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。     

温度和湿度对碳纤维增强复合材料老化影响研究综述

碳纤维增强复合材料因其良好的力学、物理和化学性能，在多个工业领域获得了广泛应用。在工程应用中，关键结构的服役寿命和性能耐久性是一个不可忽视的问题。碳纤维增强复合材料通常以树脂为基体，而树脂易受环境影响发生老化，对复合材料的性能产生显著影响。本文首先介绍了环境温度对碳纤维增强复合材料性能的影响，并总结了水分扩散理论及常见的复合材料吸湿模型，然后整理了湿热耦合环境对碳纤维增强复合材料性能的影响效应，包括理论分析、试验方法以及有限元仿真等研究手段，最后讨论了碳纤维增强复合材料在湿热老化研究方面存在的问题和挑战，并对可行的研究方向进行了展望。     

湿热环境下复合材料层合板振动与声辐射特性分析

研究了湿热环境中正交各向异性复合材料层合板结构受简谐激励作用的振动和声辐射特性。考虑了湿热应力和质量效应,利用一阶剪切变形理论和模态叠加法推导出四边简支层合壁板的固有频率计算公式,并采用Rayleigh积分得到其在简谐激励下的声辐射特性公式。基于湿热膨胀的等效性获得不同湿热环境下复合材料层合板的等效热膨胀系数,并进行有限元数值模拟,对理论公式进行了验证。算例结果表明,湿热环境导致复合材料层合板产生湿热应力,使得固有频率减小;单层板的振动特性对湿度和温度的变化更敏感;随着湿度和温度的增加,简谐激励作用下的复合材料层合板的振动速度响应、辐射声压级(SPL)、辐射声功率和声辐射效率曲线的波峰逐渐向低频方向移动,同时声辐射效率随之降低;低阶固有频率受湿度和温度的影响更加明显,声辐射特性曲线中低阶模态的波峰移动更显著。     

含穿透型损伤层合板修理构型的湿热振动特性

通过理论推导和数值仿真研究了湿热效应对碳纤维复合材料层合板不同修理构型的振动特性影响。基于哈密顿原理和一阶剪切变形理论,同时考虑温湿度场的等效原理建立了湿热环境下多自由度复合材料层合板的本构方程,并利用有限元法推导了层合板在湿热作用下的振动控制方程。利用商用软件ABAQUS建立了阶梯型胶接修理模型,从振型分析的角度对比了含、不含附加补片的单/双面胶接修理构型的振动特性,并讨论了温度、湿度、温湿度对不同修理构型振动特性的影响。结果表明：湿热效应影响下铺设附加补片可避免胶接区域局部变形过大,在提高结构的刚度和稳定性的同时延缓湿热屈曲现象的发生;含有附加补片的双面胶接修理构型可避免结构产生附加弯曲,提高修理后结构的稳定性;温湿环境共同作用比湿环境、热环境单一作用对复合材料层合板固有频率的影响大,且含附加补片的双面胶接修理构型较单面胶接修理构型对温湿度影响的敏感性低。     

几种碳纤维/双马树脂复合材料湿热特性实验研究

 针对碳纤维/双马树脂体系,研究了不同湿热条件、不同碳纤维种类和预浸料制备方法下复合材料层板的湿热特性,通过考察吸湿量、动态力学性能、弯曲性能及其断口形貌等方面分析了各因素对复合材料吸湿特性的影响规律。结果表明,在实验范围内不同湿热条件下水分主要引起复合材料发生了物理变化,而没有发生明显的化学变化;国产T300级碳纤维复合材料湿热性能偏低,这与其界面粘结性能较弱有一致性;与干法预浸料相比,湿法预浸料制备的复合材料层板湿热性能明显偏低,说明溶剂对双马树脂复合材料的界面性能和吸湿性有重要影响。     

飞机复合材料结构的湿热老化效应

根据我国气候环境和要研型性性能,编制了适用于军机复合材料结构的标准加速湿热老化谱,并系统研究了国产材料体系的老化效应,得出了指导和修改结构设计的有益结论。     

CF3052/5284RTM 复合材料湿热性能

通过对CF3052/5284RTM复合材料进行试验研究,测定其在不同湿热条件下的基本力学性能,分析湿热条件对基本力学性能的影响。结果表明:湿热环境对该复合材料力学性能的影响程度不一,其中湿度的作用较温度更加明显;该复合材料在高温湿态条件下保持了较高的拉伸和纵横剪切强度,具有综合力学性能好、耐湿热性能好等优点。     

