T700/9916复合材料层合板恒温吸湿行为研究

研究T700/9916碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板在湿热环境下的吸湿行为.通过测试CFRP层合板在T=70℃恒温水浴和T=70℃相对湿度为98％,91％和84％的环境下的吸湿性能,获得吸湿曲线.结果表明水浸试样相对质量增量趋于平衡时,其他各组试样的相对质量仍线性增加.使用一维Fick模型对实验结果进行分析,得到材料的理论吸湿数据比实验结果整体偏小.通过实验和有限元模拟相结合的方法计算获得材料的扩散率和溶解度,并对不同条件下的吸湿行为进行模拟,模拟结果与实验结果吻合较好,说明通过模拟能够获得材料的长期吸湿动力学曲线和试样内部的水分分布情况.     

等离子体处理对T700/环氧复合材料湿热性能的影响

研究了等离子体处理对T700/环氧复合材料湿热性能的影响。考察了该复合材料在50℃和80℃的3.5%NaCl水溶液中的吸湿特性和层间剪切强度的变化,并用SEM观察了层间剪切试样断口形貌。结果表明,该复合材料的吸湿行为符合Fick第二定律;随着温度升高平衡吸湿率和扩散系数均增大;经过等离子体处理的复合材料平衡吸湿率比未经处理的平衡吸湿率明显降低;等离子体处理能够提高界面结合强度,吸湿后其层间剪切强度保持率显著提高;SEM结果表明,复合材料的性能变化是由基体破坏和界面脱粘引起的。     

芳纶纤维/ 环氧树脂复合材料的吸湿应力分析

利用Ansys有限元软件,采用纤维随机分布模型,对在环境温度t=80℃、相对湿度RH=90%条件下的芳纶纤维/环氧树脂复合材料吸湿后的水分分布进行了模拟计算,计算结果与从材料吸湿实验中所得到的结果基本一致。根据模拟计算得到的水分浓度场对复合材料内部的吸湿应力进行了研究。结果表明:有限元方法可以比较准确地模拟复合材料在湿热环境下的水分吸收过程;复合材料内的水分浓度随老化时间延长而增大,吸湿应力也随之升高,在纤维和基体界面处的应力最大,可达50 MPa以上。     

碳纤维/环氧树脂单向复合材料的吸湿残余应力研究

对碳纤维增强环氧树脂基(CFL/EP)单向复合材料在湿热环境下吸湿残余应力进行了研究.首先,采用ABAQUS有限元软件计算了环境温度T=37℃及T=80℃条件下随时间变化的材料中水分分布,该结果和材料吸湿实验结果吻合较好,同时也发现碳纤维随机分布模型能更好地模拟复合材料吸湿行为;随后,根据获得的水分分布对随时间变化的吸湿残余应力进行了研究.结果表明:树脂基体长时间吸湿导致的残余应力能够达到很高的水平(30MPa以上),其中纤维间距较小的基体区域以及基体和纤维界面处的应力水平明显高于其他区域,而在界面处应力值最高.这种高水平的残余应力在吸湿、脱湿循环下可能导致材料发生疲劳损伤及失效.     

复合材料加筋壁板有限元建模与强度分析

运用基于工艺的“laminate modeler”模块创建了复合材料铺层和加筋层合板的三维有限元模型.介绍了一种体单元与壳单元节点融合的方法.以不同的相对节点间距对加筋层合板模型进行了有限元网格划分,采用结构最大Von Mises应力作为标准进行了收敛性分析,得到了一个可适用于其他类似加筋板模型网格创建的合理相对节点间距值1/72.应力计算表明,集中载荷作用下复合材料加筋壁板的初始损伤发生于第八铺层材料主方向的2方向,损伤模式为基体拉伸开裂.发生初始损伤时加筋板结构的极限载荷为75 N.应力集中区较小,且主要分布于载荷作用点附近.集中载荷作用下加筋板的承载效率较低.     

复合材料加筋壁板长桁蒙皮剥离失效分析

为了研究复合材料加筋壁板在纯弯载荷作用下蒙皮与长桁间的脱胶过程,基于ABAQUS有限元软件中的连续壳单元和Cohesive单元建立了有限元模型。在该模型中,采用Hashin准则预测面内损伤,而对于蒙皮与长桁缘条之间脱胶损伤的起始与扩展,则采用Cohesive单元进行模拟。采用该模型对复合材料加筋壁板蒙皮与长桁在纯弯载荷作用下的破坏过程进行仿真,仿真结果与试验结果相比较表明,本文建立的有限元分析模型能较好地模拟加筋壁板在纯弯载荷作用下蒙皮与长桁间的脱胶过程,并且能较好地预测该结构的剥离强度。     

