三维五向编织复合材料强度的有限元分析

在已有三维五向编织复合材料单胞实体模型的基础上,基于等应变假设和最大应力失效准则,采用3D有限元法建立了三维五向编织复合材料的拉伸强度有限元分析模型。利用该模型计算了试件的拉伸强度,与现有实验数据进行对比,吻合较好。数值模拟表明:三维五向编织复合材料主要的拉伸失效形式为轴纱的正应力破坏,与已有文献的观测结果一致。     

考虑孔隙的三维编织陶瓷基复合材料弹性常数预测方法

提出了利用气孔单元并考虑基体孔隙随机分布来预测三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的方法.通过工业computed tomography(CT)扫描技术测得孔隙率,在胞元模型中利用Monte-Carlo仿真技术在基体上随机投入气孔单元来模拟三维编织陶瓷基复合材料中的孔隙,利用胞元有限元模型计算了孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的影响规律.结果表明:①孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数具有明显的影响;②对给定的孔隙率,孔隙的位置分布对沿纤维束方向弹性模量的影响较小;③随着孔隙率增加,沿纤维束方向弹性模量降低.同时,开展了SiC/SiC复合材料的室温拉伸试验,弹性模量计算值和试验结果吻合较好,表明该方法可以用来预测含孔隙的三维编织陶瓷基复合材料的弹性常数.      

非周期性三维五向编织复合材料拉伸失效机理

以三维五向结构为研究对象,设计减纱工艺形成非周期性特征,进而制备碳纤维/环氧树脂三维五向编织非周期性结构复合材料。采用万能试验机与高速摄像机相结合的测试方式,获取非周期性结构拉伸力学行为及试验过程;在此基础上,通过高分辨率Micro-CT及SEM对非周期性结构试样破坏形貌进行观测,研究渐进损伤演化及最终失效机理,并与周期性结构的结果进行对比。研究表明:非周期性三维编织复合材料拉伸强度比相同结构参数周期性材料的测试值低16. 84%,损伤源于减纱处,形成了应力集中,最终破坏模式以纤维束抽拔断裂为主。该研究结果可为异型编织复合材料结构设计及强度分析提供依据。     

三维五向碳/酚醛编织复合材料的拉伸性能及破坏机理

 对不同编织角、不同体积含量的三维五向碳/酚醛编织复合材料进行了纵向（编织方向）拉伸实验和横向拉伸的对比实验,获得了这些编织复合材料的主要拉伸力学性能。实验后对拉伸试件的断口进行了照相和扫描电镜观察,分析了材料的变形及其破坏机理。实验结果表明: 编织角仍是影响三维五向编织复合材料拉伸力学性能的主要因素,并且复合工艺的质量对复合材料的力学性能有重要影响。此外,发现三维五向碳/酚醛编织复合材料的横向拉伸与纵向拉伸具有完全不同的破坏机制。     

含界面脱粘三维五向编织复合材料单向拉伸损伤失效机理研究

建立了含界面脱粘的三维五向编织复合材料单向拉伸损伤分析有限元模型.将Tsai-Wu强度准则用于纤维束损伤判断并确定材料失效模式,结合Murakami损伤张量表征材料各向异性损伤,根据失效模式进行材料性能退化;界面相和基体分别采用Quads准则和Mises准则作为失效判据,引入刚度折减;建立了五向编织复合材料的损伤预测模...     

三维编织复合材料内部应变场有限元计算与原位测量

三维编织复合材料被大量用于航空结构设计,在航空服役过程中需承受各种复杂载荷。测量三维编织复合材料内部原位应变,将其应用于建立材料失效预警系统和结构强度设计。在三维编织复合材料内部埋植光纤Bragg光栅传感器和在材料表面粘贴应变片,同时测量结构内部和表面原位应变。构建均质模型和细观结构模型,采用有限元方法分析内部原位应变场分布,有限元分析结果和试验测量结果吻合性较好。发现在准静态单轴拉伸载荷作用下,三维编织复合材料不同位置原位应变值产生变化。三维编织复合材料轴向正中间截面应变分布较为均匀;内单胞处原位应变略大于面单胞处原位应变(最大差值约0.08%);外表面原位应变大于面单胞处原位应变(最大差值约0.1%)。在三维编织复合材料航空结构设计中,需要充分考虑并合理使用三维编织复合材料不同位置的应变值,使材料设计和利用效率最大化。     