湿热环境对复合材料层间断裂韧性的影响规律及其机理

层间断裂韧性是表征复合材料抗层间分层扩展能力的主要指标,湿热环境是飞机复合材料结构面临的主要严酷环境,研究湿热环境下的层间断裂韧性在航空领域具有重要意义。通过不同湿热环境条件下的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性实验,分析其微观结构,获取湿热环境对树脂基复合材料层间断裂韧性的影响规律和湿热环境对层间断裂韧性的影响机制。结果表明：湿热环境会对树脂基复合材料Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性产生截然相反的影响,随着温度上升,树脂基复合材料层压板Ⅰ型层间断裂韧性呈上升趋势,而Ⅱ型层间断裂韧性呈下降趋势;Ⅰ型分层时会发生大量纤维桥联现象,湿热环境下树脂发生软化,纤维桥联现象增多,导致Ⅰ型层间断裂韧性随温度升高而提高;湿热环境下随着温度的升高,树脂的剪切强度会逐渐降低,树脂与纤维的界面剪切强度也会逐渐降低,导致Ⅱ型层间断裂韧性随温度升高而降低。     

复合材料修复铝合金薄板的湿热特性

采用真空袋压技术将T300/CYD128复合材料补片胶接修复于含中心裂纹的铝合金1.76 mm薄板。研究了实验室模拟湿热环境对复合材料修复铝合金薄板的力学性能影响,修复用复合材料的吸湿特性,以及修复用复合材料拉伸试样及其基体树脂浇铸体的湿热性能。结果显示,浇铸体饱和吸水率为0.9%,复合材料吸湿动力学曲线则出现台阶;随湿热老化时间延长,浇铸体与复合材料拉伸性能先升后降,其性能峰值出现时间分别为500 h(73.9 MPa)和300 h(1 531 MPa);随湿热老化时间延长,铝合金裂纹板拉伸性能基本呈线性下降,断裂载荷下降速率ΔN=0.12 kN/100 h,修复板性能出现波动。     

循环湿热老化对T700/TDE86碳纤维复合材料 层间断裂韧度的影响

对T700/TDE86碳纤维增强树脂基复合材料进行加速循环湿热老化实验,研究不同循环湿热老化天数对Ⅰ型张开以及Ⅱ型滑移两种层间断裂韧度的影响。结果表明:循环湿热老化之后的复合材料Ⅰ型层间断裂韧度出现明显的R曲线,且随着循环湿热老化天数的增加,裂纹初始扩展能量释放率(GIC,init)与裂纹稳态扩展能量释放率(GIC,prop)都获得了大幅提升;复合材料Ⅱ型层间断裂韧度随着循环湿热老化天数的增加,呈现阶梯状下降的趋势,而且在循环湿热老化前期,下降幅度最大,为21.68%。     

一种准确预测层合梁结构层间剪应力的新锯齿理论

层合梁是航空航天领域典型的承力构件,而过大的层间剪应力（层间处的横向剪应力）是导致其分层失效的主要原因。针对常见的层数较多的复合材料层合梁以及材料属性差异较大的三明治夹层梁,现有的理论模型仍然无法准确预测其横向剪应力。通过构造一个新的线性分段锯齿函数,提出了一种能够准确预测层合梁结构横向剪应力的新锯齿理论模型。几个典型的数值算例表明,本文提出的新锯齿理论模型在计算层数较多和材料属性差异较大的层合梁时,具有较高的计算精度,能够准确预测层合梁的分层。另外,该模型预先满足横向剪应力层间连续条件,无需三维平衡方程后处理就能够准确预测层合梁的横向剪应力。位移场中未知量个数少,不含横向位移的一阶导,便于C⁰梁单元的构造。     

基于三角剪切变形理论的对称层合板振动分析

根据三角剪切变形层合梁理论,推导出对称复合材料层合板的运动微分方程,利用逆复合二次径向基函数无网格配点法对运动微分方程进行离散,预测了对称复合材料层合板的自由振动特性。将不同材料参数、几何尺寸的层合板固有频率计算结果与相关文献中的结果进行对比,结果表明：用逆复合二次径向基函数离散的三角剪切变形理论在对称复合材料层合板自由振动分析方面具有一定的精度。     

