different structures were fabricated by heat spraying and hot press sintering.Shear and thermal shock cycle tests were conducted to characterize connection strength and thermal shock resistance of these samples.The shear strength reached 95.69 MPa,and the heating shock cycles achieved to the maximum value of 27.7 times.Microstructures and connection interfaces were analyzed by scanning electron microscopy.The hardness and wearing resistance of 3YSZ coat and 5CrMnMo substrate were compared,and the heat insulation property of composite samples were also discussed.It is shown that these composite materials fabricated in this research are benefited to be used as squeeze casting dies.     

柔性复合薄膜折叠损伤实验研究

对聚合物膜/预浸环氧碳纤维织物/聚合物膜这种三层薄膜材料(以下简称复合薄膜材料)的折叠损伤进行了试验研究.对未固化复合薄膜按一定折叠半径进行折叠,置于两平板间一定时间,然后展平加压加热固化并测试固化后复合薄膜材料的强度与刚度.结果表明,随着折叠半径的减少,材料的强度和等效拉伸模量下降.通过分析复合薄膜材料折叠损伤机理,确定了复合薄膜不发生损伤的最小折叠半径.另外,本研究还讨论了由于压缩屈曲导致的复合薄膜在拉伸中出现的分层破坏现象.     

含损伤复合材料圆柱壳非线性动力响应及屈曲

为分析损伤对复合材料圆柱壳结构动力性能的影响,该文以一阶剪切变形理论为基础,由Hamilton原理推导出包含横向剪切变形以及初始几何缺陷的圆柱壳的非线性动力方程.复合材料圆柱壳上的初始几何变形以初始几何缺陷的方式描述并引入方程,针对基体破坏子层进行刚度折减,并求得脱层损伤区域的等效刚度矩阵.采用半解析法求解方程,并根据求得的位移响应情况,由B-R准则判定屈曲,确定屈曲临界载荷;分析初始几何变形、伴随脱层及子层基体破坏等损伤形式对复合材料圆柱壳非线性动力响应及屈曲的综合影响.     

聚氨酯-橡胶复合阻尼材料减振优化设计

隔离自由阻尼是在传统的自由阻尼结构上建立起来的一种减振处理方法。本文以隔离自由阻尼理论为基础,提出以硬质聚氨酯泡沫作为隔离层、橡胶为阻尼层制备成用于抑制结构振动的聚氨酯-橡胶隔离复合阻尼材料。利用模态叠加原理和Lagrange方程,在考虑阻尼层剪切变形的基础上,推导出了隔离自由阻尼悬臂梁的控制方程。在钢板悬臂梁上敷设隔离层与阻尼层厚度比值为1～3以及具有分段式隔离层的聚氨酯-橡胶复合阻尼材料,并通过单点锤击实验从幅频曲线、复合损耗因子、模态频率等方面对悬臂梁模型的减振性能进行了对比分析。结果表明：隔离层与阻尼层的厚度比值由1增加至3时,模型的振动响应峰值降低了13%～62%,同时损耗因子明显升高;当厚度比超过1.5时,材料对模型低阶模态的减振效果持续提高,而高阶模态的减振效果趋于稳定;分段式隔离层的设计降低了隔离层的抗弯刚度,扩大了阻尼的层的处理面积,模型振动响应峰值降低了27%以上,且并未显著增加阻尼处理的附加质量。研究结果揭示出：在聚氨酯-橡胶隔离复合阻尼材料的阻尼层厚度不变的情况下,增大隔离层与阻尼层的厚度比有助于提高复合阻尼材料的减振性能;分段式隔离层的设计在此之上能够进一步改善复合材料的阻尼性能。     

铺层次序对于碳／玻璃混杂复合材料破坏过程的影响

本文使用有限元方法模拟了三种碳/玻璃编织状混杂复合材料层合板的破坏过程，三种层合板有相同的碳纤维和玻璃纤维的体积比和重量比。层数比相同铺层次序不同，假设碳纤维层首先破坏，计算了破坏处周围的最大拉伸应力、拉伸应变和层间剪切应力，从应力、应变分析和能量分析的观点探讨了铺层次序对于混杂复合材料破坏过程的影响，结果表明：铺层次序影响着脱层破坏的出现，三种分析方法可以得到一致的结论，并与试样断口分析的结果相吻合。     

液晶聚合物──新型高阻隔包装材料

LCP（液晶聚合物）是一种价格较贵但阻隔性很高的材料。它与廉价塑料组合,则可以提供成本较低的多层复合薄膜或其他包装材料,同时仍能保证高的阻隔性。目前的研究开发工作中,包括利用LCP在剪流中受横向剪切力时具有自行排列的特性产生横向拉伸而形成双向拉伸薄膜。若把这一层LCP材料加入到混合料中,可以使其性能和成本协调合理     

低速冲击下复合材料层合板的损伤过程模拟

运用一种精度较高的高阶位移位模型复合材料层合板的应力分析，在分层损伤处采用沿厚度分段抛物线插值的方法拟合横向剪应力，运用该方法进行冲击损伤过程的计算，可以不用重新生成网格，并能计算多个分层同时扩展的情况，最后，将计算模拟结果与献的实验数据进行比较，说明了本方法正确和有效性。     

ECC-XPS夹心复合墙板界面黏结性能试验

因建筑外围护结构面层开裂脱落导致保温隔热性能下降,从而引起建筑能耗大等问题已经受到了广泛关注,并且现存的外墙保温方法难以保证墙体具有与建筑同样的寿命。基于此,本文提出了一种以工程水泥基复合材料（ECC）作为饰面层和结构层、挤塑聚苯乙烯（XPS）保温板作为保温层的夹心复合墙板,并对其进行了双面剪切试验。在此基础上,分析各类试件的破坏模式,研究制作方式、保温层厚度、连接件及玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）连接件角度对ECC-XPS夹心复合墙板界面黏结性能的影响。结果表明：预制试件的黏结性能最差,约为现浇试件的1/3;随着保温层厚度的增加,试件的抗剪承载力和延性降低,并且试件的厚度越大,其抗剪承载力和延性降低的幅度越大;连接件的存在能够有效提高试件的抗剪承载力和延性,还会改变试件的破坏模式;减小连接件的嵌入角度有助于增大试件的抗剪承载力,但会降低试件的延性,还会导致破坏模式发生改变。为了评估ECC-XPS夹心保温墙板达到峰值荷载后的耗能能力,对各类试件进行了韧性分析,发现在墙板中设置一定的连接件能够有效提高试件的耗能能力,并且设置90°连接件对耗能能力的提升最明显,同时预制试件的耗能能力最差。根据试验结果对抗剪承载力计算公式进行修正。研究为ECC-XPS夹心复合墙板在实际工程中的应用奠定了基础。