三维全五向编织复合材料的切边效应

对切割与未切割的三维全五向(3DF5D)编织复合材料进行了纵向拉伸力学性能研究。首先分别对2种编织角下3种不同情况(未切割、沿厚度方向切边和沿宽度方向切边)的试件进行了力学性能实验,实验结果表明,沿着厚度方向切边使材料的刚度和强度分别下降了约10%和25%;沿着宽度方向切边使材料刚度和强度分别下降了约3%和18%;进一步通过有限元数值模拟对上述实验过程进行了仿真计算,得到了单胞的损伤演化过程、破坏机理以及应力-应变曲线。最后对实验结果和计算结果进行了对比,结果显示二者吻合良好。研究结果表明,三维全五向编织复合材料的编织角越大,拉伸刚度和强度会越小;试件尺寸越大,厚度方向和宽度方向切边的影响越小,并趋于定值。     

三维编织工艺参数对复合材料拉伸性能的影响

通过一系列的实验比较和分析研究 ,客观地评价了三维编织工艺参数对复合材料拉伸性能的影响。实验结果表明 :三维编织复合材料具有良好的力学性能 ,纤维表面编织角、纤维体积分数和纤维束细度对复合材料拉伸性能有较大的影响     

三维四向C/C复合材料高温氧化环境强度预测

在细观尺度下,基于逐渐损伤理论,建立了一种三维四向C/C复合材料高温强度预测模型。模型考虑了纤维束挤压后的截面形状、单胞的周期性以及纤维束和基体的脱黏等因素,引入考虑温度的三维Hashin失效准则进行单元的失效判定,预测了三维四向C/C复合材料室温和有防氧化保护700 ℃的拉伸强度。为了将模型发展到高温氧化环境,建立了考虑氧化速率的纤维束高温氧化环境力学性能退化模型,结合纤维束和单向板力学性能等价性原理,实现了无防氧化保护下三维四向C/C复合材料700 ℃拉伸强度的预测。研究了切边加工对三维四向复合材料强度的影响,建立了考虑切边宽度的切边三维四向复合材料强度预测模型,预测了有、无防氧化保护切边宽度为18 mm的三维四向C/C复合材料拉伸强度。结果表明:对非切边试验件在室温、有防氧化涂层700 ℃和无防氧化涂层700 ℃的预测误差分别为5.51%、7.20%和7.13%,拉伸过程的应力-应变曲线与试验结果吻合度较好;对切边试验件在室温和有防氧化涂层700 ℃的预测误差分别为0.88%和4.53%。多种类的算例表明预测模型合理、可靠。      

2.5D编织复合材料细观结构及弹性性能

基于对2.5D编织复合材料细观结构的观察,提出了结构上更稳定的三维力学模型,反映了2.5D编织复合材料的结构.针对该模型,推导了纤维体积分数与几何参数之间的关系,并采用刚度平均法和有限元法预测了2.5D编织复合材料的等效力学性能,分析了弹性常数随纤维体积分数以及经密、纬密的变化规律.两种方法的预测结果均表明,倾斜角对弹性性能影响并不显著,但对材料内部的细观应力场有较大影响.理论预测与有限元结果吻合较好,从而验证了模型的有效性.     

复合材料三维编织工艺计算机辅助设计

复合材料三维编织技术经过近几年的发展，得到了显著的提高。本文论述运用计算机进行三维四步法编织工艺辅助设计，主要包括编织挂纱核子运动分析、织物结构模型和工艺计算三部分，文章分别从设计原理、设计思想、程序流程三方面进行说明。经使用证明，所开发的CAD软件具有实用性、合理性和高可靠性等优点。     

冷等离子体处理对碳纤维缝编织物/环氧复合材料界面性能的影响

采用冷等离子体对碳纤维缝编织物进行表面处理 ,并采用XRD对处理前后的碳纤维表面结构进行了分析 ,研究了冷等离子体处理对浸润性以及碳纤维缝编织物 /环氧复合材料的层间剪切强度的影响。实验结果表明 ,冷等离子体处理提高了碳纤维表面活性、浸润性 ,从而改善了碳纤维缝编织物 /环氧复合材料的界面粘结性能 ,进而改善了复合材料的界面性能。     

