非对称正交铺层双稳态复合材料的发展与应用

非对称正交铺层使得复合材料层压板产生面内翘曲,脱离铺层平面,并且形成两个稳定存在状态。对于非对称铺层产生的变形,无论是来自物理因素还是化学因素,最初的认识都是固化收缩引发内应力。双稳态复合材料恰恰充分利用了这一点:即利用这种非对称铺层自身两个稳定存在的状态,通过极小的外界能量引发形状的改变,以达到工程应用的要求。本文综述了非对称正交铺层双稳态复合材料在国内外发展与应用的情况,并对其发展趋势进行了展望。     

热固性树脂基复合材料固化变形研究进展

热固性树脂基复合材料结构在热压罐成型过程中,由于模具的约束作用,会导致工件内部残余应力的产生,进而引起工件回弹变形和翘曲变形.对影响残余应力和变形产生的各种因素进行了综述及分析,这些因素包括热膨胀、固化收缩、铺层方式、固化温度、模具热膨胀、气孔含量、热梯度分布、纤维含量梯度分布、降温速率、固化时间、纤维含量、模具表面处理、模具角半径和模具热传导性能.     

压-压疲劳载荷下CFRP层合板表面红外辐射特征

为探究含冲击损伤CFRP层合板在循环交变载荷下的损伤演化规律,基于热力耦合效应研究了含损伤CFRP层合板疲劳过程中的表面红外辐射特征。以压-压疲劳试验模拟交变载荷,采用红外热成像方法分析了疲劳过程中含损伤CFRP层合板的热图序列和温度数据,结果表明：随着疲劳次数的增加,损伤沿垂直疲劳载荷方向演化,热斑颜色逐渐加深,初始冲击损伤形状逐渐演化为椭圆状,最后热斑横向端部出现"尖点";试件最大表面温差演化整体呈"快速上升-缓慢上升-快速上升"规律,最后出现跳升,其中热斑尖点、最大表面温差跳升可被视为结构疲劳破坏的前兆;含损伤CFRP层合板疲劳破坏时,其最大表面温差主要与纤维和基体种类有关,而试件铺层方式相较于纤维基体类别对最大表面温差无明显影响。研究揭示了冲击后CFRP层合板在疲劳载荷作用下的损伤演化规律,为飞行器复合材料结构的剩余疲劳寿命评估与损伤容限设计奠定了基础。     

复合材料叠层板固化成型后的变形分析计算

分析复合材料铺层的微观结构，研究复合材料成型过程变形特点，以此建立两类针对性的有限元模型，并采用典型复合材料叠层板固化成型温度载荷，进行叠层板翘曲变形和板内应力的计算分析。在此基础上，将计算结果与实际试验制件实测结果进行对比。结果表明，本文所提供的有限元分析计算模型可对实际情况进行简便和较为精确的模拟。     

单曲面复合材料层合构件的固化变形计算

用建立在铺层热胀效应和化学收缩效应基础上的层合板等效自由固化应变,来描述采用对称均衡铺层设计的复合材料构件的固化变形特征。在此基础上给出一种相对简单、快速的有限元计算模型,用于预测单曲面层合构件的固化变形趋向,并给出相应的算例验证变形数值计算的精确程度以及与实际情况的吻合程度     

偏置抛物面卫星天线反射器固化变形分析

偏置抛物面卫星天线反射器由碳纤维预浸料铺制而成，在固化过程中通常会出现热变形、固化收缩变形及机械变形等形变，且过大的变形会导致反射器反射信号产生偏差。为了有效预测天线反射器在热压罐固化过程中的变形，本文采用线性粘弹性本构模型表征纤维增强复合材料在固化过程中的应力-应变关系。采用顺序热-力耦合分析法，对天线反射器内部温度场、固化度场及位移场的分布进行建模，并对铺层结构及降温速率对天线反射器变形的影响开展研究。结果表明：相较于纯0°铺层结构，正交和准各向同性铺层天线反射器z向变形量减小了51%以上，且降低降温速率有助于提高天线反射器的固化型面变形。     

薄壁曲面复合材料层合板成型工艺参数与形面精度影响规律

为了得到高形面精度复合材料层合板适用的成型工艺控制方法，本文针对典型的Φ500 mm直径曲面球冠结构复合材料层合板，设计了6组不同工艺参数的成型对比实验，分析出边缘效应、铺放方式、固化温度等参数对层合板固化变形量的影响规律。研究表明，增加碳纤维模量和降低预浸料单层厚度可提高层合板形面精度；层合板铺放尺寸超过直径的5%可降低边缘效应的影响；自动铺丝技术铺放质量一致性高，手工铺层可以制造出高形面精度的层合板，但相对发生概率低；降低层合板固化温度和降温速率能够有效地提高层合板的形面精度。实验结论对复合材料高精度成型具有一定的指导意义。     

