碳纤维复合材料轴向压缩性能测试方法对比北大核心CSCD

轴向压缩性能一直是复合材料力学性能评价表征研究的难点。本文以国产T800级、M40J级碳纤维复合材料为研究对象,从试验研究、机理分析、计算模拟等角度,系统对比并分析了四种常用复合材料压缩性能测试方法的优劣与适用性,提出了优化的测试条件。试验与模拟结果表明,剪切加载方法(GB/T 3856—2005)易产生应力集中造成试样提前破坏,使压缩强度测试结果相比美标剪切加载方法(ASTM D3410—2016)降低约9%;端部加载(SACMA SRM 1R—94)测试结果较美标剪切加载和联合加载方法(ASTM D6641—2014)高3%~6%。测试条件优化研究中发现,加强片材质对破坏模式影响较大,强界面高强度复合材料适宜采用金属加强片,弱界面低强度复合材料适宜采用玻璃钢加强片。分析试样断口形貌,剪切加载和端部加载方法都可以观察到单向复合材料以纤维“跪折”为主的破坏模式。从测试结果和破坏模式来看,端部加载方法是较优的压缩强度测试方法。     

金属材料剪切试验方法

通过与其他诸如单向拉伸、压缩试验的比较,描述了剪切试验识别材料流动曲线的优点;阐述了金属材料剪切试验的研究现状,按照试验过程中试件变形区的应力状态,将剪切试验分为简单应力状态下的剪切试验和与其他加载方式结合的复杂应力状态下的剪切试验;介绍了各种剪切试验方法的试验装置和典型试件形状,概述了各类剪切试验的实现方式,并根据各种剪切试验方法的优缺点,概括了各个剪切试验的应用现状。     

不同酚醛树脂对芳纶纸蜂窝性能的影响

为研究酚醛树脂对芳纶纸蜂窝性能的影响,本文采用两种不同的酚醛树脂制备芳纶纸蜂窝芯材,对所制备蜂窝芯材的压缩性能和剪切性能进行测试,同时结合蜂窝端面树脂分布观察、树脂与芳纶纸接触角测量等方法,分析了两种树脂所制备蜂窝芯材性能出现差异的原因,结果表明：树脂中溶剂水的挥发速度、树脂与芳纶纸之间的表面张力会影响树脂在蜂窝壁上的树脂分布;蜂窝芯材树脂含量相同时,其节点两侧的树脂胶柱有利于提高蜂窝芯材压缩强度,但树脂堆积在节点后会降低蜂窝壁厚,造成蜂窝的剪切强度和模量下降。     

湿热环境下复合材料孔板压缩性能的研究

采用压缩试验的方法,对含孔机织碳纤维环氧复合材料层板进行了湿热环境下的压缩试验,研究了湿热环境对其压缩性能的影响。分析了复合材料孔板的吸湿特性、压缩强度、破坏模式及动态力学性能。结果表明:机织碳纤维环氧复合材料吸湿率较低,其饱和吸湿率仅为0.88%左右。湿热环境会降低由基体性能主导的压缩强度,130℃下湿态试样的开孔压缩强度保持率约为70%。含孔复合材料层合板的破坏模式均为过孔破坏,破坏均发生在应力集中的区域,并且断裂都是沿着应力集中最大的方向扩展。侧面断口主要为剪切失效,有分层和屈曲的特征。吸湿后复合材料的DMA Tg为125℃,比干态时下降了16℃。     

弹性件剪切模量随压力变化的试验分析

通过单轴拉伸与平面拉伸试验,得到了柔性接头弹性件橡胶材料“三阶五项式”超弹本构模型参数,通过有限元计算证明了该模型的优越性.为了获得柔性接头弹性件材料剪切模量随容压的变化规律,设计了双轴加载试验装置和表征柔性接头弹性件的三重片试件,进行了压缩剪切联合加载试验及有限元数值模拟.试验结果发现,橡胶材料的剪切模量并没有随压力的升高而减小,该现象与计算结果吻合较好.     

