复合材料层板脱层开裂的复合型断裂准则

1.问题的提出 层板脱层是复合材料主要破坏模式之一;Wang等人认为基本上是断裂问题。一般均假定复合材料层板脱层开裂是基体控制的,在复合型开裂作用下的能量释放率G为各个单一型开裂作用下的能量释放率G_Ⅰ、G_Ⅱ和G_Ⅲ的代数和 G=G_Ⅰ+G_Ⅱ+G_Ⅲ (1)从下列的研究结果可看出上式有一定的不合理性。     

循环湿热老化对T700/TDE86碳纤维复合材料 层间断裂韧度的影响

对T700/TDE86碳纤维增强树脂基复合材料进行加速循环湿热老化实验,研究不同循环湿热老化天数对Ⅰ型张开以及Ⅱ型滑移两种层间断裂韧度的影响。结果表明:循环湿热老化之后的复合材料Ⅰ型层间断裂韧度出现明显的R曲线,且随着循环湿热老化天数的增加,裂纹初始扩展能量释放率(GIC,init)与裂纹稳态扩展能量释放率(GIC,prop)都获得了大幅提升;复合材料Ⅱ型层间断裂韧度随着循环湿热老化天数的增加,呈现阶梯状下降的趋势,而且在循环湿热老化前期,下降幅度最大,为21.68%。     

C/C复材与高温合金异种材料蜂窝结构钎焊界面组织及力学性能

在钎焊温度为1040℃,保温时间为15 min的条件下,采用BNi-2钎料钎焊连接C/C复合材料面板和GH3536高温合金异种材料蜂窝结构,研究了不同钎料层厚度对板–芯界面微观组织变化和板–芯拉脱性能影响。结果表明,焊后板–芯接头由钎料与C/C母材反应区、钎料与蜂窝反应区和钎料凝固区3个区域组成,钎料与C/C母材反应生成了Cr₃C₂反应层,钎料与蜂窝反应区内生成了Si的金属间化合物和Cr₃C₂颗粒。随着钎料厚度的增加,接头拉脱性能先升高后降低,当钎料厚度为0.12 mm时,板–芯接头拉脱强度达到最高9.69 MPa,断裂位置主要发生在C/C基体内。     

高速流场中变刚度复合材料层合板颤振分析

变刚度复合材料层合板在高速流场中的颤振行为是设计中需要考虑的问题。本文研究了高速流场中的曲线纤维变刚度层合复合材料壁板非线性颤振响应,分析了边界条件和纤维方向对颤振特性的影响。利用von-Karman大变形应变-位移关系,采用气动力活塞理论,根据虚功原理和有限元法建立变刚度复合材料壁板颤振的气动弹性力学模型,采用Newmark法对壁板的颤振方程求解。给出了不同边界条件和纤维方向条件下层合复合材料壁板的颤振特性。计算结果表明：随着纤维在板中心处或在边界±a/2处与x方向夹角（T₀或T₁）的增大,颤振临界动压减小;相同动压下,随着T₀或T₁的增大,极限环振幅增大。研究表明采用曲线纤维进一步提高了复合材料层合板的可设计性,通过调整曲线纤维路径可以改变复合材料壁板的颤振特性。     

热塑性复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性

对一种新型热塑性复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性进行了研究。将非线性能量释放率作为层间断裂的控制参量,并提出用非线性因子法和改进的能量面积积分法计算。两种方法的结果非常接近,均能较好地反映韧性基体复合材料的层间断裂韧性。SEM照片分析表明,纤维和树脂界面强度过低是造成热塑性复合材料层间断裂韧性远低于基体断裂韧性的原因。另外,层间断裂韧性随加载速率增加而减小,在单对数坐标系下两者呈线性关系。     

ZrO2纳米颗粒含量对AZ91D镁合金微弧氧化膜耐蚀性的影响

为了提高AZ91D镁合金的耐蚀性能,利用单极性脉冲电源制备具有不同ZrO₂纳米颗粒含量的微弧氧化膜层,研究纳米ZrO₂颗粒对AZ91D镁合金微弧氧化膜层耐蚀性的影响。采用扫描电子显微镜观察复合膜层的表面及截面形貌;同时利用X射线衍射仪分析不同ZrO₂纳米颗粒含量的膜层中的相组成;测试样品的电化学腐蚀性能。结果表明：当电解液中加入1 g/L ZrO₂颗粒时,纳米ZrO₂颗粒能够渗入微弧氧化膜层之中,封闭膜中原有的微孔和微裂纹等缺陷,膜层表面质量较好;随着电解液中ZrO₂颗粒含量由2 g/L增加到3 g/L时,膜层的裂纹明显增多,导致腐蚀介质容易进入膜层发生腐蚀,耐蚀性能下降;在电解液中添加纳米ZrO₂颗粒时,1～3 g/L范围内添加1 g/L ZrO₂纳米颗粒的微弧氧化膜层的耐蚀性能最好。     