SM纤维增强树脂固化动力学寻数测定

在纤维增强树脂基复合材料制造中，制件的质量与很多因素有关。但是，最主要的影响因素是制件的固化参数。这里叙述了纤维增强ＳＭ树脂的固化反应热、固化度和固化速度的测定。     

基于桥联模型预测层合板分层萌生载荷

层合板本质上由基体树脂将单层板粘在一起,其分层萌生必然从基体树脂破坏开始。基于此,通过分析基体树脂的破坏来预测层合板的分层萌生载荷,通过有限元计算出轴向拉伸载荷下层合板的应力场,沿厚度方向平均来消除自由边缘处层间应力的奇异性,之后根据桥联模型计算纤维和基体树脂应力,并用Mohr判据来判断基体树脂是否破坏。预测了T800/914层合板[±θn]s的分层萌生载荷,与实验结果吻合良好;本工作的最大优点是只需组分材料的性能即可预测层合板的分层萌生载荷。     

含金属预埋件碳纤维层合板在单向拉伸载荷作用下的强度分析

基于工程中金属预埋件在复合材料层合板中的应用情况,建立了含圆柱形金属预埋件和含阶梯形金属预埋件碳纤维/环氧树脂层合板的三维分析模型.层合板中的单层板简化为三维正交各向异性材料.采用有限元方法对单向拉伸载荷下含金属预埋件层合板进行了应力分析,给出了单层板各主方向应力分布和金属预埋件的VON MISES应力分布.基于复合材料单层板的最大应力强度准则给出了两种分析模型的极限载荷.分析结果表明,两种预埋件层合板模型的首次破坏均发生在90°铺层,破坏模式均为树脂基体拉伸断裂.圆柱形预埋件层合板的损伤位于中心孔边约12点钟位置,阶梯形预埋件层合板的损伤位于铺层与金属预埋件台阶面边缘约6点钟位置.由于不连续纤维含量较大,阶梯形预埋件的极限载荷比圆柱形预埋件小18.03％.     

非对称铺层复合材料板室温形状的非线性有限元分析

由于一般铺层复合材料板壳存在拉伸-弯曲、拉伸-扭转等耦合效应,在温度变化时将出现垂直于中面方向的翘曲变形,给工程使用和理论分析带来了极大的不便。但另一方面,利用非对称铺层复合材料板壳可以有效地减轻结构的重量,并可能提供利用平面模具制造曲面层合壳的新工艺。     

模具表面状态对复合材料构件固化变形的影响

为查明不同模具表面状态下的复合材料构件应变演变规律及其对固化变形的影响,采用热电偶和光纤光栅传感器对不同模具表面状态下的复合材料构件在热压罐成型工艺过程中的温度和应变进行在线监测,获得不同模具表面状态下构件应变的变化规律。结果表明:升温阶段脱模布的使用能够有效屏蔽模具-构件界面相互作用,使构件在升温阶段的应变很小。三层脱模剂模具表面条件下构件中的应变明显小于一层脱模剂;降温阶段三种实验条件下在构件中都出现了较大的压应变,其中一层脱模剂模具表面状态下模具-构件相互作用力最大,在固化工艺完成后构件发生翘曲变形,且翘曲变形以沿纤维方向为主。     

多频能量分散的CFRP层合板微波固化温度场控制方法

碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced polymer,CFRP）轻质高强,已成为航空航天领域减重增效的优选材料。固化是制造兼具几何外形与承载性能的CFRP构件的关键。与传统的传导加热固化/修补方法相比,微波加热固化/修补方法具有控温灵敏、周期短、能耗低等优势。然而微波会在腔体内谐振形成驻波,使得CFRP层合板面内存在大量冷、热点,温度不均匀,构件易变形,严重时甚至发生局部烧蚀或固化不完全。本研究提出了多频能量分散的CFRP层合板微波固化温度场控制方法,通过将加热所需能量分散到多种频率的微波以弱化单一频率驻波的影响,同时利用多种频率驻波间的叠加效应,提升CFRP层合板微波固化过程中的温度均匀性。试验结果表明,在仅采用915 MHz和2.45 GHz两种频率微波进行加热的情况下,CFRP层合板的最大温差相比单频微波加热降低了26%。     

RTM工艺成型复合材料树脂固化过程残余应变监测研究

提出了RTM工艺树脂固化过程残余应变布拉格光栅传感器检测新方法。通过光纤光栅波长偏移与温度和固化时间之间的关系测试,得到了树脂固化过程中残余应变的变化历程,成功实现了RTM工艺树脂固化过程中残余应变的在线监测。实验结果表明,在降温过程中,残余应变的变化与温度的变化呈线性关系,这为复合材料层合板的残余应力分析提供了实验依据。     

