ARALL层压板结构疲劳性能分析

目前在航空领域发展非常迅速的ARALL层压板结构和芳纶预浸料的制造工艺,预浸料在具有高的抗疲劳特性和拉伸特性的ARALL层压板结构中起到非常重要的承力和抗疲劳作用。本结构所采用的制造方法是纤维拉伸法,是一种能使ARALL结构的铝板层具有残余压应力,使纤维层具有残余拉应力的方法,从而改善了材料本体的抗疲劳性能。     

纤维金属层板的开发和应用现状

随着我国航空航天领域器械的飞速发展,对该领域中结构件所用材料的综合性能及轻量化提出了新的要求。在过去几十年里,大型客机的市场需求不断扩大,刺激了新型材料的兴起,使材料向着高性能,轻质量发展。纤维金属层板是由铝合金与纤维预浸料交替铺层固化而成的层间混杂复合材料。纤维金属层板结合了金属与复合材料的优良特性,具有密度小、损伤容限优良、抗冲击和疲劳性能,越来越受到航天航空和轨道交通领域的关注。目前用于商业生产的金属纤维层压板(FMLs)多以基于芳纶纤维(ARALL)与基于高强玻璃纤维(GLARE)的层板为主。概括了纤维金属层板的制备前表面处理工艺,对其弯曲测试、拉伸测试、冲击测试和疲劳测试等力学性能的测试方法进行综述,同时对未来新型纤维金属层板的开发进行探究,为纤维金属层板的开发提供参考信息。     

纤维金属层板的静力学性能测试与预测模型

为研究纤维金属层板(FML)的非线性变形行为和损伤机制,对GLARE2-2/1、GLARE2-3/2、GLARE3-2/1、GLARE3-3/2、GLARE6-2/1和GLARE6-3/2层板进行了静力拉伸测试,同时采用数字图像相关(DIC)技术观测了GLARE2-3/2、GLARE3-3/2和GLARE6-3/2试样的全场应变,基于修正的经典层板理论建立了考虑金属层塑性和预浸料层损伤的理论本构模型,模拟预测了GLARE层板的轴向弹性模量、断裂强度和应力-应变曲线,与测试结果进行了对比分析。对经历载荷作用的试样,采用腐蚀去层的方法研究了内部预浸料层的损伤。结果显示:铺层增加后受损伤预浸料层的性能退化更多,采用DIC技术能够有效检测静力拉伸载荷下GLARE试样内预浸料层的损伤,理论模型方法能够很好地模拟GLARE试样的静力拉伸试验过程。     

真空成型与热压罐成型复合材料的性能对比

针对一种碳纤维单向预浸料ZT7G/LT-03A及碳纤维平纹织物预浸料ZT7G3198P/LT-03A,采用热压罐成型工艺和真空成型工艺各制备了3批次复合材料,测试预浸料的物理性能以及复合材料层合板的力学性能,通过对两种制备工艺得到的复合材料力学性能、纤维体积含量及孔隙率的对比分析发现,该体系真空成型复合材料性能的保持率均在75%以上,有的甚至超过100%。对于碳纤维单向预浸料来说,层间剪切的保持率最低,0°拉伸强度的保持率最高;对于织物复合材料来说,0°压缩强度的保持率最低,0°拉伸的保持率最高。同时真空成型复合材料纤维体积含量较低,孔隙率较高,是影响其性能的主要原因。     

阻燃增韧环氧树脂及其复合材料性能研究

采用溶液预浸渍技术制备了一种玻璃纤维布增强改性环氧树脂预浸料.通过对预浸料经热压罐成型制备的复合材料层压板进行相关性能测试.结果表明,复合材料具有良好的力学性能以及阻燃性能.证明了增韧和阻燃剂的引入大大地提高了该树脂基体以及复合材料的力学、耐热性和阻燃性能,并且表明了改性环氧/玻璃纤维预浸料具有良好的物理和工艺性能,促进了树脂基体与纤维间的界面结合,从而进一步提高了复合材料的力学和阻燃性能.此外,该复合材料还表现出良好的介电性能.     

