粒子分离器鼓包柔性复合材料的本构模型研究

为了预测可变形粒子分离器鼓包复杂工况的力学行为,得到柔性帘线/橡胶复合材料结构的变形特性模型,基于连续介质力学的理论,建立了一种考虑帘线/橡胶之间剪切应变能的帘线/橡胶复合材料本构模型,通过ABAQUS的UANISOHYPER_INV接口编写各向异性超弹性材料的本构子程序,形成有效的帘线/橡胶复合材料的变形行为预测方法。结合橡胶材料Mooney—Rivilin本构模型,基于大变形不可压缩方法处理橡胶试验数据,运用最小二乘法拟合单轴拉伸试验数据,得到橡胶材料的参数C10=-0.27MPa与C01=1.12MPa;在橡胶超弹性本构的基础上,建立了帘线/橡胶复合材料的各向超弹性本构模型,并通过单轴拉伸试验拟合帘线和剪切应变能的参数;并进行单轴拉伸试验验证帘线/橡胶复合材料的各向超弹性本构模型。结果表明:拉伸变形量在20%内,数据吻合较好,进一步证明所建本构模型的准确性,为可变形粒子分离器鼓包有限元仿真分析奠定理论基础。     

单向帘线增强橡胶复合材料在疲劳过程中的温升

以单向帘线增强橡胶复合材料为研究对象,利用自行建立的疲劳试验系统,研究了周期载荷作用下橡胶事材料表面温升的一般规律;讨论了实际热生成对材料疲劳行为的影响。为评价轮胎疲劳特性提供了有效的手段。     

碳-碳复合材料室温剪切模量和波松比测试研究

本文介绍了用扭剪法和 Iosipescu 压剪法测试碳-碳复合材料室温剪切模量以及用高灵敏度引伸计测试碳-碳复合材料室温波松比的简单原理、测试方法和测试结果。     

轻质量低成本无人机舵面结构优化与验证

复合材料蜂窝夹芯结构因其高比强度、比模量及可设计性而广泛应用于航空飞行器结构。文章提出了 1种轻质量、低成本舵面结构方案——通过增大蜂窝芯密度使其剪切模量提高,进而降低复合材料面板应力水平,减小面板厚度。首先,根据理论选择通过增大蜂窝密度提升蜂窝剪切模量;然后,对结构进行有限元计算与分析,发现蒙皮应力水平随蜂窝芯剪切模量增大而显著降低;最后,设计不同蜂窝芯密度的蜂窝夹芯结构进行试验。试验结果证明,蜂窝芯越致密,其典型力学性能越高,冲击后的剩余强度也越高。     

铺层结构对复合材料层合板拉伸性能的影响

设计并制备了6种不同铺层结构的层合板,通过对其进行拉伸试验,研究了不同铺层角度及不同铺层比例对层合板拉伸性能的影响。通过试验获得了6种复合材料层合板在拉伸试验中所能承受的极限拉伸强度,损伤特征以及载荷-位移曲线。结果表明:随着偏轴角增大,复合材料层合板拉伸强度逐渐降低,当45°和90°铺层体积分数相同时,45°铺层的层合板拉伸强度高于90°铺层的层合板;[0°/45°]铺层在表面可有效减小分层面积,由于内部剪切作用[0/90°]铺层更易出现分层。验证了复合材料层合板可通过改变铺层角度设计其力学性能。     

基于铺覆模拟的复合材料螺旋桨叶片分区域铺层优化北大核心CSCD

为了提高复合材料螺旋桨叶片的结构刚度,分区域优化设计了叶片复合材料结构的铺层角度。根据螺旋桨叶片的厚度和载荷条件,将其划分为4个区域。铺层优化以0°、45°、90°及-45°四个方向的铺覆在各个区域的模拟结果为基础。与初始的铺层方案[0/45/0/-45]sn相比,优化后叶片的铺层方案能使铺层的主方向接近叶片各截面中心点的连线。优化后螺旋桨叶片的1阶和3阶频率提高超过了25%,2阶频率提高超过了5%;表面均布载荷下叶片变形减小了50%,热载荷下叶片变形减小了约25%;优化达到了提高叶片结构刚度的预期效果。分区域优化的方法既利用了复合材料的可设计性又提高了优化效率,适用于复杂复合材料结构的铺层优化。     

