碳纤维复合材料超声扫描分层检测及评价方法

由于碳纤维增强复合材料（CFRP）具有各向异性的特点,在其钻削加工中极易形成分层、撕裂以及毛刺等加工缺陷,而分层对碳纤维层合板构件的性能影响最大,因而建立一套准确的针对分层缺陷的检测、描述以及评价方法对层合结构碳纤维复合材料的有效应用具有重大意义。从分层缺陷的形成机理出发,通过对现有分层缺陷的检测以及评价体系的分析,提出了基于高频超声扫描显微镜（SAM）来进行分层缺陷检测评价的三维体积分层因子评价方法,并针对T800/X850碳纤维单向层合板对该方法进行了定征试验,最后通过对实际加工孔的分层缺陷的评价,综合对比了三维体积分层因子评价方法与传统评价方法的应用效果。结果表明：分层缺陷是由力热耦合引起的层间粘结失效,出口处更为严重;用超声扫描显微镜检测分层,可检测不少于8层的碳纤维复合材料,至少可以清晰表达5层的内部分层特征;分层会发生隔层传播,并且两个相邻铺层为同向的层间结合强度最好,不易产生隔层传播;三维体积分层因子可以更准确清晰地评价复合材料层合结构的内部缺陷。     

复合材料分层缺陷钉连修理强度恢复能力研究

分层缺陷是复合材料制造过程中最常见的缺陷之一,研究钉连接修理对复合材料分层缺陷的修复,探索具有分层缺陷复合材料的强度恢复情况。基于2DHashin失效准则,以及双线性Cohesive损伤模型中的二次名义应力准则和B-K失效准则,利用ABAQUS/Standard模块进行非线性分析,研究碳纤维复合材料的分层缺陷。采用钛铆钉连接修理后,碳纤维复合材料强度恢复能力,结果表明,钉连接对蒙皮拉伸强度无影响,对压缩强度具有显著提高;不同铺层厚度对强度恢复有影响;在一定范围内,分层尺寸越大,修理后强度恢复比例越多。     

碳纤维复合材料振动辅助制孔有限元仿真建模研究

碳纤维复合材料广泛应用于航空航天、国防、医疗等领域,针对碳纤维复合材料制孔过程中出现的入口剥离、出口分层、撕裂与毛边等质量问题,结合振动辅助切削对制孔工艺进行改进。为了有效预测碳纤维复合材料振动辅助制孔工艺的效果,结合碳纤维复合材材料本构模型进行振动辅助制孔有限元仿真建模研究。借鉴已有的复合材料本构模型,构建了碳纤维复合材料力学模型;针对仿真碳纤维复合材料在制孔过程中的分层现象,提出了黏性层模型用于模拟复合材料层间损伤,并建立了有限元仿真模型;通过在刀具边界条件上施加振动模式,实现了振动辅助制孔的有限元仿真建模。将建立的有限元仿真模型的仿真结果与已有文献试验结果进行了比较,验证了所建的有限元仿真模型的正确性,并对比分析了普通钻削制孔与振动辅助钻削制孔的仿真结果。最后得出结论:采用振动辅助钻削碳纤维复合材料可以有效地降低轴向力,抑制毛刺和分层产生。     

复合材料紧固孔分层激光超声量化表征试验

提出解决飞机复合材料结构紧固孔分层检测问题的途径。基于激光超声技术,进行复合材料紧固孔分层的量化表征试验。制备碳纤维增强复合材料紧固孔试样,根据复合材料中激光超声的激发参量选取原则,利用材料受脉冲激光辐照作用产生的热弹效应激发超声波,提取表征紧固孔区域分层缺陷的超声信号;分析影响缺陷表征准确度的关键因素,发现脉冲激光光斑尺寸（直径1~5 mm）变化对紧固孔分层的表征不产生显著影响;基于穿透法和脉冲反射法进行激光超声C扫描检测,得到紧固孔区域分层缺陷的形状、尺寸和位置特征。研究结果表明,利用激光超声技术的非接触式激发、接收和高分辨力特点,可以准确测得紧固孔区域分层缺陷导致的波反射和衰减,有效表征飞机复合材料结构的紧固孔分层缺陷。     

碳纤维复合材料钻孔分层的渗透检测

用氯化金渗透液检测了多向碳纤维复合材料钻孔后的分层缺陷,成功地检测到了不同铺层层间的分层缺陷。根据检测结果的分析,总结出了钻孔立体分层模型。     

含分层缺陷复合材料层合板分层扩展研究

采用基于粘聚区模型(CZM)的粘接元方法对含分层缺陷复合材料层合板进行了分层扩展研究。在缺少材料层间试验数据的情形下,应用了一种参数估算法确定粘接元的界面强度和刚度,并计算得到了含分层缺陷复合材料层合板的分层起始及扩展载荷,计算结果与试验值吻合良好,验证了所用方法的有效性。在此基础上,分析了不同分层位置对分层屈曲载荷、分层起始及扩展载荷的影响,并讨论了铺层角度对分层扩展方向的影响。     

