纤维混编CMC-SiC的残余热应力计算

将SiC纤维引入到C/PyC/SiC中,有望减少因C纤维与SiC基体热膨胀系数不匹配而导致的基体残余热应力。研究了C纤维和SiC纤维混编方式和混编比例对复合材料残余热应力的影响规律。采用有限元法建模、计算了纤维混编接触分布和相间分布复合材料的残余热应力,结果表明:(1)与C/PyC/SiC比,C纤维和SiC纤维混编增强SiC基复合材料可减少SiC基体的残余拉应力;(2)相同混编比例时,纤维混编接触分布((x C-y SiC)/PyC/SiC)复合材料的基体轴向残余应力比纤维混编相间分布((x C×y SiC)/PyC/SiC)复合材料基体的小;(3)以纤维混编接触分布为例,SiC基体的轴向残余应力随混编复合材料中SiC纤维的增加而减小,但当C纤维和SiC纤维的混编比例由1∶2变为1∶4时,基体的轴向残余热应力仅从174 MPa下降到170 MPa。     

高性能TWF复合材料力学性能研究

为满足星载可展开天线反射器实现大口径、高精度、轻质量、大收纳比的目标,利用碳纤维三向编织物(Triaxial Woven Fabric-TWF)作为增强材料,与柔性基体材料硅橡胶复合,制成兼具一定柔性和刚性的复合材料壳膜结构,作为可折叠展开的卫星天线反射器。本文对硅橡胶基TWF 复合材料进行了力学性能的研究。对TWF 选取合适的体积重复单元-单胞,建立其实体有限元模型;进行了两次等效,首先由纤维和基体的材料特性得到等效纤维束的材料特性参数;然后由单胞的均匀化有限元分析,得到等效的整个TWF 复合材料特性参数,其中均匀化分析的重点为施加周期性边界条件。最后,分析了纤维体积含量对材料性能的影响。本文对该材料进行力学性能的研究,为其未来应用于大型可展开高精度天线反射器提供理论依据。     

碳纳米管增强YAST微晶玻璃连接C/C复合材料与LAS陶瓷

采用多壁碳纳米管(MWCNTs)增强YAST(Y2O3-Al2O3-SiO2-TiO2)微晶玻璃中间层的方法,以期改善LAS陶瓷/C-C复合材料接头的力学性能。实验中,采用原位生成碳纳米管和直接加入碳纳米管2种方法,制备出具有不同含量碳纳米管的中间层粉体,并将这些玻璃粉体作为中间层对C/C复合材料与LAS陶瓷进行热压连接。利用SEM、XRD等测试手段对接头的断口形貌、断口的物相组成进行了分析。研究结果表明,原位生成的碳纳米管在微晶玻璃基体中具有更好的分散性,其中间层断面具有明显的碳纳米管拔出现象,且无明显的贯穿性裂纹,其接头的平均剪切强度达到26.07 MPa。     

等参化FVDAM在复合材料湿热应力分析中的应用

在等参化有限元体积直接平均法（FVDAM）中引入等效湿胀系数,建立了复合材料湿热耦合的细观应力场分析模型。计算了湿热环境中不同纤维体积含量和湿含量复合材料的细观应力场。结果表明：湿热环境中复合材料界面径向应力最大值发生于纤维密集区的相邻纤维间的界面处,最小值出现在基体富区;初始吸湿对热残余应力有释放作用,最终吸湿的影响将超过热残余应力,界面应力状态也随之改变。计算所得细观应力场与有限元（FEM）法有较好的一致性。     

复合材料壳体固体火箭发动机温度载荷下力学响应分析

基于非线性有限元数值仿真分析方法,使用有限元计算软件ABAQUS,分别建立金属壳体与复合材料壳体两组发动机仿真模型,分析复合材料壳体固体发动机的结构完整性,并研究复合材料壳体的各项参数对于发动机装药和壳体的应力场的影响。分析结果表明:在温度载荷下,选用复合材料壳体的端燃装药固体发动机比选用金属材料壳体的发动机具有更好的结构完整性。随着复合材料壳体厚度的增大,装药的应力、应变值均增大,壳体的应力逐渐减小;随着复合材料壳体弹性模量增大或泊松比减小,装药的应力、应变逐渐减小,而壳体的应力、应变逐渐增大。     

多元多层碳纤维的设计准则初探

以自愈合碳纤维增强陶瓷基复合材料中的多元多层碳纤维为研究对象,采用ANSYS有限元软件进行建模和仿真,研究了多元多层碳纤维的韧性、层数对多元多层碳纤维承载时应力分布的影响情况,同时研究了2D正交铺设中两种铺向的多元多层碳纤维中应力分布的特点,得到了多元多层碳纤维的初等设计准则。     