湿热环境对CCF300/5228A复合材料层合板的载荷放大系数影响

复合材料结构的耐久性是飞机结构强度设计领域的前沿课题。以铺层方式为[45°/0°-45°/90°/0°_2/45°/0°/-45°/0°]_(2s)的CCF300/5228A复合材料层合板为研究对象,对其进行恒定环境与常幅疲劳载荷的非共同作用试验,采用改进的联合威布尔分布分析复合材料的疲劳寿命分散性,并运用MATLAB软件编写程序,分别计算得到其部件的载荷放大系数。结果表明,在本文研究范围内,随着试验环境中温湿度的增加,复合材料的形状参数单调递减,进而载荷放大系数也单调递增。但载荷放大效果并不明显,不能很好地加速该复合材料层合板的疲劳寿命试验,说明湿热环境导致复合材料力学性能下降,但反映到载荷放大系数的影响不大。     

电子封装用Sip/Al复合材料的热物理性能研究

采用挤压铸造法制备了Sip/A l复合材料。材料组织致密,增强体颗粒分布均匀。热物理性能研究表明,复合材料的热导率大于90 W/(m.K),线膨胀系数可在(7.48~9.99)×10-6/K范围内调整。增加基体合金中的Si含量有利于降低材料的线膨胀系数,但同时也会使热导率降低。对复合材料进行退火处理可有效降低其线膨胀系数,提高热导率。Sip/A l复合材料作为新型环保复合材料已经基本满足电子封装高导热、低膨胀的使用要求。     

国产CCF300碳纤维及其NCF织物的性能

为牵引和推动国产碳纤维及其织物在复合材料液体成型技术中的进一步应用,对国产CCF300碳纤维表面特性、CCF300 45°/-45°和CCF300 0°/90°两种非屈曲经编织物(NCF)的编织工艺性、铺覆变形性以及NCF织物增强复合材料的力学性能进行了系统表征。研究结果表明:国产CCF300碳纤维表面物化活性较高;CCF300 0°/90°编织织物的编织工艺更稳定;NCF织物增强复合材料具有与单向织物增强复合材料相当的力学性能,同时兼具良好的结构稳定性、铺覆性和成型性,具备成为复杂形状预成型体的可行性。     

考虑可制造性的变刚度复合材料加筋壁板的优化设计

由于变刚度复合材料具有更大的设计空间，能更充分发挥复合材料各向异性的优势，研究其优化设计方法越来越重要。本文首先考虑了工形长桁加筋壁板变刚度复合材料的可制造性，并通过自动铺丝工艺试验获得了纤维的变角度极限范围。研究了壁板面板的铺放角度对加筋结构屈曲强度的影响，然后利用Python编程，结合Abaqus有限元软件通过遗传算法对工形长桁加筋壁板的面板铺层设计进行了优化。研究发现，纤维角度变化宜控制在20°范围内，当面板与筋条同时承受压缩载荷时，面板为纯0°铺层的加筋结构的屈曲强度比纯90°铺层时要低；遗传算法稳定且收敛性好，通过优化后的结果发现，纤维角度集中在60°～65°时，加筋结构的屈曲强度最高。变刚度复合材料可提高加筋壁板屈曲性能，应用前景广阔。     

树脂基体的韧性对复合材料力学性能的影响

以双酚A型环氧树脂——无规羧基丁腈橡胶——2-乙基-4-甲基咪唑体系为代表,考察了树脂基体的韧性对单向玻璃纤维复合材料力学性能的影响。试验结果表明:随着树脂基体韧性的提高,所得复合材料的伉断裂性能相应地增加,但提高的幅度较树脂基体本身韧性的提高值小;复合材料的短梁剪切强度、除拉伸模量以外的横向力学性能也随树脂基体韧性的增加而提高,而弯曲性能及纵向力学性能受树脂基体韧性的影响不明显。     