稳态热载荷作用下热障涂层结构界面断裂研究

针对陶瓷层与黏结层构成的双层热障涂层结构存在单边界面裂纹的情况,利用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)计算了稳态热载荷作用下结构的能量释放率,根据计算结果研究了单边界面裂纹的扩展行为.给定结构的温度边界条件求解得到稳定温度场,并以此作为结构的热载荷,计算能量释放率时采用随温度变化的材料参数.计算结果显示,在给定条件下,界面裂纹起裂后结构总的能量释放率大于界面断裂韧度,裂纹将进行失稳扩展;在裂纹扩展至接近自由端面时总能量释放率迅速减小并降到界面断裂韧度以下,裂纹不扩展.分析表明,处于高温稳态热载荷条件下的热障涂层系统,不会发生陶瓷层彻底剥落的失效现象.      

二硅化钼改性硅酸镱环境障涂层体系抗热震行为及机理

稀土硅酸盐环境障涂层(EBCs)是应用于新一代高推重比航空发动机热端部件的重要材料，但在服役过程中，稀土硅酸盐面层易产生纵向裂纹，为腐蚀性介质进入EBCs体系内部提供通道，使硅黏结层发生氧化并产生裂纹，最终导致EBCs失效。二硅化钼(MoSi₂)具有优异的高温性能，有望改善稀土硅酸盐EBCs体系的高温稳定性。本工作采用MoSi₂改性Yb₂SiO₅面层，通过真空等离子喷涂技术(VPS)分别制备了以Yb₂SiO₅、 Yb₂SiO₅-5%MoSi₂(体积分数，下同)和Yb₂SiO₅-10%MoSi₂作为面层，以Yb₂Si2O₇作为中间层，以Si作为黏结层的三种环境障涂层体系，利用场发射扫描电子显微镜表征了涂层在1350℃热震前后的形貌变化。结果表明：掺杂MoSi₂不仅...     

多层界面相陶瓷基复合材料裂纹偏转机制模拟

针对多层界面相陶瓷基复合材料(CMCs)裂纹偏转机制进行了有限元模拟。在圆柱单胞模型中,按照界面相各亚层的实际厚度建立多层界面相几何模型,然后赋予各亚层对应的组分材料参数,获取轴对称有限元模型。在此基础上,采用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)分别计算基体裂纹在界面相处偏转与穿透两种情形的能量释放率Gd和Gp,根据断裂力学准则实现对裂纹在多层界面相内部偏转机制的分析。可以看出:各向异性界面相比各向同性界面相内部的Gd/Gp比值更大,更利于裂纹偏转的发生；总厚度相同的多层界面相与单层界面相相比,其内部的Gd/Gp比值更高,裂纹在其内部发生偏转的机会更多,且五层界面相(PyC/SiC/PyC/SiC/PyC)比三层界面相(PyC/SiC/PyC)更利于裂纹发生偏转。      

激光选区熔化TC4合金在HF–H2O2体系的化学抛光研究

采用HF–H₂O₂溶液对激光选区熔化TC4合金进行化学抛光。以抛光前、后试样表面的形貌、粗糙度、光泽度、失重和减薄率为指标,探究抛光时间、H₂O₂浓度对样品表面抛光效果的影响。结果表明,随抛光时间增加,粗糙度逐渐降低,光泽度、失重率和减薄率逐渐提高;随H₂O₂浓度增大,粗糙度先降低后增大,光泽度、失重率和减薄率则先提高后降低。其中,在HF/H₂O₂体积比1:5、时间8 min时,钛合金表面的抛光效果较好,试样表面粘附的粉末完全去除,表面粗糙度Ra达到(3.5±0.3)μm、表面光泽度达到(80.3±0.7)GU,相对于打印态表面(Ra(13.3±0.8)μm、光泽度(0.9±0.3)GU)显著提升。同时也探讨了钛合金在HF–H₂O₂体系的化学抛光机理。     

