三维机织复合材料侧压性能有限元分析

使用Pro/E 5.0构建出一种三维角联锁机织复合材料细观结构模型,利用ANSYS分析侧压载荷下复合材料中纤维与树脂应力应变分布情况,预测复合材料在侧压载荷下的力学行为,并对比复合材料侧压性能。结果表明:复合材料侧压性能表现出各向异性,纬向侧压性能好于经向;复合材料中纤维承载更多的载荷作用,树脂发生更大的变形;轴向平行于侧压方向的纤维承受更大的载荷作用,轴向垂直于侧压方向的纤维承受较小的载荷作用。     

CJ828大型客机三维机织复合材料翼梁设计研究

根据三维机织复合材料出色的整体性能、较高的损伤容限、显著的抵抗裂纹扩展的能力以及良好的可设计性,结合飞机结构设计原则,设计CJ828三维机织复合材料翼梁,初步确定了翼梁各部位参数值,然后建立有限元模型,重点进行了静力学与模态分析,其结果为后续工作提供了一定的参考.     

三维机织复合材料的一个细观力学模型

根据三维机织复合材料中细观几何和变形的周期性,提出了一种反映细观周期约束条件的组合梁单元模型,该模型既考虑了纤维束的偏轴拉压效应,又考虑了纤维束的弯／剪耦合效应和纤维束之间的相互作用,可以描述纤维束和基体中的细观应力分布。针对一种典型的三维机织复合材料,研究了根据编织参数确定材料细观结构的方法,在此基础上选取材料中最小周期的一段纤维束作为分析胞元,用上述模型分析了面内拉伸荷载下胞元中各相材料的细观应力,进而得到材料平均的宏观模量。材料试验和二维细观有限元分析证明了本模型的可靠性。研究表明,三维机织复合材料中,纤维束拉、弯耦合效应引起的细观应力在应力分析中不可忽略。     

三维机织复合材料弹道冲击试验研究

先进复合材料具有高比强度、高比模量等优点,是航空发动机应用研究的热点。本文通过弹道冲击试验研究三维机织复合材料平板在高速物体冲击下的损伤失效机制及其力学行为,采用高速相机记录下了靶板受冲击损伤变化过程,分析了不同速度对三维机织复合材料平板损伤形貌的影响。试验结果表明,三维机织复合材料具有优异的抗裂纹萌生和扩展性,冲击表面的主要破坏模式是纤维剪切破坏和基体破碎,在出口表面主要破坏模式是纤维拉伸断裂和基体开裂。本研究可用于支撑验证碳纤维增强树脂基复合材料包容性,为航空发动机复合材料机匣研制提供基础。     

二维与三维机织复合材料面内力学性能对比

设计并制备了结构形式和工艺参数相同的二维机织层合和三维机织复合材料,利用数字图像同步测试技术（DIC）系统地开展了经、纬向拉伸、压缩试验和面内剪切试验。结合试样表面应变场的演化过程和断裂形貌分析,对比研究了二维机织层合复合材料和三维机织复合材料的承载机制、力学性能和失效机制的差异。结果表明,经纱在层间的交织联锁对机织复合材料的宏观力学行为和承载机制有重要影响,三维机织复合材料牺牲了经向拉伸和压缩性能,得到了更好的结构整体性和更高的纬向性能。此外,三维机织复合材料的经向拉伸应力-应变曲线具有明显的非线性特征。同时,经纱对纬纱的强约束导致了纤维束/基体界面上的弱粘接,降低了三维机织复合材料抵抗剪切变形的能力。     

三维角联锁机织复合材料剪切性能有限元分析

使用三维绘图软件Pro/E 5.0构建出一种三层角联锁机织复合材料的细观结构模型,借助有限元软件ANSYS对复合材料在剪切力作用下纤维与树脂的应力、应变分布进行数值模拟,并借此分析该复合材料在剪切作用下的力学行为,并预测复合材料破坏模式。结果表明:复合材料在剪切力作用下发生沿剪切力方向程度较均匀的剪切变形;纤维相对于树脂承受更多剪切力作用,产生更大应力,但发生相对较小的应变;纤维中轴向与剪切力方向平行的经纱相对轴向垂直于剪切力的纬纱表现出更大的应力和应变。     

