航空用国产碳纤维/双马树脂复合材料湿热特性

针对1种航空用国产T700级碳纤维和4种双马树脂（QY9611、5429、QY9512、QY8911-4）,采用3种湿热条件（100℃水煮、70℃水浸、70℃/85%相对湿度）对其复合材料单向层板进行湿热处理,通过研究吸湿量、扩散系数、显微结构、化学成分、耐热温度及力学性能,分析了复合材料的湿热特性。结果表明,4种复合材料在3种湿热条件下的吸湿行为均符合Fick第二扩散定律,100℃水煮时平衡吸湿量和扩散系数最大,70℃/85%相对湿度时两者最小。4种复合材料吸湿速度有明显区别,这与其原材料形式和成型工艺不同有关。湿热处理未导致复合材料内部产生损伤和化学变化,主要引起增塑效应,导致玻璃化转变温度降低。复合材料的90°拉伸性能测试结果表明,高温和吸湿耦合作用下复合材料力学性能衰减更为明显,破坏模式由基体开裂转变为界面脱黏和开裂。      

CFRP孔板拉伸疲劳环境效应的正交试验

为研究环境因素对CFRP孔板疲劳性能的影响,针对T300/QY8911含中心孔层压板设计并开展了正交试验研究.试验中采用标准试件在给定环境条件下测试其拉伸疲劳寿命,并通过对正交试验结果的方差分析研究了有无涂层、紫外辐射、环境湿度等环境因素及其交互作用对T300/Y8911复合材料孔板拉伸疲劳寿命影响的显著性.研究表明:在紫外、涂层、湿度及任意二者的交互作用中,有无涂层对复合材料孔板的拉伸疲劳寿命影响高度显著,有无紫外及涂层与湿度的交互作用对复合材料孔板拉伸疲劳寿命影响显著;而湿度、紫外与涂层的交互作用及紫外与湿度的交互作用对复合材料孔板拉伸疲劳寿命的影响均不显著.     

湿/热/力耦合条件下复合材料结构渐进损伤仿真

发展了湿/热/静力耦合条件下复合材料结构渐进损伤仿真方法,考虑复合材料力学性能的随机分布特性建立有限元模型,改进了湿热条件下复合材料本构关系,以Hashin准则、最大应力准则作为失效判据,完整仿真了不同湿热条件、不同载荷类型作用下复合材料开孔层合板从损伤起始至最终失效的损伤演化全过程,极限强度预测结果与相应试验结果的误差在10%以内,验证了仿真分析方法的有效性.湿热效应对损伤起始和演化的影响表明:由于湿热条件作用,相对于室温干态而言,复合材料开孔层合板的损伤起始的时间提前、所需载荷降低,极限强度和极限应变减小.     

缝合复合材料可用性——简单层合板的基本性能

为了解决缝合复合材料在飞机结构中的应用问题,通过试验方法研究了缝合以及缝合方向对T300帘子布/QY9512单向层合板与正交对称层合板拉伸和压缩性能的影响,得到了T300帘子布/QY9512材料的部分基本性能常数.研究表明,缝合与缝合方向对这两种层合板的模量影响不大,但对单向层合板的泊松比影响较大,而且偏轴后缝合单向层合板的泊松比不满足偏轴转换关系.缝合及其方向对单向层合板的拉伸强度影响很大,而对压缩强度影响却不明显.缝合正交对称层合板中铺层的拉伸破坏机制与缝合单向层合板的破坏机制不同,因此不能用缝合单向层合板的拉伸强度作为正交层合板内铺层的强度极限.      

湿热环境对CCF800/环氧挖补板拉压性能的影响

针对挖补修理后飞行器在服役期间会经历高温高湿环境,进行了湿热环境对挖补修理层合板（以下简称挖补板）拉压性能影响的研究。首先,测试了4种湿热环境下CCF800/环氧挖补板的拉伸和压缩性能;然后,建立了相应的湿热应力有限元模型,探索了不同湿热环境下挖补板内的湿热应力分布;最后,在此基础上建立了湿热环境下挖补板的拉伸和压缩力学模型,研究了湿热环境对CCF800/环氧挖补板力学性能的影响。试验结果显示,湿热环境使挖补板的承压能力降低,承拉能力提高,这与常理不符。经试验观察和机理分析,发现CCF800/环氧铺层中纤维弯曲是导致湿热环境下挖补板拉伸性能不降反升的主要原因。在考虑湿热环境时,制备CCF800纤维复合材料过程中需要格外注意纤维弯曲问题。      

