2.5D机织复合材料悬臂梁振动疲劳实验与有限元模拟

2.5D机织碳纤维增强树脂基复合材料以其在力学性能和复杂构件成型两方面的综合优势,在大涵道比商用涡扇发动机风扇叶片方面具有巨大的应用前景。对发动机风扇叶片来说,振动疲劳是一种不可忽视的工况条件,目前2.5D机织复合材料振动疲劳方面的实验与数值预测模型十分有限。本工作针对一种模拟发动机叶片根部的2.5D机织复合材料悬臂梁结构,建立一阶弯曲振动疲劳行为模拟的多尺度模型,并基于固定周期跳跃的疲劳加载模拟方法,结合主导疲劳失效机制的损伤萌生准则和疲劳刚度退化模型,开展2.5D机织复合材料经、纬向试件振动疲劳实验过程的模拟。基于建立的多尺度模型分析试件危险部位单胞内的应力场,预测经、纬向试件振动疲劳实验后的损伤状态。数值模拟结果与实验后的断口形貌观测结果吻合,验证了本工作提出的2.5D机织复合材料振动疲劳多尺度预测模型的有效性。基于提出的振动疲劳多尺度预测模型,对随着疲劳加载次数累积经向试件工作段单胞内的损伤状态进行了仿真,揭示了2.5D机织复合材料振动疲劳损伤的演化机理。     

复合材料Ω形加筋壁板低速冲击渐进损伤及剩余强度分析

研究复合材料Ω形加筋壁板结构在不同能量及位置的低速冲击作用下的渐进损伤及其冲击后剩余强度具有重要意义。通过编写VUMAT子程序,将选择的三维Hashin失效准则及刚度退化模式加入渐进损伤模型中并与文献中试验进行对照,进一步研究不同冲击位置及不同冲击能量对于模型冲击载荷、渐进损伤及剩余强度的影响。结果表明,在加强筋中央位置处冲击对结构剩余强度影响最大;相同冲击位置处,冲击能量越大,结构损伤越严重,剩余强度越小。这为复合材料Ω形加筋壁板的结构设计提供了参考。     

基于ABAQUS二次开发的直升机桨根快速建模方法及应力分析

随着新构型直升机技术的发展,对直升机桨叶有限元仿真技术的要求也越来越高。参数化建模仿真方法能够降低有限元法仿真技术的使用难度,对桨叶快速化、精细化设计具有重要意义。本文基于ABAQUS二次开发方法构建了一种适用于直升机桨叶根部段的快速建模方法,在有限元建模过程中参数化建立材料属性和接触属性,完成直升机复合材料桨叶根部段的快速化仿真分析。利用该方法对某直升机桨根进行应力计算,与常规建模方法相比,快速建模方法有效提高了建模效率,保证了仿真结果的一致性。快速建模方法仿真结果与常规建模方法仿真结果相比应变误差不超过1%,快速建模方法与试验结果相比应变误差不超过10%,常规建模与试验结果应变误差不超过91%,验证了该方法的可靠性。     

连续纤维增强钛基复合材料整体叶环的超声检测试验研究

本文结合连续纤维增强钛基复合材料（TMCs）整体叶环的制备工艺和结构特点,重点分析了TMCs整体叶环内部质量的超声检测难点,并通过对特定尺寸TMCs整体叶环的超声检测试验及解剖对应分析,确定了纤维碎断、纤维束开裂、纤维屈曲、纤维挤出及焊缝处开裂（未焊合）等可能存在的主要缺陷类型及超声回波信号特征。试验结果表明,基于适当的超声检测工艺参数对TMCs整体叶环的内部质量进行检测,检测灵敏度可达Φ0.8 mm当量平底孔。     

复合材料层压板疲劳性能评估的模型和方法

复合材料层压结构的单轴和多轴疲劳性能研究已在表征模型和方法等方面取得了显著进展。针对纤维增强复合材料层压板疲劳性能的分析预测,综述了疲劳损伤演化的曲线模型、剩余刚度模型、剩余强度模型、疲劳模量模型和S–N曲线模型的研究进展,对疲劳失效判据和疲劳寿命预测的模型和方法进行了总结和分析,并就疲劳研究的不足进行了综合阐述。研究表明,疲劳损伤演化和寿命预测的理论模型多为宏观唯象模型,很少涉及微细观损伤形式和机理;针对多向层合板寿命预测的有限元方法虽然具有广泛适用性,但是还不足以模拟复合材料的真实损伤路径和历程。在此基础上,对后续复合材料疲劳损伤及寿命研究的重点方向进行了展望。     

