单向纤维增强复合材料强度的统计分析

在本文中,我们提出了一个用于研究单向纤维增强复合材料中纤维载荷集中的剪滞分析模型。用此模型推导出了包含r根断纤维的裂纹的尖端纤维的载荷集中因子的解析表达式,并由此计算了裂纹尖端纤维的最大载荷集中因子,其计算结果与Hedgepeth[2]的结果非常一致。其次,我们提出了平均载荷集中因子的概念,并通过载荷集中因子的大小定义了裂纹尖端纤维的影响长度。它的物理意义明确,而且,在裂纹的扩展过程中是逐渐增大的,这与实际情况相符。在前面分析的基础上,应用裂纹临界核模型[2,3],我们对单向纤维增强复合材料的强度问题进行了统计分析,其计算结果与实验值是一致的,其中使用平均载荷集中因子计算所得到的强度值与实验值更接近。数值结果说明了裂纹临界核模型的正确性以及用平均载荷集中因子和影响长度进行裂纹扩展分析的可行性。     

单向纤维增强聚合物复合材料压缩渐进破坏单向纤维增强聚合物复合材料压缩渐进破坏

复合材料结构在承压时破坏如何演化,是其强度破坏分析的基础和核心任务。本文提出了基于连续介质损伤力学（CDM）的单向纤维增强聚合物复合材料压缩破坏渐进损伤分析（PDA）模型。建模中考虑了材料非线性行为、失效判断及损伤演化中材料性能退化等基本问题,分别对应于拉压不对称弹塑性本构关系、Puck准则、LaRC05准则及考虑破坏面方向的刚度退化方法。该模型通过用户材料子程序接口VUMAT引入到有限元软件ABAQUS中实现了有限元求解。对文献中提供的纵向、横向及偏轴压缩案例进行了数值计算并与试验数据对比。数值分析结果与试验数据吻合较好,证明了该方法的合理性和有效性,对开展多向层合板压缩破坏分析富有参考价值。      

单向纤维复合材料导热性预测

本文利用均匀化方法预测复合材料导热性。采用这一方法给出了单向纤维复合材料沿纤维方向的导热性表达式;将该方法与有限元技术结合得到了在垂直于纤维方向上复合材料导热性数值形式的预测结果。根据这些结果我们用曲线形式给出了材料导热性同各组分体分比间的关系,分析了体分比、纤维截面形状和分布方式、纤维和基体间的相对导热系数等因素对材料整体导热性影响。注意到纤维分布的随机性,本文还研究了纤维相对位置对材料导热性的影响,指出相对位置的变化可导致材料的各向异性导热性。本文指出基体相导热性对材料整体导热性的影响比纤维相的影响更重要。和已有的理论和实验结果的比较说明,本文提出的方法是很有效的。      

高性能纤维增强树脂基复合材料的研究进展

高性能纤维增强树脂基复合材料在航空、航天等领域应用广泛,本文论述了高性能纤维如碳纤维(CF)、超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)、芳纶纤维、PBO纤维的表面改性方法、改性效果的表征手段及改性纤维增强树脂基复合材料的研究进展和方向.     

利用外方内圆模型预测单向连续纤维增强树脂基复合材料的横向弹性模量

为了对连续纤维增强树脂基复合材料的横向弹性模量进行较高精度的解析计算,利用代表性体积单元横截面为正方形基体包裹圆形纤维的外方内圆模型,采用先并联后串联和先串联后并联的两种计算方式进行公式推导,借助于Mathematica软件进行符号积分运算,获得了横向弹性模量的2组解析解,将其中间值作为预测值,给出了预测值的近似公式,并与一组实验数据进行了比较。研究表明,外方内圆模型能较好地反映客观实际,利用Mathematica软件可以解决计算困难的问题;将解析解的中间值作为横向弹性模量的预测值,与一组实验数据比较,显示解析计算的相对误差基本在10%以内;给出的近似公式形式简单,且其曲线能较好地吻合中间值曲线,在纤维体积分数小于75%的范围内,近似公式与中间值公式计算结果之间的最大误差不超过7%。     

基于失效机制的单向纤维增强树脂复合材料退化模型基于失效机制的单向纤维增强树脂复合材料退化模型

基于复合材料力学理论和失效机制,建立了一种新的适用于单向纤维增强树脂基复合材料的突降退化模型,用于描述复合材料基本材料性能在不同模式失效发生后的衰减行为。在模型中不仅考虑了复合材料拉伸和压缩弹性模量的差别,还考虑了损伤后材料拉伸和压缩性能退化的不同,以及裂纹闭合效应和侧向约束对压缩失效后性能的影响。另外,该模型只需要基本材料参数作为输入,便于应用。为了验证所提出的模型,建立了T800碳纤维增强X850环氧树脂基复合材料的退化模型,并对典型复合材料螺栓连接结构的拉伸失效行为进行渐进损伤分析。数值模拟获得的结构破坏载荷、破坏形式及载荷位移曲线与试验结果有较好的一致性,验证了所提出模型的计算精度和有效性。      

芳纶纤维增强橡胶复合材料的横向和纵向拉伸性能研究

以丁腈橡胶为基体,通过添加芳纶纤维制备了芳纶纤维增强橡胶复合材料(AFRC),研究了纤维长度、纤维质量分数对AFRC横向和纵向拉伸性能的影响.结果 表明:随着纤维质量分数的增加,AFRC的横向和纵向抗拉强度呈上升趋势,且纵向抗拉强度普遍高于横向抗拉强度;纤维质量分数为4％、长度为3mm时,AFRC综合性能较优.     

