基于铺覆模拟的复合材料螺旋桨叶片实体有限元建模分析

为了评估复合材料螺旋桨叶片在铺覆时纤维取向改变对性能的影响,基于Fibersim软件的铺覆模拟结果建立了复合材料螺旋桨叶片的实体有限元模型,并与不考虑纤维取向改变时的有限元计算结果进行对比。结果表明:不考虑纤维取向改变时叶片固有频率及均布压力下最大位移误差小于5%,但热载荷下考虑真实纤维方向时的最大变形量约为不考虑真实纤维方向时的2倍,叶片局部区域0°、45°、-45°方向铺层的纤维角度偏差超过了25°。在进行复合材料螺旋桨叶片有限元分析时应基于铺覆后的真实纤维方向。     

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。     

碳纤维天线反射面的刚度仿真

从刚度设计的角度出发,对碳纤维复合材料天线反射面采用交叉和对称铺层,建立了11种纤维铺层方式的有限元模型,利用MSC.Marc软件分析了天线反射面在风栽荷作用下的变形,结果表明,[90/45/0/-45/(A)]s的蜂窝夹层板具有最小的变形.     

CFRP铣削有限元模型建立及切削力仿真分析

为探索碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)铣削加工过程中切削力与工艺参数之间的映射关系,建立CFRP铣削加工有限元仿真模型并对切削力进行分析。基于ABAQUS软件通过定义材料属性、材料失效模型、纤维铺层数和纤维方向建立了CFRP铣削加工二维有限元仿真模型,并对该模型进行了实验验证。基于该模型,分析了切削力与纤维方向角、铣削速度、每齿进给量和刀具前角等工艺参数之间的映射关系。仿真结果表明:纤维方向角从0°增大到90°,切削力呈现降低趋势,而纤维方向角从90°增大到180°,切削力呈现增大趋势。随着切削速度和每齿进给量的增大,切削力随之增大,而随着刀具前角增大,切削力随之减小。     

CFRP三维铣削仿真模型的建立及层间损伤分析

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有层间结合强度低、各向异性等特点,切削过程中易产生层间损伤。为了对CFRP铣削加工过程中的层间应力、层间损伤进行研究,建立了复合材料三维铣削仿真模型。该模型在结构上采用等效均质建模,层内单元利用VUMAT子程序建立了三维Hashin起始失效准则以及损伤演化过程模型,层间采用Cohesive单元连接以模拟层间损伤的产生及扩展。通过与实验切削力数值的比较,验证了仿真模型的准确性。利用该模型分析了切削力、层间应力及层间损伤随纤维方向角(0°、45°、90°、135°)的变化规律。结果表明:铣削过程加工损伤主要集中在近工件表面。铣削力、层间应力、层间损伤受纤维方向角的影响,纤维方向角为90°与135°时,轴向铣削力较大,层间应力与层间损伤均随纤维方向角的增加而增大,纤维方向角为135°时,层间应力最大,层间损伤最严重。     

自动铺丝末端缺陷角度对层合板拉伸性能的影响

自动纤维铺放(AFP)工艺能够有效制造大型复合材料构件,但在铺放过程中因为丝束末端等断面而出现不同角度内嵌缺陷。为解决相关问题,按照[(90°/0°)5/90°]和[(0°/90°)5/0°]的铺层顺序,在0°和90°铺层内分别设置不同丝束末端角度的孔隙缺陷或重叠缺陷。结果表明:不同角度纤维铺层内嵌不同角度缺陷时,导致复合材料构件差异明显。在90°纤维铺层方向上,内嵌90°孔隙缺陷和90°重叠缺陷时,试件拉伸强度最高,拉伸强度比分别为90. 89%和90. 11%。在0°纤维铺层方向上,内嵌±30°孔隙缺陷和30°重叠缺陷时,试件拉伸强度最高,拉伸强度比分别为28. 48%和50. 71%。     