钛合金扩散焊接头复合型疲劳裂纹扩展

设计并加工了TC4扩散焊接头紧凑拉伸剪切(CTS)试样。开展了不同加载角度下的Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展试验。试验结果发现:在加载角度小于45°时,裂纹均沿焊缝扩展至断裂,当加载角度达到45°以上时,裂纹开始出现沿与初始裂纹面呈一定角度的方向扩展至母材的情况。使用电子显微镜结合电位法获得了裂纹扩展a-N曲线。在此基础上,采用相互作用积分法计算复合型应力强度因子,以应变能释放率为参量对Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展过程进行了分析。考虑Ⅱ型裂纹所占权重引入复合比,并在此基础上建立了TC4扩散焊接头不同加载角度及载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展速率统一模型。      

Z-pins增强陶瓷基复合材料层间Ⅰ型开裂性能预测

基于Z-pins增强陶瓷基复合材料层间Ⅰ型断裂韧性的试验结果、Z-pins增强机理，提出了Z-pins拔出的单线性软化模型.重点考虑了Z-pins直径范围内拔出位移的不一致性，在简单双悬臂梁（DCB）理论的基础上，获得了Z-pins增强陶瓷基复合材料层间Ⅰ型开裂性能的分析预测模型，预测结果与试验结果吻合较好.在此基础上，采用预测模型获得了不同Z-pins直径、裂纹长度下的裂尖能量释放率，并与理想弹簧元法进行了比较.结果表明:当裂尖靠近Z-pins时，随着Z-pins直径增大，两种方法所得的裂尖能释放率的差异逐渐增大，但总体来说差异的量级很小；随着裂纹长度的增加，裂尖逐渐远离Z-pins，两种方法所得的裂尖能释放率的存在较大的差异，不能忽略Z-pins直径范围内拔出位移不一的影响.      

复合材料层板疲劳分层扩展研究

为了分析复合材料层板疲劳分层扩展行为,基于Abaqus有限元分析平台,建立分层扩展复合材料层板有限元分析模型。选用基于能量释放率的分层扩展判据,结合剩余强度模型弱化材料性能,引入VUMAT用户子程序实现模型疲劳损伤失效的判断及材料刚度性能的折减,模拟含分层复合材料层板在疲劳压缩载荷作用下的分层扩展行为。结果表明:分层长度随着疲劳载荷地施加不断增大,但扩展速率逐渐减小,最终分层长度达到稳定值,与实验结果吻合良好。     

重合网格法在复合材料分层问题中的应用

使用重合网格法(S-FEM)分析了混合模态下CFRP层合板分层问题。首先将虚裂纹闭合技术集成到S-FEM程序中,求解了复合材料分层尖端处的应变能释放率。然后把重合网格法数值结果与基于梁理论的计算结果及实验数据进行了比较。结果表明,对于单方向及多方向CFRP复合材料层合板,重合网格法都能够得到更精确的数值,是一种有效的计算复合材料裂纹尖端应变能释放率的方法。     

Compressive behavior of composite panels with deeply embedded delamination

The compressive behavior of laminates with a deeply embedded circular delamination was studied numerically and experimentally. In the finite element analysis (FEA),virtual crack closure technique (VCCT) and B-K law were employed to simulate the delamination growth,and the contact of the two substrates was considered.The effect of the delamination size and through-thickness position on the compressive behavior of laminates with an artificially embedded circular delamination was discussed.It is found that the through-thickness position affects the buckling mode,which then strongly influences delamination growth speed and direction,as well as the dominant component energy release rate (ERR).The numerical results agreed well with the experimental results.      

TC4-DT焊接接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展实验及模拟研究

拉剪复合载荷作用下,构件中的裂纹呈现复杂的Ⅰ-Ⅱ复合型扩展模式,研究其扩展规律对准确评估构件疲劳寿命具有重要意义。针对TC4-DT钛合金电子束焊接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展规律开展研究,设计并加工紧凑拉伸剪切(CTS)试样,通过开展不同加载角度下接头试样的疲劳裂纹扩展实验,得到接头Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的a-N曲线及疲劳裂纹扩展路径。在上述基础上引入Ⅰ-Ⅱ复合型等效应力强度因子并结合Paris公式建立TC4-DT电子束焊接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展速率方程。采用扩展有限元法(XFEM)对复合型疲劳裂纹扩展过程进行数值模拟研究,得到不同加载角度下的扩展规律,并与实验结果进行比较。结果表明:不同加载角度下Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹开裂角模拟值与实验结果误差均在10%以内,并且扩展路径均与实验结果吻合;XFEM能够有效预测复合型疲劳裂纹扩展路径。     