基于CDM的开口复合材料层合板结构损伤问题研究

为研究含开口复合材料层合板结构在面内载荷作用下的损伤破坏问题,基于CDM基本原理,从平面应力状态下的Gibbs自由能出发,建立描述复合材料层合板结构层内断裂破坏的二维渐进损伤关系;基于ABAQUS材料用户子程序,将上述渐进损伤关系与二维Hashin失效准则相结合,开发复合材料损伤本构模型,并对含开口复合材料层合板结构在拉伸载荷作用下的破坏过程进行数值模拟;通过与文献试验数据的对比,证明该模型在平面拉伸载荷状态下可以有效预测含开口层合板结构的损伤起始与扩展过程,对层合板强度的预测误差较小。应用上述模型对三种不同开口类型层合板结构在剪切载荷作用的下损伤、破坏分析,结果表明：对于相同面积的开口,不同的开口类型会导致层合板抗剪强度产生较大的差异;而在铺层相同情况下,椭圆形开口层合板的剪切强度相对较高。     

尾翼盒段主承力结构用高温固化碳纤维复合材料性能应用研究

为了获得成套材料性能数据,为制件工艺性提供支持,并确定是否满足民用飞机设计和使用要求等,针对两组各三个批次的高温固化环氧树脂碳纤维复合材料,采用热压罐工艺制备,并对预浸料及层合板物理性能和3种环境条件下的基本层合板力学性能进行了研究。结果表明,两组预浸料树脂挥发份小,树脂流动度和凝胶时间适中,工艺性良好;该两组复合材料孔隙率小,纤维体积分数适中,耐温、耐湿热和界面粘结性能均较好,且M21体系复合材料的综合性能稍优于CYCOM 977-2体系复合材料,其结果均基本能满足某型民机尾翼盒段设计和使用要求,为该类材料的后续应用发展提供了依据。     

大型复合材料成型工装热-结构耦合变形分析

热压罐成型工艺是目前广泛应用于先进复合材料结构、蜂窝夹层结构及复合材料胶接结构的主要成型方法.在成型过程中,复合材料制件是在高温高压下与工装一起放进热压罐中固化成型,制件固化成型后几乎不再做任何加工,外表尺寸应满足装配协调要求,不允许强迫装配.然而,工装在整个成型过程中因承受高温热载荷、自身重力及成型辅助件压力的共同作用而发生变形,工装的变形直接影响到制件固化变形而最终影响到复合材料制件的实际形状和尺寸精度.     

树脂交联结构特征对复合材料纵向压缩性能的影响

通过选择不同官能度的环氧树脂,调节树脂单体配比,获得了不同固化交联结构的环氧树脂基体,并与国产T800级碳纤维复合制备成碳纤维复合材料;研究不同交联结构的环氧树脂基体对其 T800级碳纤维复合材料纵向压缩性能的影响。研究结果表明,随着三官能团树脂含量升高,树脂基体的交联密度增大,树脂基体模量增大,其对应碳纤维复合材料单向层合板泊松比降低;碳纤维复合材料的纵向压缩强度随着树脂基体交联密度的增大而增大;树脂基体交联密度对单向复合材料层合板纵向压缩模量的影响不明显。     

落锤冲头形状及冲击能量对玻璃纤维层合板动态性能影响研究

纤维增强树脂材料层合板对外来物的冲击非常敏感，为解决其应用隐患，需要研究玻璃纤维增强复合材料层合板低速冲击损伤机理和动态响应特性。本文采用三种头部形状冲头以6种冲击能量进行落锤试验，分析冲击过程中载荷与吸收的能量变化规律。结果表明，冲击能量对层合板损伤形貌与载荷响应影响比较小，而冲头形状对层合板损伤形貌和载荷响应影响较大。冲头形状越钝，层合板的载荷峰值就越大；反之，层合板最大冲击位移和最大冲击时间越长，冲击损伤程度越大。本研究可为复合材料层合板工程应用提供一定的试验基础和参考依据。     

G/K织物混杂增强复合材料层合板冲击损伤特性研究

采用空气炮实验装置、渗透剂增强的X射线照相法和高强光背射法对中心受到横向冲击的G／K织物混杂增强复合材料层合板的冲击损伤情况进行研究，讨论了G、K织物交替铺层时层合板的应力特征与损伤状况，分析了面、背板与芯板材质变化时层合板的应力与冲击损伤的关系、铺层角变化时层合板的损伤特征。结论强调指出，为提高复合材料层合板的抗弹能力，应采用混杂铺层、铺层角的错配方式，并避免将Kevlar作为背板使用。