复合材料变厚度加筋板后屈曲耐久性/损伤容限一体化设计研究

在先进的复合材料飞机结构上大量采用复合材料加筋板这种结构形式。因此,本文着重研究了复合材料变厚度加筋板后屈曲、冲击损伤与冲击损伤对承载能力的影响,以及复合材料变厚度加筋板冲击损伤、后屈曲、耐久性/损伤容限设计一体化综合试验方法。最后,作者根据多年从事飞机型号结构设计经验,并结合本文的研究结果,总结出15项复合材料变厚度加筋板后屈曲耐久性/损伤容限一体化设计技术,以期对我国预研新机的复合材料飞机结构设计,对已研飞机的复合材料飞机结构改进、评定有所启示。     

轴压载荷下复合材料加筋板后屈曲承载能力研究

建立了轴压载荷下复合材料加筋板后屈曲承载能力分析有限元模型,计算了航空结构中典型的工字型、T型和帽型复合材料加筋板的屈曲载荷,并采用渐进损伤分析方法对复合材料加筋板后屈曲极限破坏载荷与破坏模式进行了研究.研究了筋条截面形状、筋条铺层方式对复合材料加筋板后屈曲特性的影响,研究结果可以为复合材料加筋板的设计提供参考.     

压缩载荷下复合材料加筋板屈曲参数研究

基于复合材料加筋板的双胞单元模型和势能最小原理,运用解析算法给出了简支条件下复合材料纵向加筋板临界屈曲载荷方程,对影响复合材料加筋板临界屈曲栽荷的主要参数：加筋板各项异性比,筋条的弯曲刚度,筋条间距和加筋板的长度进行了研究。解析算法和有限元方法给出了不同参数对复合材料加筋板屈曲载荷的影响水平。研究结果表明：针对不同筋条间距的复合材料加筋板筋条弯曲刚度存在一个阀值,当筋条高度大于阀值时,屈曲载荷不会随筋条弯曲刚度的增加而增加;给出的临界屈曲载荷方程可以方便的计算出压缩载荷下简支加筋板的屈曲载荷。     

复合材料加筋壁板结构布局快速优化设计方法

在建立复合材料加筋壁板刚度等效模型的基础上,总结了加筋板局部、总体失稳和筋条扭转失稳的理论计算方法,并将三类屈曲的临界屈曲载荷与设计载荷相等作为优化设计准则,得到了一种适用于不同筋条截面形状的复合材料加筋壁板结构布局快速优化设计方法。将该方法的优化结果与有限元分析结果进行对比,结果表明,该算法用于复合材料加筋壁板优化设计具有较高的准确性和效率,能够较好地满足工程需求。     

碳纤维缠绕复合气瓶自紧力和疲劳的数值模拟

采用数值模拟方法研究了自紧工艺对碳纤维缠绕复合气瓶的应力分布和疲劳性能的影响。基于ANSYS商用有限元分析软件,考虑气瓶封头部分碳纤维缠绕层的角度和厚度沿封头子午线的连续变化,建立了有限元模型。分析验证了54 MPa自紧压力对复合气瓶零压和35 MPa工作压力下内衬和复合材料缠绕层应力的影响,并利用Coffin-Manson公式预测了复合气瓶的疲劳寿命。结果表明,自紧后复合气瓶内衬在工作压力下的最大应力减小了29.1%。有限元计算的疲劳寿命结果与实验测定结果之间的误差<8%,验证了有限元模型和计算方法的正确性。     

湿热环境下复合材料层合板本构模型研究及其应用

近年来复合材料被广泛地应用于航空航天等工程领域。在实际的使用中,复合材料在不同的湿热环境下其力学性能会发生显著变化,针对这一问题,国内外已有大量的试验研究,而对湿热环境下复合材料的本构模型理论的研究则较少。在经典层合板理论基础上引入湿热膨胀系数的概念,通过定义一个无量纲的温度,建立材料弹性常数与湿热参数之间的函数关系,推导出复合材料单层板在湿热力耦合作用下的本构关系,同时加入三维Hashin失效判定准则对层合板的损伤演化及失效模式进行模拟。结果表明:该模型较好地预测了复合材料层合板在不同湿热环境下的弹性响应,为分析实际工程中复合材料结构模型在湿热环境下的力学行为提供了重要参考。     

GFRP 层压板挖补修理后的吸湿行为

对采用不同台阶比率挖补修理的玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板进行了吸湿实验,获得了 各种台阶比率试样的吸湿规律以及损伤行为。通过面内剪切强度测试以及形貌观察,研究分析了导致吸湿试 件强度降低以及层间开裂的主要因素。实验发现:玻璃纤维增强树脂基复合材料的孔隙率是影响层合板吸湿 率和层间开裂的重要影响因素,孔隙率越高,吸湿率越高,但层间开裂倾向却降低;台阶比率对长时间吸湿试件 的强度保持率有较大的影响,恰当选择台阶比率不但有助于提高强度恢复率,还可减小因吸湿而产生的强度降 低幅度;吸湿会导致玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板的面内剪切强度大幅度下降,导致这种结果主要原因 之一是吸湿会严重劣化纤维/ 树脂界面粘结状态。     

纤维缠绕复合材料结构可靠性评估方法及其应用

为了更加科学有效地评估纤维缠绕复合材料结构的可靠性,根据复合材料渐进失效特点,应用结构系统可靠性理论和方法,将复合材料视为连续体的结构系统,基于复合材料有限元模型对"单元"和"系统"进行了定义,构建了概率渐进失效分析的基本流程,提出了主要失效序列和结构整体的失效概率的精确解算式和近似计算方法.为解决复杂结构系统主要失效...     