纺织复合材料预制体变形研究综述

以具有良好整体性能的织物作为增强体的纺织复合材料克服了传统复合材料层间剪切强度低、抗分层能力差、开裂敏感等缺点,且具有优异的近净成形能力,易于成型。这些优点使得这种复合材料被越来越广泛地应用于航空航天、船舶、汽车、医疗器械等领域。纺织预制体的可变形性对其渗透率及最终复合材料构件的力学性能有着重要的影响。简要介绍了二维和三维织物的结构特点;阐述了织物的拉伸、横向压缩、面内剪切和弯曲变形机理;基于数值模拟和试验方法,综述了国内外预制体变形研究的进展;最后,展望了预制体变形数值模拟的发展方向。     

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。     

复合材料长桁机械成型工艺

复合材料自动化成型技术在提高复合材料生产效率、降低复合材料制造成本等方面都具有明显优势,为了改进传统生产效率低、质量稳定性差的缺点,利用设计的长桁机械成型设备制备预成型制件,研究了预成型速率以及预成型温度等工艺参数对于成型制件质量的影响,通过尺寸测量、金相分析等方法表征制件拐角厚度、纤维体积分数、孔隙率、纤维偏转变形等参数。结果表明:97℃预成型温度、1~3 mm/min预成型速率、[90°/45°/0°/-45°]2s铺层方式、2. 99 mm成型间距是较优的成型工艺参数,采用此工艺参数制造的制件厚度均匀、孔隙缺陷少、纤维偏转变形小、质量良好,在铺层表面添加聚四氟乙烯布保护层可以有效改善45°方向铺层出现的纤维偏转变形问题。     

纤维方向对CFRP钻削温度场分布和孔壁质量的影响

为研究CFRP不同纤维方向对其钻孔温度场分布和孔壁质量的影响,对不同纤维方向角处切削形式进行理论分析和ABAQUS仿真分析,并结合CFRP单向板、正交板和准各向同性板的钻削温度分布测试试验与钻削温度场仿真分析。结果表明,碳纤维方向对钻削温度场的分布规律影响很大;通过电子显微镜和共聚焦显微镜对不同纤维方向角处孔壁质量观测对比,发现纤维方向角在θ=0°、θ=45°和θ=90°处孔壁质量较好,在θ=135°处孔壁质量较差。     

基于零厚度内聚力单元单向碳纤维增强树脂基复合材料微观切削机理研究

为探究碳纤维复合材料(CFRP)微观切削机理,通过有限元法,采用零厚度内聚力单元模拟界面相,碳纤维建模呈圆柱状并随机分布于基体中,以此来真实反应CFRP的微观结构。通过对各组成相设置不同的材料本构、材料失效和演化准则,对4种典型角度(0°、45°、90°、135°)进行直角切削仿真,探究不同纤维角度下单向碳纤维增强树脂基复合材料(UD-CFRP)在切削过程中的微观切削机理。结果表明:不同纤维角度下CFRP的微观破坏形式不同,切削0°CFRP时破坏主要以界面开裂和纤维折断为主,切削45°和90°CFRP时主要是刀具的侵入破坏,切削135°CFRP时则发生纤维的断裂和沿纤维方向的裂纹,纤维断裂点在刀刃下方。最后,通过实验验证了微观模型的准确性。     

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。     

Effects of fiber orientation on tool wear evolution and wear mechanism when cutting carbon fiber reinforced plastics

The aim of the present paper is to reveal the influence of different fiber orientations on the tool wear evolution and wear mechanism. Side-milling experiments with large-diameter milling tools are conducted. A finite element (FE) cutting model of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) is established to get insight into the cutting stress status at different wear stages. The results show that different fiber orientations bring about distinct differences in the extent, profile and mechanism of tool wear. Severer wear occurs when cutting 45° and 90° plies, followed by 0°, correspondingly, the least wear is obtained when θ = 135° (θ represents the orientation of fibers). Moreover, the worn profiles of cutting tools when θ = 0° and 45° are waterfall edge, while round edge occurs when θ = 135° and a combined shape of waterfall and round edge is obtained when θ = 90°. The wear mechanisms under different fiber orientations are strongly dependent on the cutting stress distributions. The evolution of tool wear profile is basically consistent with the stress distribution on the tool surface at different wear stages, and the extent of tool wear is determined by the magnitude of stress on the tool surface. Besides, the worn edges produce an actual negative clearance angle, which decreases the actual cutting thickness and leads to compressing and bending failure of fibers beneath the cutting region as well as low surface qualities.     