膨胀效应对激波/湍流边界层干扰的影响

采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9,30°激波角的入射激波与膨胀角湍流边界层干扰问题进行了数值研究。入射激波在壁面上的名义入射点固定在膨胀角角点,膨胀角角度分别取为0°、2°、5°和10°。通过改变膨胀角角度,考察了膨胀效应对干扰区内复杂流动现象的影响规律和作用机制,如分离泡、物面压力脉动特性、膨胀区湍流边界层和物面剪切应力脉动场等。研究发现,膨胀角角度的增大使得分离区流向长度和法向高度急剧降低,尤其是在强膨胀效应下分离泡形态呈现整体往下游偏移的双峰结构。物面压力脉动功率谱结果表明,膨胀角为2°和5°时,分离激波的非定常运动仍表征为大尺度低频振荡,而膨胀角为10°,强膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡,加速了下游再附边界层物面压力脉动的恢复过程。膨胀区湍流边界层雷诺剪切应力各象限事件贡献和出现概率呈现逐步恢复到上游湍流边界层的趋势,Görtler-like流向涡结构展向和法向尺度变化剧烈,同时在近壁区将诱导生成大量小尺度流向涡。此外,物面剪切应力脉动场的本征正交分解分析指出,膨胀效应的影响体现在低阶模态能量的急剧降低从而使得高阶模态的总体贡献相对升高。     

编织复合材料预制体铺覆成型的数值模拟

针对平面编织复合材料预制体在曲面铺覆过程中的局部变形,建立了三维有限元模型,利用商业有限元软件Abaqus模拟了预制体在铺覆成型过程中的纤维束变形规律。研究了0°和45°碳纤维织物在球面铺覆过程的变形过程和局部剪切变形。结果表明,纤维束之间的滑动和纤维束起皱是该预制体在球面铺覆过程中的典型变形模式。在0°织物的球形铺覆变形中,0°和90°纤维束的剪切变形角最小,45°方向纤维束的剪切变形角最大;在45°织物的铺覆变形中,0°和90°纤维束的剪切变形角最大,45°方向纤维束的剪切变形角最小。     

三维四向编织复合材料细观建模

基于编织过程中携纱器的运动规律,重点分析了编织复合材料内部区域的空间构型,提出了一种改进的细观单胞模型.该模型能够考虑因打紧工艺造成的纤维束轴线弯曲构型以及截面变形,并可以给出编织参数和模型宏细观参数之间的关系,结果表明:该模型比较接近实际结构,材料内部纤维束轴线空间走向为曲线,控制点处纤维束截面为椭圆形假设已接近其真实的截面形状,并且由该模型得出的胞元几何特征数据与试件实测数据较为吻合,对花节长度的预测值最大误差保持在3%左右,在编织角分别为19°,21°和21.5°时,本模型的预测结果更接近实测结果,适用于三维编织复合材料尤其是小编织角结构的建模,可为后续力学性能的分析提供基础.      

Analytical Solution for Predicting In-plane Elastic Shear Properties of 2D Orthogonal PWF Composites

This paper proposes a new analytical solution to predict the shear modulus of a two-dimensional(2D) plain weave fabric(PWF) composite accounting for the interaction of orthogonal interlacing strands with coupled shear deformation modes including not only relative bending but also torsion,etc.The two orthogonal yarns in a micromechanical unit cell are idealized as curved beams with a path depicted by using sinusoidal shape functions.The internal forces and macroscopic deformations carried by the yarn families,together with macroscopic shear modulus of PWFs are derived by means of a strain energy approach founded on micromechanics.Three sets of experimental data pertinent to three kinds of 2D orthogonal PWF composites have been implemented to validate the new model.The calculations from the new model are also compared with those by using two models in the earlier literature.It is shown that the experimental results correlate well with predictions from the new model.     