碳纤维复合材料层压板低速冲击试验研究

为研究复合材料不同铺层结构的抗冲击性能,采用碳纤维预浸料制备了单向[0°]8和正交[0/90]2s铺层2种不同结构的碳纤维复合材料层压板,并使用Instron 9250落锤冲击测试仪测试其低速冲击性能,得到了载荷-时间曲线,分析了2种不同铺层方式的复合材料层压板的低速冲击加载力学性能,得到复合材料层压板的破坏形态来分析其破坏方式。结果表明:2种铺层方式产生了不同的破坏模式,正交[0/90]2s的复合材料层压板的抗低速冲击能力要优于单向[0°]8铺层的。     

一种中温透波自黏性树脂及复合材料性能研究

研制了一款中温透波自黏性树脂,对树脂的凝胶时间、流变性能等进行了测试,使用该树脂制备了中温透波自黏性玻璃纤维织物及石英纤维织物预浸料,对预浸料的物理性能进行了表征测试。研究了复合材料层合板的耐热性、力学性能和介电性能,结果表明复合材料玻璃化转变温度达148℃,具有优良的力学性能和介电性能,且在93℃时具有较高的力学性能保持率,满足使用要求。进行预浸料和蜂窝胶接,测试了试验件的剥离强度,结果表明滚筒剥离强度≥50N.mm/mm,树脂预浸料自黏性较好,夹层结构的滚筒剥离强度高,满足应用指标要求。与民机用典型进口预浸料体系CYCOM■7701/7781对比,两种复合材料室温干态及93℃干态层间剪切性能相当,ACTECH■1210/2221在耐热性与介电性能方面更具优势。     

薄层复合材料螺栓连接结构渐进失效机制试验研究

分别采用单搭接结构和双搭接结构研究了薄层复合材料层压板螺栓连接接头准静态拉伸加载渐进挤压损伤失效的过程。通过中断测试的方法利用X射线Micro-CT和扫描电镜（SEM）观察了拉伸加载过程中薄层层压板连接区域在特殊加载位置的损伤形式和变形特征。结果显示薄层层压板渐进失效过程主要损伤形式和传统厚度复合材料层压板相比基本一致,主要包括纤维断裂、基体开裂、纤维扭折和纤维/基体脱胶。然而,在传统厚度层压板复合材料中常见的失效方式即在挤压失效平面区域和拉伸失效平面区域广泛存在的分层损伤并未出现,这主要是薄层复合材料对初始损伤裂纹有效抑制的结果。由于损伤抑制作用,薄层层压板可在加载过程中承受更高的挤压载荷,具有更大的损伤容限。     

非热压罐预浸料成型技术研究进展

非热压罐成型(out of autoclave process,OoA)技术是实现结构复合材料低成本制造的有效途径,是当前复合材料研究领域的热点之一。本文介绍了OoA成型复合材料国内外的研究前沿以及在航空航天领域的应用现状,从材料体系和成型工艺两大方面总结了OoA成型过程中的缺陷控制方法。在OoA预浸料成型技术中,可通过尽量减少树脂体系中挥发物含量、精细调控树脂体系反应和流变特性、控制预浸料中纤维和树脂的浸润程度、优化成型工艺等手段有效降低复合材料的孔隙率等缺陷。     

超薄碳纤维预浸料复合材料国内外发展现状和趋势

超薄碳纤维预浸料复合材料是近年来复合材料研究的新趋势,国内超薄碳纤维预浸料复合材料的相关研究起步较晚,研究方向单一,系统地总结归纳有助于未来研究方向的调整与研究目的的明确.本文综述了2000年至今国内外大部分超薄碳纤维预浸料与常规碳纤维预浸料复合材料的对比试验,包括无损拉伸试验、开孔拉伸试验、无损压缩试验、机械连接试验、冲击试验、疲劳试验以及环境影响等,通过对比分析认为:薄层化后的预浸料复合材料在抗裂纹萌发和裂纹扩展方面具有显著的性能优势,从而影响了碳纤维预浸料复合材料成品的各项性能参数,表明超薄碳纤维预浸料复合材料优异的应用前景.     

芳纶－铝合金胶接层板残余应力分析与测定

分析了芳纶－铝合金胶接层板在固化过程中形成的残余应力以及预应力与残余应力的关系。为验证分析所得的表达式,采用应变片包理法测定了层板的残余应力,结果表明,层板纤维方向的残余应力实测值与分析值相吻合。     

树脂粘弹性与层板横向残余应力的关系

将单向芳纶 -铝合金层板纤维 /树脂层的模量表达为温度和时间的函数 ,为了确定函数中的常数 ,测定了纤维 /树脂层不同频率下的动态粘弹性能 ,测定温度为室温至 2 0 0℃ ,测定常数后 ,代入残余应力计算式进行积分求得层板横向的残余应力 ,为了验证计算结果 ,用应变片包埋法对单向芳纶 -铝合金层板横向残余应力进行了测定 ,并与实验结果进行了比较。结果表明 ,引入树指粘弹性参数的表达式可较准确地计算层板横向的残余应力     