树脂基三维机织复合材料结构与力学性能的关系研究

通过拉伸、弯曲、压缩等实验,评价了4种不同结构的三维机织角联锁织物增强的碳/树脂基复合材料结构与力学性能的关系.结果表明:对于纤维体积含量相近的4种不同结构的3D机织复合材料而言,它们之间的拉伸、弯曲、压缩性能差异很大,在2倍左右;衬经纱和衬纬纱可以显著改善力学性能;纤维与树脂之间的界面破坏-脱粘是3D机织复合材料最先发生失效的形式;带衬经衬纬的No.1结构复合材料的综合力学性能最佳.可以推断,改进界面结合力能大大提高3D机织复合材料的力学性能.     

三维整体编织碳/酚醛复合材料烧蚀表面状态测试与分析

为了更好地研究三维整体纺织碳／酚醛复合材料的成型工艺对材料烧蚀性能的影响，选用不同纤维体积分数和不同编织结构的碳／酚碳复合材料试样，进行烧蚀试验，利用TalyScan150型表面粗糙度测试仪对试样烧蚀后的表面进行测试，并采用多种分析方法对测试结果进行分析。从分析结果可以看出三维四向结构的碳／酚醛复合材料随着纤维体积分数的增加，烧蚀性能变好，较低纤维体积分数（50％）的三维五向结构碳／酚醛复合材料具有较好的烧蚀性能。     

F—12/CF混杂复合材料纵向拉压性能研究

研究了F－12与HTA－P30碳纤维混杂复合材料纵向拉压性能，结果表明，该混杂复合材料体系的纵向拉伸强度均低于混合定律的预测值，表现出明显的混杂负效应，而纵向压缩强度表现出混杂正效应，且拉伸强度的混杂效应比压缩强度的大，材料的拉压破坏模式发生改变。     

单向带/平纹布混杂铺层层合板极限强度研究

单向带/平纹布混杂铺层方式常用于复杂复合材料结构的制备,对其极限强度进行研究具有重要的工程应用价值.把三维有限元方法和优化设计思想结合起来,建立了一种复合材料极限强度分析方法,该方法可基于通用有限元分析软件ANSYS实现.为验证该方法的有效性,实验制备了单向带/平纹布混杂铺层层合板进行了拉伸和压缩实验.结果表明该方法用于混杂铺层层合板极限强度预测,最大偏差在15%以内,满足工程应用要求.      

抗氧化处理对3D C/C复合材料性能的影响

研究了采用化学气相反应法制备的SiC抗氧化涂层对3D整体编织C／C复合材料的密度、力学性能以及微观结构的影响。结果表明，3D C／C复合材料经抗氧化处理后，其密度、开孔率以及力学性能均有不同程度的提高。由SEM微观结构可以看出，其力学性能提高是由于气态Si渗入到材料基体内部，并与内部的C反应生成SiC，在一定程度上弥合了材料中的缺陷所致。     

原位聚合法制备三维编织纤维增强尼龙复合材料

选择液态原位聚合法成功地制备出性能较好的三维编织碳纤维增强尼龙6复合材料(C3D／PA6)及三维编织芳纶纤维增强尼龙6复合材料(K3D／PA6)；并对两种复合材料的力学性能进行了比较。研究发现，C3D／PA6的弯曲强度和弯曲模量均高于K3D／PA6，而K3D／PA6则比C3D／PA6具有更高的抗冲击强度和剪切强度。     

用于复合材料成型的硅橡胶气囊的使用寿命评估

为考察用于复合材料成型的硅橡胶气囊的使用寿命，模拟气囊的实际应用条件，利用热老化后的硅橡胶的拉伸强度、撕裂强度和硅橡胶与试件的剥离强度相对比来评估。试验表明：1453D硅橡胶老化100次后拉伸强度和撕裂强度都远远大于其剥离强度，推测其力学性能能够满足使用100次的要求，因此可推荐用硅橡胶气囊代替金属芯模用于复合材料成型工艺中。