无人机碳环氧复合材料高质量无损伤制孔工艺研究

碳纤维复合材料制孔时易产生各种加工缺陷,影响制孔质量。本文对碳纤维复合材料的制孔缺陷原理进行研究,并设计相关对比工艺试验,,对制孔工艺中钻头工作参数、钻削参数等提出了较优建议。     

碳纤维复合材料孔加工质量试验研究

碳纤维复合材料零件上存在大量的装配工艺孔,采用传统孔加工方式过程中容易导致分层、纤维
撕裂等缺陷. 本文通过钻削和螺旋铣削方式加工碳纤维复合材料(CFRP),对比两种孔加工方法的加工质量,
分析了缺陷存在的原因,发现在碳纤维复合材料上采用螺旋铣削制孔方式是可行的,对碳纤维复合材料孔加工
工艺具有一定的参考价值。     

分层损伤对含孔复合材料层合板剩余强度影响

以国产碳纤维复合材料CCF300/QY8911含孔层合板静力拉伸试验为基础,建立了符合其损伤失效模式的有限元三维预测模型.通过引入Cohesive界面单元分析了层合板拉伸过程中的分层扩展,数值模拟的结果与试验结果吻合较好,破坏载荷预测结果与试验数据相比误差在5%以内.根据CCF300复合材料构件在制造过程和实际使用中产生的孔边分层缺陷的情况,在孔边预置分层,分析了初始分层损伤对于层合板剩余强度的影响.结果表明表面预制分层对剩余强度影响较小,但会引起自由边提前分层失效.      

正交复合材料压缩性能的研究

本文主要研究了正交玻璃纤维、碳纤维和碳/玻混杂纤维复合材料薄板的压缩性能。结果表明,铺层顺序对正交复合材料薄板的压缩强度有较大的影响,铺层顺序相同时,正交碳纤维复合材料的压缩强度和模量均高于所对应的玻璃纤维复合材料。具有0°向碳纤维铺层的正交混杂复合材料,其压缩模量具有负的混杂效应。     

碳纤维复合材料柱型舱段窗口数控加工方法

使用碳纤维复合材料构件数控高速钻磨机床,对T300/AG80碳纤维复合材料柱型舱段构件方形窗口特征数控加工方法进行了研究.根据结构件材料特性和形状特点,得出了主轴转速6 000～18 000r/min、进给速率5～25 mm/min适用于柱型舱段方形窗口数控加工的优化参数和程序,实现了碳纤维复合材料柱型舱段窗口的数控加...     

混杂纤维复合材料层板的抗弹冲击性能

为了考察混杂纤维复合材料层板的抗弹冲击性能,采用碳纤维织物或玻璃纤维织物与芳纶纤维织物复合材料层共固化的方式,利用热压罐成型工艺制备了几种具有不同面密度及铺层结构的混杂纤维复合材料层板,并进行抗弹冲击性能测试、表观形貌观察和无损检测分析。结果表明:纯芳纶纤维及混杂纤维复合材料层板的钢弹冲击破坏模式相同,均为表层剪切破坏,中间层分层破坏,背层拉伸断裂破坏;层间混杂顺序对复合材料层板的分层缺陷面积有较大影响,当碳纤维层作为背层时,层板的分层缺陷面积为12 863. 6 mm2小于玻璃纤维层作为背层时(17 400. 5 mm2);当芳纶层作为背板时,混杂纤维复合材料层板冲击后分层缺陷面积与纯芳纶的相当(14 151. 0～14 927. 0 mm2)。混杂纤维复合材料对层板的抗弹冲击性能有较大影响,混杂后复合材料的弹道极限速度(v50)均有一定程度的提高,其中玻璃纤维/芳纶复合材料的v50从纯芳纶复合材料层板的193. 08提高至204. 33 m/s。将碳纤维层或玻璃纤维层作为着弹面层的混杂纤维复合材料层板具有更优异的抗弹冲击性能,其贯穿比吸能(BPI)均优于纯芳纶复合材料层板。     

C/E 复合材料“以磨代钻冶制孔工艺

为了提高C/E复合材料构件制孔加工质量,以C/E复合材料为研究对象,提出"以磨代钻"制孔新工艺,并研制了电镀金刚石刀具.与传统硬质合金刀具钻孔工艺进行对比试验,结果表明:金刚石刀具钻削轴向力降低30%-50%、刀具耐用度提高3-5倍、缺陷显著减少,更适合C/E复合材料钻孔加工.     