复合材料单搭接胶接接头试验研究与数值模拟

针对不同搭接长度和不同被胶接件厚度的T300/QY8911层合板单搭接胶接接头进行了试验研究和数值模拟.建立了不同试验参数下的三维有限元模型,基于Hashin准则和连续介质损伤力学(CDM,Continuum Damage Mechanics)预测层合板面内损伤的起始和演化,应用黏聚区模型(CZM,Cohesive Zone Model)模拟层合板的分层损伤及胶层的失效.系统地研究了接头在不同参数下的失效模式、破坏形貌和极限载荷等的变化,模拟结果与试验吻合良好,验证了有限元分析模型的有效性.通过对接头的破坏形貌和应力分布进一步分析发现,胶接连接的失效模式和极限载荷均与胶接长度和被胶接件厚度有关;模拟接头胶接区在不同加载时刻的应力分布变化,反映了胶接连接在拉伸载荷下的破坏起始和演化过程.     

蜂窝夹芯挖补修理结构弯曲性能研究

从试验及有限元2个方面对复合材料蜂窝夹芯挖补修理结构的弯曲性能进行研究。通过3点弯曲试验对无损及修理件弯曲性能进行测试,试验结果表明,蜂窝夹芯结构破坏模式为典型的蜂窝剪切破坏,修理件相比于无损件弯曲强度恢复率为110%,修理后结构弯曲刚度也略高于无损件;基于试验结果建立三维有限元模型对蜂窝夹芯修理结构的弯曲性能进行研究,通过用户自定义子程序VUSDFLD编写Hashin失效准则、基于应力的Besant失效准则,实现复合材料面板及蜂窝芯子2种材料的损伤起始及演化。数值模型得到的破坏模式、破坏载荷及弯曲刚度均与试验结果吻合得较好;改变有限元模型参数,研究损伤直径及补片厚度对修理后弯曲性能影响,结果表明,随着损伤直径从30~70 mm逐渐增加,修理件强度先增加后减小,并在损伤直径为50 mm时取得最大值,此外,补片厚度为1~2.5 mm时弯曲强度恢复率高于100%;本文为复合材料蜂窝夹芯结构的修理设计提供了可靠的数值模拟方法。      

环氧树脂基复合材料加筋板结构吸湿行为研究

环氧树脂基复合材料的性能对湿热环境敏感,掌握该材料所组成结构的吸湿行为对其实际应用具有重要意义。通过以碳纤维环氧树脂基复合材料层合板的non-Fickian吸湿模型为基础,建立环氧树脂基复合材料加筋板结构的non-Fickian吸湿模型,在70℃/85% RH湿热条件下开展加筋板结构的吸湿实验,对所建立模型进行验证,并与已有的加筋板吸湿模型进行对比,通过所建立模型给出了加筋板沿厚度方向的吸湿量分布规律。结果表明:所建立加筋板non-Fickian吸湿模型的计算结果与实验结果吻合良好,在整个吸湿阶段相对误差小于5%,模型的预测精度高于传统Fick模型。所建立的加筋板non-Fickian吸湿模型可用于环氧树脂基复合材料加筋板层合结构吸湿量的准确预测。      

含孔隙基体缎纹编织复合材料面内压缩弹性性能预报

缎纹编织复合材料细观结构复杂,传统弹性性能预报方法较难适用。针对该问题,建立缎纹编织复合材料代表体积单元(RVE),对RVE模型面内压缩弹性模量和面内泊松比的预报方法进行了研究。分别基于能量法原理和单夹杂理论,对弯曲纤维束纵向压缩模量和含孔隙基体弹性性能进行预报,改进了传统细观力学中的混合率方法,并利用已得的组分材料性能对RVE模型有效面内压缩模量和面内泊松比实现了解析法预报。基于Python语言对ABAQUS有限元分析软件进行二次开发,建立了基体含孔隙的RVE模型,利用RVE模型在基本受力状态下的有限元方法结果实现有效面内压缩模量和面内泊松比的有限元方法预报。基于碳/碳复合材料,解析法与数值法计算结果吻合很好,实现了对缎纹编织材料面内压缩性能的有效预报。      