层状碳纤维复合材料结构热应变光纤传感特性研究

针对高分辨率遥感卫星关键载荷复合材料支撑结构热变形光纤在轨监测需求,研究层状复合材料结构热应变光纤光栅传感特性。首先,采用有限元方法分析得出层状复合材料结构在局部热载荷作用下热应变场分布特征;然后,制作层状复合材料结构试件,建立光纤光栅热应变监测实验系统;最后,以同样尺寸的铝合金结构为对比试件,实验分析T700级碳纤维增强复合材料层压板的热应变传感特性。实验数据表明,在30～100℃范围内,碳纤维复合材料结构热应变随温度升高而近似线性增大,但其热应变量明显小于同一温度下铝合金结构热应变;碳纤维复合材料的热应变场呈各向异性分布特征,100℃时其轴向和径向应变的光纤光栅测量值分别为155.8με、181.3με,与仿真计算结果的平均相对误差为1.58%、1.52%。利用光纤光栅传感器能够有效测量碳纤维复合材料结构的热应变,研究结果可为高分辨率遥感卫星层状复合材料结构光纤在轨监测提供参考。     

预浸带铺放成型复合材料构件应力场研究

预浸带铺放过程中的温度历程和热应力对复合材料构件成型后的质量有很大的影响。基于生死单元和循环载荷方法,对预浸带铺放成型复合材料构件的应力场进行了数值模拟,利用ANSYS中间耦合方法,实现铺放过程的温度-应力耦合分析:首先对铺放过程的温度历程进行求解,然后将温度场计算结果作为热载荷进行应力场分析,得到了预浸带铺放过程中构件内部的热应力分布及成型后的残余应力,最后分析了不同铺放参数对残余应力的影响。研究结果表明:在各层中,第一层的轴向、横向热应力最大,分别为64.8、11 MPa,随着铺放进行,各层自身的热应力逐渐增大;铺放头移动速度一定,热气温度从500℃升高到700℃时,构件成型后的轴向、横向残余应力分别增大了14、5.5 MPa;热气温度一定,铺放头移动速度从10 mm/s增加到30 mm/s时,构件成型后的轴向、横向残余应力分别减小了23.6、6.12 MPa,随着铺放层数增加,铺放速度对残余应力影响越来越小。     

多脉冲固体火箭发动机陶瓷舱盖结构分析

针对多脉冲火箭发动机用陶瓷舱盖材料拉压模量不同的特性,利用ANSYS软件建立了平面轴对称有限元模型,分析了隔舱接触面上的压力与摩擦力对舱盖危险点应力的影响。结果表明,无论舱盖凸面受压还是凹面受压,轴心凸面处始终是结构的危险位置;增大结构预紧力并减小接触面的摩擦力可改善舱盖的应力分布。     

柔性基体TWF复合材料弹性性能研究

利用碳纤维三向编织物（Triaxial Woven Fabric TWF）作为增强材料，与合适的柔性基体材料（例如硅橡胶）复合，制成兼具一定柔性和刚性的碳纤维三向编织物复合材料壳膜结构，作为可折叠展开的卫星天线反射器，是一种新型的高精度可展开天线实现方案。文章对采用硅橡胶的TWF复合材料进行了弹性性能的研究。采用细观方法，通过研究纤维和基体之间的相互作用，确定复合材料宏观力学性质与组份材料特性及细观结构之间的定量联系，对表征编织复合材料结构特性的三维单胞进行了均匀化有限元分析，最终将得到整个复合材料的弹性模量。首先，考虑纤维束交织情况（起伏波动）对单胞进行了精细几何建模，通过混合规则得到纤维束的材料特性；接下来，对单胞进行了有限元的分析，施加周期性边界条件，应用均匀化的方法通过6个独立加载分析得到体积平均应力、应变，从而得到刚度矩阵，最终获得工程常数。目前国内外对于柔性基体TWF复合材料的研究较少，对该材料弹性性能的研究，为今后该材料性能的进一步深入研究打下了坚实基础。     

三维连通网状SiC/Zr基非晶复合材料的组织与性能

以多孔SiC陶瓷为增强体,采用压力-浸渗-快凝法制备了三维连通网状SiC增强Zr基非晶复合材料,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析(EDXA)研究了预制体和复合材料的相组成和原始显微组织、界面形貌及断口形貌,探讨了网络结构陶瓷预制体的特性对复合材料组织的影响,以及复合材料中的界面对其力学性能的影响。结果表明,陶瓷预制体与Zr非晶复合后形成了具有双连续相的网络交叉结构,复合材料中陶瓷与非晶合金的界面处存在增强体成分Si与基体成分Zr之间相互扩散的扩散层,该扩散层厚度为1μm左右,界面结合机制主要为扩散结合和机械结合,适中的界面强度兼顾了复合材料的强度和韧性;增强体的断裂是复合材料断裂的主要机制,非晶合金发生粘性流动,在裂纹的扩展中起到了桥接的作用。     

碳纳米管混杂环氧树脂/T700复合材料的力学性能

为了在现有原材料体系的基础上提高由树脂基体主导的复合材料力学性能,将碳纳米管与环氧树脂混合制备纳米复合树脂基体,再与T700炭纤维增强体复合,经模压成型碳纳米管混杂多尺度复合材料.实验中,采用超声工艺使碳纳米管分散于环氧树脂中,毛细管实验和金相显微镜分析结果表明,在20 kHz和30 min时,碳纳米管分散均匀,纳米复...     