Effect of curing condition on bonding quality of scarf-repaired composite laminates

Both single-face vacuum bag curing (SVC) and double-face vacuum bag curing (DVC) can be used in scarf repair of composite structures. But different curing conditions caused by the sealing state may affect the bonding quality of scarf-repaired structures. In this paper, the effect of curing condition on bonding quality of scarf-repaired laminates was experimentally investigated in terms of surface profiles, moisture absorption curves and section profiles. In order to further explore the moisture absorption mechanism, finite element model of the repaired laminates using DVC was established with moisture diffusion of both the adhesive and composite laminates considered. This model was verified by experimental results. Based on the model of DVC case, the model of SVC case was built by changing moisture absorption parameters of the adhesive. Results show that SVC reduces the bonding quality, mainly reflecting in more adhesive inner voids and patch-to-parent dislocation. And SVC increases moisture absorption rate and moisture equilibrium content of the adhesive, and its effect on the former is far greater than that on the latter.     

复合材料层合板弯曲振动高阶理论及有限元模型

本文提出了一种新的复合材料层合板高阶弯曲位移模式,此位移模式既考虑横向剪切的影响,又考虑了法向正应力的分布,进而建立的相当于三维弹性理论解的二维有限元模型,具有精度高、计算量并不大的优点。     

复合材料胶粘修复界面的载荷传递仿真优化

胶接修复工艺是飞机结构修理的重要工艺之一,为了研究胶黏工艺对修复效果的影响规律,探索最佳的工艺参数,本文建立胶粘修复的三维模型,利用ANSYS Workbench有限元软件对胶粘修复界面载荷传递进行分析,讨论补片材料、补片厚度、胶层剪切模量和胶层厚度对胶接修复的影响。仿真结果证明补片材料为硼/环氧树脂时,胶粘失效风险最小;补片较厚时,胶接修复效果好,但补片过厚会削弱胶接修复的效果;胶黏剂剪切模量越大越有助于损伤区域的修复,工程应用中建议选用剪切模量较高的胶黏剂;胶层较厚时会增大胶层发生缺陷的概率从而减弱修复效果,建议合理选取厚度较小的胶层。最后提出修复界面的表面处理、复合材料端部的溢胶以及倒角处理均有益于修复结构的载荷传递,缓和胶粘界面应力水平,降低胶层失效的风险。     

一种基于归一化参数的蠕变模型

针对传统蠕变模型(如Norton律)不能模拟蠕变第3阶段的不足,提出了一种基于归一化参数的蠕变模型,该模型以归一化时间为变量,以归一化应力和归一化温度为参数,可完整描述蠕变曲线的所有3个阶段.在该模型的基础上提出了能更好地描述蠕变曲线第1阶段的改进形式.利用所发展的模型对直接时效GH4169G材料的蠕变试验曲线3个阶段进行了较好地模拟,验证了该模型的描述蠕变变形的能力；同时确立了所发展模型中各参数与归一化温度和归一化应力之间的函数关系,取得了较好的效果；并且能与有限元软件结合,表明所发展的模型可应用于实际结构的蠕变分析.      

碳陶双基体复合材料壳结构的振动分析

针对某碳陶双基体复合材料的冲压发动机燃烧室衬套结构,在缺少复合材料机械性能参数的情况下,提出一种振动分析的工程实用方法.建立了衬套结构的有限元模型,通过固有振动特性和随机载荷环境中的振动响应计算分析,对结构的动力学设计进行评估,为复合材料壳结构的振动分析以及冲压发动机中典型壳结构的动力学设计和评估提供参考.     

非连续湿热作用对T700/TR1219B复合材料宏细观性能的影响

为研究非连续湿热作用对碳纤维环氧树脂基复合材料性能的影响,对T700/TR1219B试样进行了吸湿-脱湿试验,测试了其拉神性能,并采用SEM观察试样侧面;通过原子力显微镜的峰值力纳米力学成像技术(PF-QNM)对树脂进行纳米压痕测试。结果表明:吸湿率从0变化到1.2%,T700/TR1219B复合材料的一次及二次吸湿行为均满足Fick定律;经吸湿-脱湿-再吸湿,试样的拉伸强度、弹性模量及树脂的硬度及弹性模量均呈现先上升后下降的变化趋势。