单侧面板裂纹损伤对钛合金蜂窝夹层结构弯曲性能影响

钛合金蜂窝夹层结构在制备或使用过程中可能会产生面板裂纹损伤。采用试验和有限元结合的方法研究了单侧面板裂纹损伤对钛合金蜂窝夹层结构弯曲性能的影响。结果显示:单侧面板裂纹损伤会明显降低钛合金蜂窝夹层结构面板弯曲强度,弯曲强度近似随裂纹长度的增加而线性降低;有限元模型能够准确预测结构的破坏模式和破坏强度,预测得到的面板弯曲强度与试验结果最大偏差仅为6%。采用的有限元方法可用于含面板裂纹损伤的钛合金蜂窝壁板结构弯曲性能的工程预估。      

二维编织C/SiC复合材料板疲劳损伤分析

为探索复合材料损伤的基本规律,首先,基于损伤力学,结合Tsai-Hill强度理论,提出了表征二维编织C/SiC复合材料损伤各向异性的损伤演化方程;然后,在商业有限元软件ANSYS环境中进行了二次开发,形成了考虑材料刚度随损伤折减的损伤模拟程序;其次,对二维编织C/SiC复合材料板模型进行了损伤模拟分析,结果表明材料损伤过程中应力与损伤度对单元破坏起共同作用;最后,对损伤演化方程的形式提出了讨论与改进,并通过模拟计算揭示了复合材料在损伤驱动力及材料特性作用下损伤呈现各向异性演化的特征,说明材料各向异性损伤是其材料特性及受载形式产生的必然结果。      

二维织物增强层合板高速冲击后拉伸性能模拟

针对目前国内直升机结构上常用的两种二维织物增强复合材料层合板进行了高速冲击后的拉伸性能分析.根据层合板高速冲击的损伤,在大型商用有限元软件的基础上利用逐渐损伤累积方法建立了损伤后层合板的拉伸损伤扩展与破坏的有限元分析模型,并将其计算结果与经验公式进行了对比.结果表明,该模型结果与经验公式结果吻合,且能直观给出各铺层的损伤扩展过程和机理,对于分析受高速冲击后二维织物增强复合材料层合板的损伤容限性能有重要参考价值.      

复合材料开孔层压板压缩长期强度预测

Accelerated testing methodology (ATM) predicts long-term strength in low temperature with short-term in high temperature, which is based on the viscoelasticity of matrix and the time-temperature superposition principle (TTSP). The strain invariant failure theory (SIFT) was modified by using micro maximum strain criteria to judge fiber tensile and compressive failure. Master curve of storage modulus of epoxy resin and the time-temperature shift factors were tested from dynamic mechanical analysis(DMA). Master curves of SIFT critical parameters were constructed by tension and compression test for unidirectional carbon fiber reinforced plastics (CFRP) under various temperatures with the time-temperature shift factors of matrix resin. Long-term compression strength of open-hole composite laminates was predicted based on SIFT/ATM combined method. The damage process of fiber and matrix was simulated by progressive damage analysis as well. Good agreement between numerical results and experiments was observed, which demonstrates the applicability of this method.     

复合材料层板低速倾斜冲击损伤分析

纤维增强复合材料层板对低速冲击事件敏感,冲击产生的损伤会导致材料结构承载性能及使用寿命大幅下降。基于此,提出了一种基于连续介质损伤力学的有限元模型,研究了复合材料层板低速倾斜冲击力学行为。采用Hashin准则结合渐进退化模型预测层内损伤起始和演化;采用界面单元结合双线性Traction-Separation本构关系模拟层间分层;编写用户材料VUMAT子程序,实现基于ABAQUS/Explicit软件平台的数值求解。数值计算结果与现有正冲击下实验数据吻合较好,验证了模型的有效性。探讨了冲击角度、冲击能量对复合材料层板倾斜冲击力学性能的影响,分析倾斜冲击下层板损伤模式及失效机理,为复合材料结构倾斜冲击问题数值分析提供参考。