碳纤维/双马树脂复合材料整体成型过程分层扩展行为实验研究

针对复合材料构件热压罐成型过程中常见的分层缺陷,考察了整体成型工艺温度对分层扩展、QY8911双马树脂基体韧性及T300/QY8911层合板Ⅰ型层间断裂韧性的影响,并通过分层扩展断面形貌深入分析了复合材料整体成型工艺中分层扩展的路径和断面破坏模式,给出了复合材料整体成型工艺和结构设计的优化建议措施。结果表明,随着整体成型最高温度的升高,分层扩展程度增大,QY8911双马树脂基体的拉伸强度和拉伸模量逐渐降低,T300/QY8911层合板Ⅰ型层间断裂韧性逐渐增大;对分层扩展断面进行SEM扫描电镜分析发现分层扩展沿着层间开裂,断面内存在基体断裂和基体/纤维界面脱粘两种破坏模式,Ⅰ型层间断裂是复合材料整体成型工艺中分层扩展的典型微观特征。     

Compressive properties of homemade carbon fiber composite laminates with delamination defect

Large numbers of aircraft composite structures were researched, and the distribution of delamination sizes and though thickness positions in the composite laminates were investigated. An experiment was conducted to probe into the effect of delamination sizes and through thickness positions on the compressive strengths of laminates with single embedded circular delamination with the most dangerous delamination sizes and positions defined from the distribution. A shell model was established for compressive strength prediction, and the virtual crack closure technique (VCCT) was employed for the strain energy release rate calculation. The finite element (FE) prediction was in good agreement with the experimental measurements, for the predicted compressive strengths stood within 10% error of experimental results. It was observed that the compressive strength was highly effected by the delamination size, while the though thickness position of delamination did not have significant effect on the compressive strength.      

Energy Release and Particle Acceleration in Flares: Summary and Future Prospects

RHESSI measurements relevant to the fundamental processes of energy release and particle acceleration in flares are summarized. RHESSI??s precise measurements of hard X-ray continuum spectra enable model-independent deconvolution to obtain the parent electron spectrum. Taking into account the effects of albedo, these show that the low energy cut-off to the electron power-law spectrum is typically ?tens of keV, confirming that the accelerated electrons contain a large fraction of the energy released in flares. RHESSI has detected a high coronal hard X-ray source that is filled with accelerated electrons whose energy density is comparable to the magnetic-field energy density. This suggests an efficient conversion of energy, previously stored in the magnetic field, into the bulk acceleration of electrons. A new, collisionless (Hall) magnetic reconnection process has been identified through theory and simulations, and directly observed in space and in the laboratory; it should occur in the solar corona as well, with a reconnection rate fast enough for the energy release in flares. The reconnection process could result in the formation of multiple elongated magnetic islands, that then collapse to bulk-accelerate the electrons, rapidly enough to produce the observed hard X-ray emissions. RHESSI??s pioneering ??-ray line imaging of energetic ions, revealing footpoints straddling a flare loop arcade, has provided strong evidence that ion acceleration is also related to magnetic reconnection. Flare particle acceleration is shown to have a close relationship to impulsive Solar Energetic Particle (SEP) events observed in the interplanetary medium, and also to both fast coronal mass ejections and gradual SEP events. New instrumentation to provide the high sensitivity and wide dynamic range hard X-ray and ??-ray measurements, plus energetic neutral atom (ENA) imaging of SEPs above ??2 R_??, will enable the next great leap forward in understanding particle acceleration and energy release is large solar eruptions??solar flares and associated fast coronal mass ejections (CMEs).     

纤维增强复合材料层合板分层扩展行为研究进展

纤维增强复合材料层合板在航空航天等领域被广泛应用，分层损伤是层合板主要的损伤形式，一直是复合材料力学研究的焦点问题之一。本文从试验研究、理论分析和数值模拟3个方面对国内外在纤维增强复合材料分层问题所取得的研究成果进行了系统综述，重点介绍了单向复合材料I型、Ⅱ型和I/Ⅱ复合型层间断裂韧性测试方法和原理以及多向层合板分层扩展行为的试验研究。得到了表征和评价分层失效机理和扩展行为的纤维桥接模型、静力分层扩展准则和疲劳分层模型，并详细阐述了采用内聚力模型（CZM）、虚拟裂纹闭合技术（VCCT）和扩展有限元方法（XFEM）等先进数值方法模拟分层扩展的研究现状。最后，对复合材料层合板分层扩展研究的发展方向进行了展望。