CFRP层合板力学性能数值模拟的研究进展

碳纤维增强聚合物基复合材料（Carbon fiber reinforced polymer,CFRP）具有高比模量、高比强度及耐疲劳等优异的性能,被广泛应用于各个领域。但由于其具体的使用环境较为复杂,在服役的过程中易造成损伤而形成安全隐患,为此国内外学者针对CFRP层合板的力学性能进行了研究。本文从冲击损伤、分层损伤、高低温及湿热老化和多场耦合损伤4个角度对CFRP层合板力学性能模拟研究进展进行系统综述,并详细阐述了基于虚拟裂纹闭合技术（VCCT）、内聚力模型（CZM）和渐进损伤本构模型（PDM）等先进数值分析方法模拟CFRP层合板损伤机理的研究现状。通过对比不同的有限元模拟方法,指出其优势及存在的问题,并对CFRP层合板力学性能模拟未来的研究方向进行了展望。     

连续纤维增强复合材料3D打印技术现状及展望

纤维增强复合材料因其轻量化、高强度和高设计自由度等优点一直备受航空、航天和汽车等领域的青睐。3D打印是实现连续纤维增强复合材料快速化、个性化和复杂化结构制备以及突破传统制造方法限制的有效途径之一。本文综述了连续纤维复合材料3D打印技术的基本原理、方法分类和研究进展,从成型的材料、工艺、性能和机理等方面进行综述,并对混杂连续纤维增强复材3D打印、多自由度3D打印及其路径规划提出了展望。     

连续碳纤维增强聚苯硫醚复合材料模压成型的表面质量研究

模压是热塑性材料制备产品时的一项重要工艺,而模压成型的表面质量是产品整体质量评估的重要参考。本文通过对聚苯硫醚碳纤维预浸料基本特性研究,采用自行设计的直角模具及温控系统对缎纹织物预浸料、单向预浸料进行了模压试验,综合考虑了加热温度、模具温度、冷却时间、压力、铺层与折弯角对塑型表观的影响。结果表明,预浸料在特定的温度范围内更利于树脂的浸渍,同时可保持在一定的黏度下还不发生外流;降温与压力的合理配合能使成型表面更加平整光亮,单向预浸料铺层形式会影响模压成型的表面质量,而织物预浸料影响较小;模压成型时,产品的局部形状变化更容易产生质量缺陷,应尽量避免尖角或大曲率过度设计。     

颗粒增强钛基复合材料磨削试验与仿真研究

采用单层钎焊CBN砂轮开展了颗粒增强钛基复合材料（PTMCs）磨削试验,对比研究了在磨削TC4钛合金和PTMCs时,磨削用量对磨削力与磨削温度的影响规律,利用有限元仿真研究了PTMCs材料去除演变过程。结果表明,磨削过程中PTMCs的磨削力较TC4增加了15%～30%,磨削温度提高了7%～11%,PTMCs比TC4钛合金更难加工;PTMCs材料去除过程为TC4基体材料的延性去除和Ti C增强颗粒的脆性去除,脆性去除形成了磨削表面孔洞缺陷;当磨削速度从120 m/s降到20 m/s时,磨削表面孔洞缺陷深度由0.8μm增至3.5μm,增加了约3.4倍;提高磨削速度可以降低增强颗粒脆性去除对PTMCs磨削表面孔洞缺陷的影响程度。     

连续纤维增强SiC基复合材料界面相力学及抗氧化改性研究进展

综述了近年来SiC基复合材料的裂解碳（PyC）及其衍生物、BN及其衍生物、新型界面相和复合界面相的力学及抗氧化性能改性效果、相关影响因素及不足之处,比较了几类常见的界面相制备工艺。其中,PyC界面相力学改性效果好但抗氧化性差,添加B元素仍难以克服其本征不耐氧化性;BN界面相综合性能佳,但具有中温脆性且不防潮;复合界面相优势众多,但热膨胀系数失配、化学相容性差等问题不可忽视;新型界面相在性能或制备方式上难以兼顾。未来的发展方向为完善性能数据库和损伤机理、探索更多新型界面相类型,以及深入挖掘现有界面相制备工艺的潜力等。