航空发动机端面密封装置中O形密封胶圈的滑动摩擦力分析

简要介绍了三种用于航空发动机附件传动机匣轴端滑油密封的端面密封装置中O形密封胶圈滑动摩擦力计算方法——Lindley算法、经验公式和Parker公司算法,提出了一种与实际装配情况相同的径向受压缩的O形密封胶圈有限元建模及滑动摩擦力计算方法。通过对同一套端面密封装置的O形密封胶圈滑动摩擦力进行的计算结果表明,有限元计算与经验公式的结果非常接近,Lindley算法结果偏小,而Parker公司算法结果偏高。     

可控式液体润滑高速螺旋槽端面密封试验

研制了电磁加载装置和摩擦力矩测试装置,并将其应用于液体润滑的螺旋槽端面密封试验中.试验研究了端面密封坝处液膜特性、端面温升、端面摩擦力等密封性能参数以及端面闭合力对密封性能的影响.试验结果表明,密封坝处压力随转速的增加而增加,当转速较大时,端面的温升也较高.端面密封在液膜润滑下具有较小的摩擦力.利用电磁加载装置和摩擦力...     

含分层损伤复合材料层板压缩分层疲劳扩展研究

采用基于Mindlin一阶剪切理论的连续壳单元,建立了预测含分层损伤复合材料层板在压缩疲劳载荷作用下的分层扩展3D模型,分析了含穿透分层复合材料层板在压缩疲劳载荷作用下的分层扩展行为。利用累积损伤理论,对层板内出现的各种典型损伤进行相应的刚度折减,并在循环加载过程中对材料性能进行强度弱化。利用虚裂纹闭合技术(VCCT)计算分层前缘处的能量释放率,结合混合断裂判据判断分层是否扩展,进而得到压缩疲劳载荷作用下分层扩展规律。计算模型通过大型商用有限元软件和自编程序实现。通过对数值仿真结果和试验结果进行比较,验证了模型的合理性和准确性。     

针刺C/ C 复合材料剪切性能

利用V形开口梁(Iosipescu)实验对一种新型针刺准三维C/C复合材料面内剪切性能及层间剪切性能进行了测试分析;获得了离散性较小的剪切强度与剪切模量值,以及有效地破坏模式;同时用有限元方法分析了层间剪切试样中的应力分布状态。结果表明,试样缺口根部处应力集中引起试样过早破坏,人为引入缺陷后,可以得到较均匀的剪应力场。     

超声速自由涡气动窗口剪切层光学性能的优化设计研究

在超声速自由旋涡气动窗口应用中，高能激光束实际上是透过超声速自由旋涡射流的剪切层输出的，激光束会受到剪切层的退化畸变。为了减少这种畸变，优化超声速剪切层光学性能，提出了超声速自由旋涡射流的压力匹配和折射率匹配剪切层的设计方法。提出了两种类型的折射率匹配剪切层的设计方法，讨论了其设计过程。这两种剪切层分别为按照某种比例混合的He／Ar混合气体作为自由旋涡射流的工作气体时的折射率匹配剪切层，以及选用加热到某个温度的干燥空气作为自由旋涡射流工作气体时的折射率匹配剪切层。     

胶粘剂力学性能参数对劈裂载荷作用下胶接接头中应力分布的影响

运用三维有限元法分析了胶粘剂力学性能参数对劈裂载荷作用下胶接接头(简称劈裂接头)应力分布规律的影响.结果表明:胶粘剂弹性模量和泊松比的变化对劈裂接头应力分布有着直接影响;随着弹性模量或泊松比升高,胶层内应力分布重心向左端移动,左端应力集中加强,峰值应力上升,但是泊松比对胶层最大主应力峰值的影响不如弹性模量的影响明显.     

疲劳载荷下单向陶瓷基复合材料界面摩擦力识别

为了确定疲劳加载过程中不同循环数下界面摩擦力的大小,对单向陶瓷基复合材料(CMCs)的疲劳迟滞行为进行了研究,提出了单向CMCs疲劳载荷下界面摩擦力识别方法。基于剪滞模型,确定了疲劳峰值和谷值应力下纤维应力分布。并基于数形结合的方法推导了迟滞环割线模量的理论值与界面摩擦力之间的函数关系。将迟滞环割线模量的实验值与理论值进行比较,识别了不同循环数下界面摩擦力的大小。结果表明,在前1000个循环内,界面摩擦力从9.89MPa 减小为5.28MPa,并在随后的循环内保持近似不变,说明疲劳过程中界面磨损主要发生前1000个循环内。     