单向C/SiC复合材料热残余应力数值模拟研究

连续纤维增韧陶瓷基复合材料制备过程中因纤维与基体线胀系数失配会产生热残余应力,从而导致纤维脱粘、基体开裂等现象,严重影响复合材料力学性能。本文针对CVI工艺制备的单向C/SiC复合材料,建立"纤维-界面-基体"单胞物理模型,基于细观力学分析方法对热残余应力分布规律进行预测,采用ABAQUS对材料制备过程进行数值模拟,揭示了界面厚度、纤维体积分数、制备温度等参数对纤维、基体热残余应力分布的影响规律,分析了热残余应力对复合材料力学性能的影响。研究结果能够为C/SiC复合材料的设计、分析及微纳力学性能试验提供理论支持。     

Review on residual stress and its effects on manufacturing of aluminium alloy structural panels with typical multi-processes

In the aerospace industry, integrated aluminium alloy plates and stiffened panels with high accuracy and performance attract significant interest. To manufacture these panels as integrity with high accuracy, multiple processes need to be utilised, such as machining, welding and forming. During the whole manufacturing chain, residual stresses can be generated and redistributed in the components among different processes. The residual stress would significantly affect the shapes and properties of the final products. Currently, these great effects are not well considered in the design and manufacturing processes. This paper aims to draw a general understanding of the residual stress generated in the pre-manufacturing processes and its effects on subsequent manufacturing processes. The mechanisms and distributions of residual stresses generated in typical pre-manufacturing processes of structural panels, including machining, welding and additive manufacturing (AM), are firstly summarised. The detailed effects of generated residual stresses on distortion and application properties in subsequent manufacturing processes are then concluded. In addition, current methods developed for the investigation of residual stress effect in multi-processes manufacturing are critically reviewed, including experimental, analytical, finite element (FE) and machine learning methods. Furthermore, the future development trend of methods for residual stress consideration and control in the design of manufacturing processes is summarised, providing comprehensive guidance to achieve the high accurate manufacturing of aluminium alloy structural components.     

纤维金属层板分层扩展的优化分析

以纤维金属层板疲劳裂纹扩展与分层扩展预测模型为基础,对分层扩展的影响因素,包括单层厚度、残余应力、增强纤维的弹性模量、层间结合强度和胶粘剂的剪切模量等,进行了分析。研究表明,降低材料的单层厚度和改善层板的残余应力系统可显著降低层板的分层扩展速率,而提高层间结合强度和增强纤维的弹性模量对降低层板的分层扩展速率的作用相对较小。     

一种简便的隔热涂层残余应力分析方法及结果讨论

从涡轮叶片隔热涂层等离子喷涂的工艺过程中残余应力形成机理为出发点,通过对喷涂过程进行合理的分析和简化,并结合有限元方法,给出了一个可行的隔热涂层残余应力分析简便方法。最后通过算例,进行了分析讨论。      

Effects of sintering temperature and time on defect evolution and compression properties of Ti-Al3Ti laminated composites

For metal-intermetallic laminated composites, various types of defects often occur during the preparation process. This paper studied the evolution and formation mechanism of defects,such as pores, tunnel cracks, and delamination cracks in Ti-Al₃Ti laminated composites prepared by vacuum hot-pressing method. Moreover, quasi-static and dynamic compression tests were performed to study the effects of pores and delamination cracks on the compression properties of the composites. The resu...     

Influence of ultrasonic machining on physico-mechanical properties of adhesive joints and epoxide compounds

The results of experimental studies concerning the physico-mechanical properties of adhesive joints and epoxide compound-based coatings after ultrasonic machining are presented. Also considered is a change of adhesive strength and residual stresses in different “metal — polymer” systems.     

Residual stress indentation model based on material equivalence

A novel residual stress indentation model for conical indentation loading is proposed to describe the relationship between the residual stress, material constitutive parameters, load, and displacement for materials with a uniaxial constitutive relationship that obeys Hollomon’s power law (H-law). The novel model was established based on the principle that the equivalent material without residual stress corresponds to the original material with residual stress, conical indentation theoretical model based on energy density equivalence, and an assumed power-law relationship between the dimensionless residual stress and relative difference of the yield stresses of the equivalent material and original material. Sixty imaginary H-law materials with ten equibiaxial and ten uniaxial residual stresses were investigated by Finite Element Analysis (FEA). The residual stresses predicted by the novel model from the indentation load–displacement curves simulated for the imaginary materials are in close agreement with those applied by the FEA. Finally, indentation tests for Cr12MoV steel, 45 steel, and 6061-T6511 aluminum alloy were carried out on their specimens without residual stress and their bending specimens with equibiaxial and uniaxial residual stresses. The residual stresses predicted by the novel model according to the indentation load–displacement test curves are in good agreement with those applied by the tests.