基于数值仿真的飞机雷电流传导通路评估方法

飞行器的雷电防护设计和验证是保障飞行员及飞机安全的必要措施,尤其是随着雷电防护能力较差的复合材料广泛应用。复合材料对雷电流的传导能力远弱于金属,需要为雷电流传导提供额外的通路。本文从国内相关研究极少提及的飞机内部结构电磁建模出发,提出一套飞机内部结构的电磁建模及精度控制方法;构建 F22 飞机左机翼到右机翼的内部金属结构作为雷电流传导通路,基于通用电磁仿真软件进行飞机雷电间接效应仿真;对复合材料蒙皮、金属网蒙皮、金属网蒙皮加内部金属结构三种情况下飞机内部的电磁场及线缆耦合仿真结果进行对比。结果表明:合理的雷电流传导通路设计能够使飞机内部线缆感应的电流强度减半,起到良好的雷电防护效果;该评估方法适用于固定翼飞机的雷电流传导通路设计,能够作为飞机机载设备雷电间接效应试验指标分配的参考依据,便于定位飞机雷电间接效应防护的薄弱环节。     

航空发动机复合材料机匣屈曲特性的有限元分析

复合材料是60年代出现的一种性能优异的新型材料,目前复合材料在航空航天结构领域里已得到了一些的应用。本文利用线性板壳理论和线性屈曲模型,针对某航空发动机树脂基复合材料外涵道机匣构件及此材料层合板进行结构有限元建模与屈曲特性的有限元分析,以期为航空发动机的结构设计提供参考依据。      

陶瓷基层状复合材料超塑成形数值模拟与实验研究

为研究陶瓷基层状复合材料的超塑性能,对其超塑拉深成形过程进行了有限元模拟。结果表明,由超塑性能差异较大的不同陶瓷材料构成的层状复合材料的应力应变状态明显优于相应单一陶瓷材料,因此,很有可能具有优异的超塑性。采用流延制膜和热压烧结工艺制备了Al2O3/3Y-TZP层状复合材料,通过高温拉深实验对该材料进行了超塑成形性能研究。实验表明,当采用合适的应变速率和变形温度时,Al2O3/3Y-TZP层状复合材料具有优良的超塑性能,从而证实了有限元模拟的结论。     

复合材料叠层板壳材料非线性有限元分析

 本文采用通用于复合材料叠层厚、薄板壳的Heferosis三维退化曲壳元,利用Hill屈服准则和层状模型法,研制了针对金属基复合材料叠层板壳进行弹塑性分析的超参元程序。算例结果表明,叠层板壳分析方法和所编程序是可靠的,精度良好。     

基于热力耦合层合板雷击损伤特性分析

为研究复合材料层合板在雷电流作用下的烧蚀损伤力学特性,建立复合材料雷击热力耦合有限元分析模型,与文献实验结果对比验证模型的有效性。根据Hashin三维失效准则编写用户材料子程序,分别得出层合板雷击烧蚀区域周围出现的力学损伤、各层力学损伤分布以及首层在不同方向上的应力分布,分析得出层合板的烧蚀损伤随雷电流持续时间的变化规律。结果表明:由于存在较高的温度梯度,导致层合板出现较大的热膨胀应力,进而导致层合板内部产生各种力学损伤,即基体开裂、分层及纤维断裂;雷击电流施加时间、峰值电流与温度场均对层合板烧蚀面积产生较大的影响。     

Topology optimization of compliant adaptive wing leading edge with composite materials

An approach for designing the compliant adaptive wing leading edge with composite material is proposed based on the topology optimization. Firstly, an equivalent constitutive relationship of laminated glass fiber reinforced epoxy composite plates has been built based on the symmetric laminated plate theory. Then, an optimization objective function of compliant adaptive wing leading edge was used to minimize the least square error（LSE） between deformed curve and desired aerodynamics shape. After that, the topology structures of wing leading edge of different glass fiber ply-orientations were obtained by using the solid isotropic material with penalization（SIMP） model and sensitivity filtering technique. The desired aerodynamics shape of compliant adaptive wing leading edge was obtained based on the proposed approach. The topology structures of wing leading edge depend on the glass fiber ply-orientation. Finally, the corresponding morphing experiment of compliant wing leading edge with composite materials was implemented, which verified the morphing capability of topology structure and illustrated the feasibility for designing compliant wing leading edge. The present paper lays the basis of ply-orientation optimization for compliant adaptive wing leading edge in unmanned aerial vehicle（UAV） field.     

复合材料层合加筋板结构的后屈曲强度及破坏研究

 对于复合材料加筋层合板结构提出了一个逐步破坏的分析模型，它包含结构总体变形的几何非线性分析和结构内部材料局部损伤破坏的分析及其两者的相互作用。基于这一模型采用非线性有限元分析方法，研究了在压剪载荷作用下层合板结构的屈曲、后屈曲路径和破坏时极限载荷。