交变环境温度下固体发动机药柱温度场分析

基于正弦函数型式的交变温度模型,开展了固体火箭发动机的传热分析,研究了药柱温度的时滞与分布规律;针对大长径比药柱的温度规律,基于有限元分析结果构造了等效温度算法。结果表明,大长径比药柱温度的空间分布、时滞性均与径向位置相关,轴向差异不明显;等效温度可近似由肉厚中部偏外侧(约0.58倍肉厚处)的特征点表征,其误差在2℃以内,滞后时间不超过5 min。     

固体发动机卡环连接结构大变形弹塑性有限元分析

对复合材料壳体与喷管的卡环连接结构进行了弹塑性大变形接触有限元理论分析模型的建立及有限元应力，应变数值分析。对复合材料壳体材料进行了等效正交各向异性轴对称材料模式分析；采用点点间隙单元，分析了卡环，接头及倒锥等多体接触问题。     

纤维增韧陶瓷基复合材料的比例极限应力与残余热应力关系

从细观力学角度分析并建立了纤维增韧陶瓷基复合材料从制备温度冷却到室温过程中产生的残余热应力与复合材料的比例极限应力的关系模型。该模型表明,减少复合材料的残余热应力或提高复合材料的纤维与基体的模量比,均可提高复合材料的比例极限应力。通过单调拉伸实验测试了先驱体浸渍裂解法(PIP)制备的2D SiC/SiC复合材料的比例极限应力,并采用文中建立的比例极限应力与残余热应力关系模型,计算出复合材料SiC基体的残余热应力为-19.5 MPa。分析表明,该结果是合理的。此外,引用了公开文献报道的5种复合材料体系数据,用于验证文中所建立的比例极限应力与残余热应力关系模型的适应性和可靠性,计算结果与实验结果最大误差为18.6%,表明该模型具有较好的适应性和可靠性,可为纤维增韧陶瓷基复合材料的研究提供新思路。     

碳纤维导热性的测试研究

介绍用激光脉冲法测量碳纤维轴向热导率的方法原理和测试结果。对碳纤维导热性与纤维微观结构的关系进行了讨论,提出了碳纤维轴向导热有定向效应的见解。讨论了碳纤维的导热性与碳纤维增强复合材料导热性之间的关系和碳纤维增强复合材料导热各向异性问题。     

考虑孔隙缺陷三维编织C/C复合材料渐进损伤及强度预测（英文）

为研究三维编织C/C复合材料单轴拉伸渐进损伤与失效强度,考虑了材料内部纤维增强相、基体相和界面随机孔隙缺陷,建立了三维编织C/C复合材料单胞有限元模型。基于Linde等人提出的破坏准则描述纤维束纵向拉伸剪切破坏和横向破坏,基体采用最大主应变破坏准则,界面采用双线性内聚力本构模型和二次应力破坏准则,建立了与单元特征尺度、局部应变以及断裂能相关的指数型损伤演化律。采用有限元法结合周期性边界条件模拟了材料细观损伤起始、演化与失效过程,并预测了材料轴向拉伸强度。结果表明;材料轴向拉伸强度主要由纤维棒纵向拉伸强度控制,与不考虑材料孔隙缺陷的模拟结果相比,考虑材料孔隙缺陷的强度预测值与实验值更加接近,此外,孔隙缺陷对材料拉伸强度的影响大于对拉伸模量的影响。     

耐高温纤维增强陶瓷基复合材料

本文综述了国外陶瓷纤维和基体的发展状况,并对纤维增强的陶瓷基复合材料的力学性能进行了介绍,描述了陶瓷基复合材料在航空、航天工业方面的应用前景.最后针对我国的研究现状,作者提出了加强纤维增强陶瓷基复合材料研究工作的几点建议.     

模压压力对焦炭颗粒增强沥青基炭复合材料性能的影响(英文)

采用普通液压机和新型高效的模压半炭化成型工艺,在大气环境下制备出了高密度、低成本的焦炭颗粒增强沥青基炭复合材料.研究了模压压力对焦炭颗粒增强沥青基炭复合材料的体积密度和抗压强度的影响趋势,并探讨了复合材料的体积密度与抗压强度之间的相互关系.结果表明,增大模压压力,沥青基炭复合材料的体积密度和抗压强度随之明显增加;继续增大模压压力,体积密度仍然呈上升趋势,但抗压强度却突然下降;沥青基炭复合材料的体积密度越高,其抗压强度未必也就越大.     

高压金属软管应力及参数敏感度分析

某型号发动机热试车考核中高压金属软管多次出现破坏。通过建立软管有限元模型,采用非线性有限元分析了软管应力分布和各部分承载特点,判断波峰处轴向应力是影响软管结构强度的主要因素,有限元计算结果和试验破坏部位一致,表明有限元模型的合理性。在此基础上,通过参数化建模、设计中心复合实验和进行参数敏感度分析,得出影响波峰处最大轴向应力的敏感参数,为结构参数优化提供了依据。