三维机织芳纶／环氧复合材料应变率压缩响应研究

研究三维机织芳纶/环氧复合材料在高应变率下的压缩力学性能.运用分离式霍普金森杆(SHPB)测试不同应变率在复合材料厚度方向的压缩性能,同时对材料在准静态情况的力学性能进行测试,与高应变率下的力学性能比较表明,三维机织芳纶/环氧机织复合材料是应变率敏感材料,随着应变率的增加,压缩刚度和最大应力增加,而相应最大应力的应变则减小.     

三维浅交弯联机织复合材料弯曲性能的有限元分析

借助Pro/Engineer绘图软件,建立三维浅交弯联机织复合材料及弯曲压头的结构模型,进行弯曲性能研究。借助ANSYS Workbench有限元软件,探究复合材料在5 mm弯曲位移载荷作用下纤维、树脂和复合材料的应力、应变分布,并对复合材料的破坏模式进行预测。结果表明:三维浅交弯联机织复合材料在弯曲载荷的作用下,试样与上、下压头接触处最容易发生弯曲破坏;三维浅交弯联机织复合材料在承载弯曲载荷时,增强体纤维起到主要承载作用,树脂基体起次要承载作用;在5 mm的弯曲载荷作用下,复合材料的破坏模式主要是树脂的破碎。     

三维编织复合材料研究进展

重点回顾了三维编织复合材料各发展阶段的关键性成果,从研究方法和研究方向两个角度,对该领域的重要研究成果和笔者所在课题组的最新研究成果进行了评述。在编织工艺方面,重点介绍了编织物的细观结构和适用领域,指出了细观结构对最大纤维体积分数的影响和当前流行的建模方法,并且将周期性单胞划分方法和纱线截面形状的模拟归纳为参数化建模中的两个关键问题。对力学性能的研究成果进行了综述,在试验方面,重点介绍了编织角的变化对材料各种性能的影响;在理论方面,重点评述了几种多尺度细观力学方法和特征单元法。最后,对有待于进一步研究的问题进行了展望。     

三维四向编织复合材料的弹性性能预测研究

根据三维四向编织复合材料中纤维束的空间几何结构特征,提出了改进的三细胞模型,该模型包含内部单胞、两种表面单胞以及棱角单胞四类结构,考虑了各类单胞中纤维束的空间结构,并引入平均纤维束填充因子来描述各类单胞中纤维束的不同截面形状对材料弹性常数的影响.基于刚度平均化方法建立了相应的刚度预测模型,得到了三维四向编织复合材料的工程弹性常数.与实验结果的对比表明,计算结果的预测精度较好.最后讨论了编织角和纤维体积分数对材料等效弹性性能的影响.      

悬臂边界下纤维增强复合薄板固有频率计算及验证

采用理论与实际相结合的方式,对悬臂状态下纤维增强复合薄板的固有频率进行了计算及验证.首先,针对纤维增强复合薄板的结构特点,考虑了纤维方向的影响,对其进行了理论建模.然后,基于正交多项式法来表示振型函数,并通过Ritz法对该类型复合薄板的固有频率进行求解.最后,搭建了该类型复合薄板结构的固有特性测试系统,并以TC500碳纤维/树脂基复合薄板为例,对其固有频率进行了测试.验证结果表明:基于正交多项式法的纤维增强复合薄板固有频率计算结果与实验结果的相对误差在2.2%~9.7%之间,进而验证了所提出的固有频率计算方法的正确性.      