电热除冰的热力耦合特性及其对冰层的影响研究

采用计算和实验相结合的方法,初步研究了电热除冰过程中的热力耦合特性及其对冰层的影响。在电加热条件下,耦合外部气动力载荷的作用,采用有限元方法计算了不同热流密度下表面冰层和蒙皮间界面法向和切向应力的分布,比较了加热/不加热条件下界面法向和切向应力分布的差别,研究了冰层最大主应力随热流密度的变化规律。研究发现,电加热条件下,在表面冰层融化前,热力耦合特性将造成冰层内部应力的显著增加,从而造成冰层局部区域的破裂,加速冰层的破坏。同时,设计的原理性实验结果验证了热力耦合特性对冰层的破坏影响。研究结果对于电热除冰理论和除冰技术的发展有现实意义。     

双轴载荷下孔边疲劳裂纹的扩展

 在AISI316奥氏体不锈钢制成的十字形带中心孔（圆孔和椭圆孔）试件上进行的双轴载荷疲劳裂纹扩展试验表明:应力双轴性对疲劳裂纹扩展的影响,仅发生在靠近开孔的局部区域内。等双轴应力较单轴应力状态下的裂纹扩展速率减慢,而纯剪切状态下的裂纹扩展速率加快。在孔的影响区之外,所有的结果服从Paris规律,与应力双轴性无关。     

Modified micro-mechanics based multiscale model for progressive failure prediction of 2D twill woven composites

To consider fiber random distribution at the microscale for the multiscale model based on the micro-mechanics failure (MMF) theory, clustering method is used for the extraction of amplification factors. As the clustering method is a kind of unsupervised machine learning method, the elements with similar mechanical behavior under external loading can be included in a cluster automatically at the microscale. With this modification, the fiber random distribution model can be used for multiscale damage analysis in the framework of MMF theory. To validate the modified multiscale analysis method, progressive damage analysis of a kind of 2D twill woven composites is conducted based on different microscale models. The stress values for microscale models with fiber hexagonal and random distribution patterns are compared first. Much higher stress concentration is generated in the fiber random distribution model due to the smaller inter-fiber distance especially under longitudinal shear loading. The obtained cluster distribution results exhibit the characters of the stress distribution in the two microscale models. Thereafter, tensile and compressive responses of the 2D twill woven composite are predicted with the modified multiscale analysis method and accuracy of the method is verified through comparison with published experimental results. From the simulation results, it can be found that the matrix damage initiation from the model based on the fiber random distribution model is premature compared with that from the model based on the fiber hexagonal distribution model. Besides, under tensile loading, the damage all initiates from the fill tows and propagates to the wrap tows. However, under compressive loading, the matrix damage initiates from the wrap tows in the model based on the fiber random distribution model.     

中间层厚度对陶瓷扩散焊接头应力分布影响的数值分析

采用有限元计算方法，对平面应变、平面应力两种应力状态下含中间层的陶瓷接头界面上应力分布规律进行数值分析。得到了接头界面上正应力和剪应力沿板定的分布曲线。结果表明，中间层材料厚度小时，两种应力状态下的正应力和剪应力在接头界面上滑板定的分布基本均匀。中间层材料厚度增大，平面应变状态下试件中部的正应力增大并出现峰值；平面应力状态下在试件自由瑞边缘正应力增大并出现峰值。两种应力状态下界面上的剪应力由板中央到板边缘逐渐增大，界面上边缘处最大剪应力的值也随中间层厚度的增加而增大。因此，在保证接头接合良好的前提下，应采用小厚度的中间层。     

单向陶瓷基复合材料任意应力本构行为快速计算方法

为了实现快速预测陶瓷基复合材料(CMCs)任意应力加卸载作用后的损伤状态和本构行为,对CMCs任意应力加卸载力学行为进行研究。提出了任意应力加卸载曲线简化方法,得到仅包含决定CMCs损伤状态的等效载荷曲线。基于剪滞模型,直接给出CMCs在等效载荷曲线作用后的滑移区分布,避免对载荷曲线的逐点计算。进而预测了材料的损伤状态和应力应变行为。将原始加卸载曲线带入剪滞模型,计算CMCs滑移区分布和应力应变,并与本文提出的方法进行比较,结果表明,两种计算方法计算的结果一致,说明了本文提出的载荷曲线简化方法和滑移区分布计算方法是可行的。     