自动铺丝最小间隙路径规划与复合材料锥壳结构制造

自动铺丝技术（AFP）是提高复合材料构件制造效率和降低其制造成本的关键技术和重要手段。铺放轨迹的设计是控制自动铺丝工艺质量的关键。对于复杂的结构形式，合理的铺丝路径对保证可制造性及铺贴质量至关重要。本文针对简化后的后机身锥壳特征结构，研究了基于固定角法、测地线法和变角度法的自动铺丝轨迹算法设计，解决了铺放复杂曲面满覆盖问题；总结对比获得了不同铺丝轨迹方法的特点和适用范围。以保证工艺性并满足结构设计铺层方向为原则，选用了带宽为6.35 mm的自动铺丝预浸料完成工艺验证件制造，并通过有限元分析评估了自动铺丝轨迹算法的合理性。结果表明：该结构宜采用测地线法铺放0°方向铺层以减少褶皱；采用固定角法铺放90°方向铺层能够保证连续铺放；采用结合预浸窄带侧弯试验结果的变角度轨迹规划方法铺放此锥类构件±45°方向铺层能够保持最小间隙。铺丝间隙使锥壳结构单层等效模量下降约30%，整体强度下降约10%。因而在结构优化设计时需考虑自动铺丝工艺对安全裕度影响的因素。     

铺层复合材料风扇叶片榫头层间应力分析

采用有限元方法对复合材料风扇叶片榫头在拉伸及拉弯耦合工况下的层间应力特点进行研究。根据榫头结构特点,完成了榫头的铺层设计;基于FiberSIM-ACP软件平台,建立了复合材料风扇叶片榫头有限元分析流程,确定了一种满足层间应力分析精度要求的榫头有限元模型,通过与试验结果对比,证实了该有限元模型的有效性。计算结果表明:拉伸工况下层间正应力S33的高应力区位于叶身开始向叶根过渡的变厚度位置,该位置处靠近压力面的14层铺层承受拉伸应力;切应力S13及S23的高应力区在同一区域,切应力大小与铺层角度息息相关,0°铺层承受较大的切应力S13,±45°铺层同时承受较大的切应力S13和S23。增加弯曲载荷后S33的高应力区向榫头上端延伸,承受拉应力的铺层数量增加;切应力的高应力区靠近榫头承力面,高应力区铺层数量增加。     

三维编织复合材料矩形预制件仿真

根据矩形编织体4步编织法的纱线运动规律,提出了利于图形建模的纱线单胞模型。用SolidWorks软件的API接口及VisualC⁺⁺语言,编制了自动生成编织体的软件,该软件能模拟不同编织参数下的矩形三维编织整体结构。本文对编织角为22°,33°;纤维体积百分数为40%,30%;主体纱为2×2,2×4,4×4,4×6的编织结构进行了模拟,其结果与实际编织体的照片基本一致,说明此模拟是有效的。解决了编织预制体内部分析困难的问题,为使用有限元分析三维编织复合材料的力学性能奠定了基础。     

3D针刺C/SiC断裂韧性缺口敏感性及破坏研究

碳化硅陶瓷基复合材料是高超声速飞行器及高推重比发动机等发展所需的关键材料之一,对冲击断裂韧性、缺陷及裂纹的敏感性有较高要求。采用夏比冲击试验测定3D 针刺C/SiC 复合材料的断裂韧性,研究其处于U 型、V 型缺口分别在与针刺平行、垂直的不同分布方向时对冲击断裂韧性的影响,并通过扫描式电子显微镜及光学显微镜等手段详细分...