三维混杂碳纤维/芳纶纤维增强尼龙复合材料力学性能研究

制备了三维混杂碳纤维／芳纶纤维增强尼龙复合材料(HY／PA)并对其力学性能进行了测试。研究表明：由于芳纶纤维的加入，使碳纤维增强尼龙复合材料(CF／PA)的抗冲击性能有了显著提高，HY／PA的抗冲击强度随芳纶纤维体积分数的增大而有所提高；另外，HY／PA在改善CF／PA的横向剪切强度的同时，也改善了芳纶纤维增强尼龙复合材料(KF／PA)的纵向剪切强度；同时，混杂效应对HY／PA的弯曲性能的影响最为显著，HY／PA的弯曲强度、弯曲模量均高于任一种单一纤维复合材料。     

孔排布局对叶片前缘气膜冷却的影响

采用放大的半圆柱状表面模拟涡轮叶片前缘的形状,对叶片前缘单排及两排圆柱形孔的气膜冷却效率进行了测量。试件表面交错地开有 6排孔,以驻点为起点,位置分别在± 1 5°,± 4 0°及± 60°处,各排孔的孔间距均为 3个孔径,孔轴线与表面在展向及流向的夹角分别为 30°及 90°,孔长与孔径比为 4。主要对比研究了 3种单排气膜孔不同孔排位、3种两排气膜孔不同孔排位及 1种三排气膜孔的布局对孔排下游冷却效率的影响。结果表明 :在同样二次流流量条件下,冷却效果好的单排孔位置依次为 60°,4 0°,1 5°,冷却效果最好的两排孔位置组合为 ( 40°,60°)。结果还表明 :在较大的二次流流量条件下,采用单排孔、两排孔或三排孔冷却方案对孔排下游的冷却效果影响不大;但在较小的二次流流量条件下,从冷却效果看,较好的孔排冷却方案依次为 :三排孔、两排孔及单排孔。实验参数范围是 :主流雷诺数 Re=4 2 0 0 0～ 1 2 70 0 0,平均吹风比 M =0.5～ 2.0     

三维碳/碳化硅复合材料的显微结构与力学性能

 利用三维碳纤维预制体，采用等温CVI法制备连续碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料。无热解碳界面层的复合材料，其力学性能随密度的增加而提高，但密度较高时却表现出脆性断裂特征。热解碳界面层的存在，有利于纤维的拔出，但由于其结晶程度较低，仍然存在纤维束内部的脆性断裂。     

考虑温度环境下树脂基复合材料力学性能及模型研究

采用试验的方法研究了T300/QY8911-Ⅳ复合材料不同温度环境(室温、160,200,260℃)下的纵向拉伸、横向拉伸及面内切变力学性能,探讨了材料的模量、强度随温度变化的规律并提出了相应的力学模型.试验结果表明:在室温至200℃复合材料纵向拉伸模量、强度受温度影响较小,拉伸模量最大变幅为2.82%,强度为1.41%;当温度升高到260℃时,由于树脂基体变质,材料纵向拉伸模量与强度均下降,模量下降5.85%,强度下降7.01%(均相对200℃);横向拉伸和面内切变模量、强度受温度的影响较大,在160℃范围内,材料的平均模量分别下降了49.21%和70.34%,强度下降了38.49%和44.85%.当温度升至200℃时,材料的横向拉伸及面内切变模量与强度进一步下降,模量降幅为25.13%和38.30%,强度降幅为0.41%和15.95%.拟合结果表明:3个力学模型均适用于不同温度、载荷类型下的数据分布规律,但模型Ⅱ与模型Ⅲ对数据的拟合更准确.      

M40-T300／BADCy混杂复合材料的研究

利用单向铺层模压工艺制备了M40-T300/BADCy单向层内和层间混杂复合材料,研究了混杂方式、混杂比及铺层顺序对混杂复合材料的拉伸性能、弯曲性能及层间剪切性能的影响规律.结果发现,层内混杂复合材料的性能介于两种单一复合材料之间,T300纤维含量越高,强度越大,M40纤维含量越高,则模量越大.以T300纤维为芯层,M40纤维为外层的层间混杂复合材料([(M40)1/(T300)3]s)具有与M40/BADCy复合材料相近的弯曲模量及与T300/BADCy复合材料相近的层间剪切强度,适合作为航天飞行器结构材料使用.