纤维增强钛基复合材料结构强度计算模型建立与修正方法

为了对SiC纤维增强钛基复合材料结构强度进行准确预测,基于宏-细观力学跨尺度分析方法,对复合材料强度进行计算。建立了复合材料层合板的有限元仿真计算模型,对复合材料层合板在横向拉伸与压缩载荷作用下的损伤演化及失效强度进行预测,并进行试验验证。建立细观力学代表体积元（RVE）模型,对模型施加周期性边界条件,实现横向拉、压载荷下基体的应力集中系数以及失效强度的计算。考虑结构实际受载中,复合材料的界面开裂对横向强度的影响,对模型进行修正,分析界面开裂的过程,计算修正后模型的应力集中系数以及失效强度,修正后的模型预测精度提升6.51%,与试验值误差为24.17%,验证了纤维增强复合材料强度计算方法的有效性。     

基于碳纳米管薄膜的复合材料在线损伤监测

考虑到纤维增强树脂基复合材料会在服役过程中因受冲击、压缩以及疲劳等因素的作用而发生损伤,基于碳纳米管薄膜优异的力电响应特性开发了一种具有在线损伤监测能力的自感知复合材料。碳纳米管可在薄膜中形成导电网络,复合材料损伤会破坏导电通路,使碳纳米管薄膜的电阻大幅度增加。通过测量自感知复合材料的边界电压并利用电阻层析成像法对碳纳米管薄膜内电导率的分布变化进行求解/成像,实现了复合材料的在线损伤监测。分别对贯穿孔损伤和I型层间断裂损伤模式进行了研究,结果表明所制备的自感知复合材料对这两种损伤模式均可实现损伤定位及图像化显示,对于贯穿孔型损伤模式可实现对面积占比0.038%的损伤进行在线监测,定位精度可达毫米级。     

碳纤维复合材料基体改性/铜网组合雷击防护性能的研究

传统碳纤维复合材料（CFRP）树脂基体导电性差易遭受雷击损伤,本文使用石墨烯-镀镍碳纤维粉作为导电填料,对树脂基体进行电导率改性,并在表面铺设铜网,进行模拟雷电流冲击试验,检验基体改性/铜网组合雷击防护效果。试验结果表明,树脂基体改性后CFRP层压板在0°、90°纤维方向及厚度方向电导率分别为1.1571×10⁴、1.0871×10⁴、204.2 S/m,分别提高1.54倍、1.16倍、433.47倍。200 kA模拟雷电流A波冲击下,无防护试件雷击附着后明火燃烧,次生效应持续,而单一铜网防护和组合防护则能抑制次生效应;无防护表面最大损伤直径14.62 cm,此能量下铜网被击穿,单一铜网防护表面最大损伤直径19.05 cm,而组合防护表面最大损伤直径8.93 cm,下降53.12%;相比无防护试件,单一铜网和组合防护内部损伤面积分别下降66.2%和96.7%。单一铜网击穿后,树脂烧蚀后产生汽化反冲,增大损伤铜网脱落面积;组合防护铜网击穿后,改性树脂迅速导走电流,减小铜网脱落和内部烧蚀面积。     

C/C复合材料喷管烧蚀壁面退移流固耦合仿真研究

为了保障固体火箭发动机C/C喷管的可靠性,建立了一套正确反映发动机喷管烧蚀过程的流固耦合计算模型,以实现对喷管烧蚀率的高精度预估。依据热化学烧蚀理论以及喷管内燃气与喷管结构体界面的质量平衡和能量平衡关系,建立并验证了考虑壁面退移的C/C喷管流固耦合方法,实现了燃气流动、异相化学反应、结构体传热三者间的耦合。通过实验发动机喷管的烧蚀计算,论证了模型的正确性,并分析了不同金属铝含量对烧蚀率的影响,计算所得的烧蚀率与实验值最大相对误差为4.3%,与不考虑壁面退移的耦合算法计算结果对比,计算精度最高可提升46%。计算结果表明：C/C喷管在喉部附近烧蚀最为严重;推进剂中Al含量的增加导致燃气中氧化组分浓度降低,进而减少了烧蚀速率,这些结论与C/C喷管烧蚀相关研究结果一致。     

2.5维编织树脂基复合材料平板多尺度动力学模型修正

在2.5维编织树脂基复合材料多尺度固有振动分析的基础上,开展基于实测结构模态数据的复合材料平板动力学模型修正研究,以获取精准反映其动力学特性的模型。首先,建立复合材料平板固有频率对弹性参数的灵敏度分析方法,分析了平板固有振动特性的主要影响因素;其次,建立基于灵敏度分析的复合材料多尺度动力学模型修正方法,形成了基于MSC.NASTRAN平台的模型修正程序。最后,利用实测结构模态测试数据,实现对复合材料平板动力学模型的修正。结果表明,对关键弹性参数进行修正后,不同边界条件和纱线走向的复合材料平板试验件固有频率实测数据与仿真数据的最大误差由10.44%下降至2.39%,相关性得到了大幅改善。此外,所提出的自由模态测试方案结合动力学模型修正方法,为复合材料等效弹性参数的试验辨识提供了新的技术途径。     