三维五向编织复合材料导热性能的有限元分析

根据三维五向编织复合材料的细观结构模型,分别假设编织纱线和轴纱具有六边形和正方形横截面,建立了计算三维五向编织复合材料导热性能的有限元模型.采用有限元方法,设定合理的边界条件,计算了三维五向编织复合材料的横向和纵向热传导系数,并与三维四向编织复合材料的热传导系数进行了比较,分析了编织角和纤维体积含量对热传导系数的影响规律.此外,还确定了材料内部的温度、热梯度及热流量的分布,为材料热力耦合问题的分析奠定了基础.      

3D-Cf / Mg 复合材料的热残余应力研究

采用随动硬化有限元模型,研究了三维碳纤维增强镁基复合材料(3D-Cf/Mg)基体热残余应力的大小、分布以及不同工艺处理对热残余应力的影响。同时,对复合材料进行了高、低温处理,利用XRD定性分析了处理前后复合材料基体热残余应力的变化。计算结果表明:经过-196℃低温处理后,复合材料基体的平均Mises热残余应力由169.06 MPa减小至55.29 MPa;高温处理后,基体平均热残余应力几乎不变。该结果与实验结果吻合,证明了低温处理能明显降低复合材料基体的热残余应力。     

编织型复合材料的冲击及冲击后压缩强度的试验研究

通过对冲头进行设计 ,和采用多通道的数据采集系统 ,得到较为详尽的冲击响应的过程 (包括冲击力 ,试件的正背面响应 ,离冲击点不同距离的响应 )。并且本文还进行了冲击后的压缩试验 ,对编织型复合材料在不同冲击能量下的压缩破坏载荷 ,及损伤后不同位置的响应进行了记录和讨论 ,是一个全面了解冲击和冲击后压缩的应力分布和破坏载荷的较为满意的实验研究方法     

2.5维机织结构复合材料的弹性性能预测

基于经纱矩形截面及纬纱双凸透镜截面假设,重点考虑了该结构表层经纱与内部经纱密度的不同及相同机织结构合成不同厚度和纤维束截面的情况,建立了2.5维机织复合材料的弹性性能预测模型.同时,试验测定了6种结构62个试件的弹性模量.数值预测与试验结果对比表明:研究建立的弹性性能预测模型可以较好地反映2.5维机织复合材料的内部结构;在2.5维机织复合材料弹性模量预测中,表层与内部经纱的差异不可忽略.      

一种跟踪电网频率的新方法

基于正交变换,提出了一种新的电网频率跟踪方法.针对两种模型进行仿真,表明该方法能够较为精确与快速地跟踪电网频率,尤其针对突变频率的信号,具有较好的跟踪效果;同时算法克服了同步采样条件的限制,通过迭代,在不同初始频率下均具有较好的收敛性.     

2.5维机织复合材料纬向拉伸过程初始屈服准则

2.5维机织复合材料已有较为广泛的应用,而目前对该类复合材料的破坏机理和失效原因尚未形成统一的认识。根据三维机织复合材料的拉伸试验现象,基于经纱曲面层板纬向纤维和树脂应力相等的假设,建立了2.5维机织结构复合材料纬向拉伸过程的初始屈服条件和屈服准则。通过对2.5维机织复合材料3种结构12个试件进行纬向拉伸试验及文献中的三维机织复合材料拉伸试验,与计算预测结果的对比表明本文中建立的初始屈服准则的合理性。研究表明,树脂横向裂纹是2.5维结构复合材料纬向拉伸过程初始屈服产生的直接原因;2.5维机织复合材料出现纬向拉伸屈服的条件仅和经纱曲面板内的经纱体积含量、纤维和基体的弹性模量及基体的拉伸破坏强度等因素有关,而与经纱曲面板的走向和层数无关。因为组分弹性模量不同,在纬向拉伸过程中,树脂应变高于复合材料的应变。树脂的初始横向裂纹首先发生在纤维密集处,并向富树脂区扩展;裂纹在向纤维方向扩展过程中受到纤维的阻碍而受到限制。