A new analysis model for the effective stiffness of stiffened metallic panels under combined compression and shear stress

The paper deals with the analysis of the effective stiffness of stiffened metallic panels under combined compression and shear stress as used, e.g. in aircraft fuselages. An important criterion for sizing and certification of aircraft fuselages is the local and global buckling behaviour. For optimisation of stiffened metallic panels it is necessary to know the buckling and postbuckling behaviour as accurately as possible. Due to the fact that nonlinear FE analyses of a whole aircraft fuselage are too time consuming, a very fast quasi nonlinear FE analysis with a coarse mesh under consideration of semi-empirical methods for the effective skin-stiffness are used. At this point the effective stiffness method derived in this paper is used. Admittedly previous semi-empirical methods like the effective width method [J. Wiedemann, Leichtbau 1: Elemente, second ed., 1996; M.C.Y. Niu, Airframe Stress Analysis and Sizing, second ed., Commilit. Press Ltd., 1999] (only for pure compression load) or the method of Kuhn [P. Kuhn, J.P. Peterson, L.R. Levin, A summary of diagonal tension part I – methods of analysis, Technical Note 2661, NACA, 1952] (only for pure shear load) have disadvantages for the general combined compression and shear load case. This is improved in the current method.The first part of the paper deals with the realisation of the compression and shear test facility in a finite element model. The verification of the finite element model is important for subsequent parameter variations. The second part of the paper presents the approach of how to assess the effective skin-stiffness. In comparison to the paper in [M. Heitmann, P. Horst, D. Fitzsimmons, Effective stiffness of postbuckled stiffened metallic panels under combined compression and shear stress, J. Strain Anal. 38 (6) (2003) 534–555] many new parameters have been analysed. Therefore the new approach for the geometrically nonlinear analysis derived from the finite element results for combined compression and shear stress is considerably improved. At the end of the paper the great benefit of the new approach is shown. The results of very fast quasi nonlinear FE analyses under consideration of the new approach for the effective skin-stiffness on a coarse panel mesh agree well with the results of time expensive nonlinear FE analysis on a very fine panel mesh. Further studies are necessary to expand the new method to the influence of plasticity.     

基于舰船摇摆载荷的推进剂粘接界面疲劳损伤模型

以某固体火箭发动机为例,建立了舰船摇摆载荷作用下发动机药柱粘接界面的疲劳损伤模型。通过推进剂粘接界面定应力往复剪切试验获得了界面的疲劳损伤S-N曲线;选取残余应变为损伤变量,并根据试验数据建立了推进剂粘接界面的疲劳损伤演化模型。试验及研究结果表明,推进剂粘接界面应力幅值和疲劳破坏次数的自然对数满足方程Y=0.748exp(-X/5.663)-0.0261。推进剂粘接界面在舰船摇摆载荷作用下的疲劳损伤量与循环加载比满足方程D=0.1517(1-exp(-β/0.0386))+0.8483(1-(1-β)1.1)。     

TC4-DT焊接接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展实验及模拟研究

拉剪复合载荷作用下,构件中的裂纹呈现复杂的Ⅰ-Ⅱ复合型扩展模式,研究其扩展规律对准确评估构件疲劳寿命具有重要意义。针对TC4-DT钛合金电子束焊接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展规律开展研究,设计并加工紧凑拉伸剪切(CTS)试样,通过开展不同加载角度下接头试样的疲劳裂纹扩展实验,得到接头Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的a-N曲线及疲劳裂纹扩展路径。在上述基础上引入Ⅰ-Ⅱ复合型等效应力强度因子并结合Paris公式建立TC4-DT电子束焊接头Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展速率方程。采用扩展有限元法(XFEM)对复合型疲劳裂纹扩展过程进行数值模拟研究,得到不同加载角度下的扩展规律,并与实验结果进行比较。结果表明:不同加载角度下Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹开裂角模拟值与实验结果误差均在10%以内,并且扩展路径均与实验结果吻合;XFEM能够有效预测复合型疲劳裂纹扩展路径。