基于MSC.Patran/Nastran的复合材料层合板稳定性优化

建立了基于MSC.Patran/Nastran的PCL二次开发优化系统。优化分两级,第一级采用直接搜索法和正交试验法相结合优化分层厚度;第二级利用遗传算法优化铺层顺序,最终获得最佳铺层。经算例验证,该方法原理简单,易于实现,具有很强的实用性和通用性。     

碳纤维增强复合材料结构阻尼性能研究

碳纤维增强复合材料的阻尼性能对所应用结构的动态承载能力、可靠性和安全性有重要影响。复合材料阻尼机理复杂,很难采用理论方法研究。本文基于瞬态激励法原理,设计了悬臂梁振动试验,利用有理分式多项式法提取试样的模态频率和模态损耗因子。分别对603和603A两种树脂基体,各三种T300纤维铺层方向的复合材料试样进行了振动测试,获得了材料1 kHz以内的动刚度和阻尼特性。结果表明,基体材料组分和纤维铺层方向对碳纤维增强复合材料的结构刚度和阻尼性能有重要影响;603A基体的碳纤维增强复合材料具有较603基体材料更好的损耗因子。铺层方向对结构阻尼的影响主要是通过对结构刚度的影响而体现出来的,不同纤维铺层方向的复合材料试样刚度差别很大。     

纤维增强复合材料轴结构铺层方案优化设计

基于细观力学有限元法,采用改进的细观力学代表体积元（RVE）模型预测连续纤维增强金属基复合材料力学性能,对比分析相同体积分数下不同排列RVE模型的计算结果.选定连续纤维增强金属基复合材料轴结构为研究对象,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构细、宏观力学模型,开展该轴结构承载能力计算.在此基础上,为实现连续纤维增强金属基复合材料低压涡轮轴铺层方案优化设计,参照某型航空发动机设计要求,以总铺层厚度为目标函数,采用random design法,确定了由细观RVE排列结构至宏观轴结构铺层方案.结果表明：采用正方形对角排列RVE模型计算的力学性能优于四边形排列RVE模型;纤维与基体呈正方形对角排列可提高轴结构承载能力、临界屈曲载荷、临界转速;该方法确定的铺层方案与通用（GE）公司的SiC/Ti低压涡轮轴铺层方案一致.     

Thermal damage analysis of aircraft composite laminate suffered from lightning swept stroke and arc propagation

Lightning strike is a complicated process involving multi-field coupling. In order to investigate the thermal damage mechanism of carbon fiber reinforced composites subject to lightning swept stroke, a complete numerical method is presented. Numerical model of lightning discharge is established based on Magneto Hydro Dynamics (MHD) and calculated by FLUENT secondary development technology. Considering aerodynamic flow effect, channel formation and evolution process during lightning discharge is analyzed for lightning current waveform A. Thermal-electric Coupling model is presented according to Radial Basis Function (RBF) interpolation theory, which is implemented by compiling program to make lightning current and heat energy inject into composite laminate. Consequently, damage mechanism of composite laminate under lightning swept stroke is studied based on the coupled numerical model and element deletion method. Ablation damage morphology of composite laminate is analyzed to understand plasma expansion and reattachment in arc root. The results show that aerodynamic flow makes the lightning channel move fast and composite laminate is deteriorated due to thermal damage.     

阶梯钻钻削碳纤维复合材料的钻削力及孔质量

根据碳纤维复合材料制孔过程中产生的缺陷,自主磨制专用钻头——阶梯钻对碳纤维复合材料进行钻削实验,研究了在不同加工参数下阶梯钻钻削碳纤维复合材料的钻削力、孔出口质量、孔壁表面粗糙度,并与普通麻花钻头进行对比。结果表明:阶梯钻产生的钻削轴向力是麻花钻的一半,孔壁表面粗糙度值更小,孔出口没有明显的缺陷,阶梯钻适合钻削碳纤维复合材料。     

CFRP钻削制孔分层的形态研究

针对单向碳纤维增强复合材料(UD-CFRP)钻削制孔分层的各向异性行为,以UD-CFRP板的孔出口表层分层缺陷为研究对象,研究制孔分层的形状和大小。结果表明:UD-CFRP板的分层形状呈近椭圆形;随着主轴转速的增大,分层尺寸呈减小趋势,以主刚度方向最为明显,但减小幅度最大仅为0.14 mm;随着进给速度的增大,在主刚度方向极易产生整束纤维的撕裂,尺寸呈增大趋势,以主刚度方向最为明显,增大幅度达0.81 mm,以及由于主刚度方向整束纤维的撕裂,分层形状在主刚度方向出现突变。     

碳纤维复合材料短梁剪切疲劳特性

研究了碳纤维增强双马来酰亚胺复合材料的层间剪切静态与疲劳加载性质,分析了不同基体、不同铺层界面对层剪性质的影响。给出了层剪疲劳加载的S-N曲线;讨论了层间剪切损伤和增强机理,观察了微观特征。与碳/环氧复合材料相比,双马来酰亚胺基体复合材料在碳纤维和基体之间粘接良好,从而改进了纤维抗疲劳裂纹扩展的能力。