纤维增强金属基复合材料及应用

讨论了纤维增强金属基复合材料中制造工艺及纤维的种类，优缺点，并列举了一些碳纤维增强金属基复合材料的应用实例。     

复合材料使用的增强纤维的现状与发展趋向

重点介绍了碳纤维、粘胶纤维基碳纤维、聚丙烯腈纤维基高强度高模量碳纤维、沥青碳纤维、陶瓷氧化物纤维、碳化硅纤维、高强度高模量有机纤维的开发、生产、应用现状与发展动向。     

界面粘性滑动对纤维复合材料横向剪切变形的影响

研究了扩散控制的界面滑动对纤维复合材料的横向剪切变形行为的影响。基体和纤维为弹性的,而界面滑动速率正比于界面剪应力。作为辅助问题,首先考虑了单根纤维嵌在无限大基体的特殊情形,导出了纤维和基体中随时间变化的应力场。其次,应用平均场方法给出了任意时刻复合材料的总体响应。数值结果表明复合材料的横向剪切模量随着界面滑动的发生将显著减小。     

Compression Shear Test (CST) – A Convenient Apparatus for the Estimation of Apparent Shear Strength of Composite Materials

A convenient apparatus for the determination of apparent shear strength of flat as well as curved composite materials and adhesive joints, the compression shear device (CSD), is described in detail. Compared with other commonly used tests the sample preparation is very easy, inexpensive, and consumes less material. The obtained values of apparent shear strength for different classes of materials are comparable with values determined by established tests. Using an additional extensometer, the estimation of shear strain and shear modulus is also possible with the proposed equipment.     

关于横观各向同性体在其各向同性面内弹性问题的一个常数

研究了在平面应力和平面应变情况下, 横观各向同性材料在其各向同性面内的应力2应变关系以及用位移表达的平衡方程可以被表示成与各向同性材料完全相同的形式。这种等同关系是通过引入一个与横观各向同性材料的泊松比有关的常数得到的。该常数的引入消除了已发表的文献中求解横观各向同性材料平面问题时出现的矛盾。这个常数的引入也便于正确计算单向纤维增强复合材料的横向切变模量。      

复合材料横向剪切弹性模量的识别与层间剪切强度的实验研究

本文提出一种测试复合材料横向剪切弹性模量的参数识别方法。该方法是将复合材料的横向剪切弹性模量视作横向剪应变的函数，由横向剪应变的测量值反演横向剪切弹性模量。剪应变与剪切弹性模量间的函数关系用有限单元法得到。文中给出了参数识别计算格式和一种玻璃布层压板的识别结果。同时，文中提出了用五点弯曲实验测试层间剪切强度的方法，给出了实验结果。     

纸张材料弹性模量与剪切模量的关系

研究了正交各向异性的纸张的各个材料参数之间的关系,以减少描述纸张材料性能所需的独立参数,并在纸制结构分析中,合理匹配了材料参数。通过对材料单元在纯剪切载荷作用时与纯主应力载荷作用时的两种变形进行力学比较分析,获得了纸张的弹性模量、剪切模量和泊松系数之间的关系,并导出了简单数学公式。该公式在纸制结构设计、振动分析以及有限元计算等方面有实用的意义。     

玄武岩纤维的制备及其复合材料的研究进展

介绍了玄武岩纤维制备原料的相关成分要求及玄武岩纤维的结构,详细列举了玄武岩纤维材料的优越性,阐述了玄武岩纤维的生产方法和设备开发现状及其研究进展,以及用玄武岩纤维作复合材料的应用现状及其研究进展.     

Viscoelastic interlaminar shear modulus of fibre reinforced composites

An inverse parameter identification technique using a modified Iosipescu shear test (MIST) has been developed for determining the viscoelastic interlaminar shear modulus of composite laminates. The main component of the technique involves minimising the difference between an experimentally measured and a numerically determined creep response at various elevated temperatures by varying the interlaminar shear modulus terms in the numerical model. Consequently, the ‘optimum’ model for the viscoelastic interlaminar shear modulus can be found at each temperature. These individual models are then combined to form a single ‘master curve’ for which a time-shift function and a Prony-series is fitted. In the present studies, Hexcel F593–18 plain weave pre-preg laminates were investigated. Experimental creep tests were conducted at various temperatures between 40 °C and 150 °C. Through the application of the inverse parameter identification technique, it was determined that the viscoelastic interlaminar shear moduli of the composite material can be effectively modelled by a nine-term Prony series and a third-order polynomial time-shift function.     

木塑型材与木塑复合材料抗弯性能比较研究

对目前常用的4种木塑型材和从木塑型材中取下实心方形小试样的抗弯性能进行了测试比较,同时还研究了木塑复合材料的抗弯性能与跨高比之间的关系.结果表明:木塑复合材料自身的抗弯强度和抗弯弹性模量均小于木塑型材的抗弯强度和抗弯弹性模量;木塑复合材料抗弯强度随着跨高比的加大,变化不明显;但抗弯弹性模量均随着跨高比的加大而明显下降.因此,在木塑复合材料标准制定中,需结合实际,使用重点考虑测试抗弯弹性模量时的跨高比.     

高性能有机纤维单丝复合体系界面粘结性能实验研究

采用单丝复合体系多次断裂法,通过对纤维单丝断点数的统计及其断点形貌的分析,考察了PBO纤维、芳纶Twaron纤维、超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)3种高性能有机纤维与韧性环氧基体的界面剪切强度;并对比考察了界面剪切强度与对应复合材料单向板层间剪切强度之间的关系;结合XPS、SEM等手段分析了有机纤维表面物理化学特性对界面剪切强度的影响。结果表明,Twaron/环氧的界面剪切强度高于PBO/环氧,UHMWPE/环氧的界面粘结弱,该方法不能测试;上述体系界面剪切强度与对应的复合材料单向板层间剪切强度变化趋势是一致的;表面化学活性高的纤维对应的界面剪切强度高。