温度参数下轴编C/C复合材料的超高温热结构性能分析

为了研究轴编碳/碳（C/C）复合材料的超高温热结构性能,开展了2800℃超高温载荷下复合材料的拉伸实验,表征了复合材料组分材料的高温失效形貌;提出了立方体单胞和正六棱柱单胞的温度周期性边界条件的算法和预测复合材料等效热结构参数的方法,在材料属性各向同性正六棱柱单胞模型上验证了方法的正确性;最后建立了轴编C/C复合材料的代表性体积单元,计算了复合材料随温度载荷变化下的等效热结构参数,与实验数据进行了对比分析。分析表明：开展的轴编C/C复合材料的超高温拉伸实验,可以得到复合材料在2800℃载荷下复合材料的等效刚度值,同时分析了轴向试件和径向试件的高温失效机理,径向试件的纤维束拉伸强度对复合材料的径向拉伸强度起到决定性的作用。在应用位移以及温度周期性边界条件的基础上,提出的方法可以得到随温度载荷变化下复合材料的等效热结构参数,得出复合材料在横向满足近似各向同性的特性,预测结果表明只改变温度参数下复合材料的等效热导率不会发生改变。提出的方法同样也适用于其他编织复合材料的热结构性能研究。     

单/双轴预拉载荷对碳纤维复合材料高速冲击性能的影响研究

针对发动机工作时受预载荷的叶片受到外物冲击的情况,设计一种面内单轴及双轴预加载装置,开展单轴与双轴不同大小预拉载荷下碳纤维/环氧树脂复合材料（T700/TDE-86）的高速冲击试验,探究预拉载荷对复合材料抗冲击性能的影响,并结合超声C扫描分析预拉载荷对损伤面积的影响。结果表明：面内初始载荷对复合材料层合板抗冲击性能和分层损伤面积有显著影响;预拉载荷会提高靶板的抗弯刚度,减少靶板吸收的能量,减小弹道极限,且在双轴预拉情况下更明显;弹体击穿靶板后分层损伤面积几乎不变,而预拉载荷会减小分层损伤面积,且在双轴预拉情况下更明显。     

2.5维机织复合材料细观几何模型及刚度预测方法研究进展

本文从2.5维机织复合材料细观几何结构出发,讨论了织造及成型工艺对材料实际细观几何结构的影响,并分析了不同纱线截面及路径假设所建立代表性体积胞的优缺点。对考虑工艺因素的代表性体积胞是否具有统一性和体素单元法建模的合理性做出对比分析。在代表性体积胞的基础上,重点讨论了2.5维机织复合材料刚度的数值预测方法,并将其与刚度的理论预测方法作了简单对比。基于刚度的数值预测方法,分析了各种机织参数对刚度系数的影响,并且对比了不同代表性体积胞模型的应力场。此外,还讨论了2.5维机织复合材料叶片的建模分析技术与刚度设计方法。最后,指出了当前2.5维机织复合材料细观建模及刚度预测方法存在的问题与不足,并且对其力学性能研究的发展趋势进行了展望。     

三维五向编织复合材料的冲击压缩特性及破坏机制

利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验系统和高速摄像技术对三维五向碳/环氧编织复合材料的动态压缩特性进行研究。通过对编织角为22.3°的试样分别进行沿纵向和横向方向的冲击压缩实验,得到材料在200~1200 s^-1应变率范围内的应力应变曲线,并结合高速摄像记录的动态压缩过程,对不同应变率下材料在高速变形下的渐进破坏规律进行分析。同时,综合试样的宏观破坏特征和微观断口形貌特征,进一步分析材料的破坏模式及破坏机理。结果表明:随着应变率的增加,材料在纵向和横向均具有一定的应变率强化效应,在横向方向的应变率强化效应更为显著;不同加载方向下材料的渐进破坏过程、应力应变曲线特征以及破坏方式均具有明显差异,且随着应变率的增加而发生改变。     

空客320货舱衬板复合材料的热解和燃烧特性

使用热重分析仪和锥形量热仪在相同条件下分析对比两种试验材料空客320货舱衬板（玻璃纤维/酚醛树脂）和3240玻纤板-FR4（玻璃纤维/环氧树脂）的热解和燃烧特性。试验结果表明：空客320货舱衬板和3240玻纤板-FR4的热解分为4个和3个阶段,货舱衬板的初始热分解温度、点燃时间及燃烧时长均小于3240玻纤板-FR4。3240玻纤板-FR4的有烟时间、产烟率（RSR）及总产烟量（TSR）大于货舱衬板,且产烟率（RSR）及总产烟量（TSR）分别是货舱衬板的2倍、3.45倍;3240玻纤板-FR4的热释放速率（HRR）及总热释放量（THR）大于货舱衬板,且热释放速率峰值（pk-HRR）及总热释放量（THR）分别是货舱衬板的1.47倍、1.94倍。故空客320货舱衬板在火灾发生后对人的生命安全及飞机的运行安全危险性小。