有拧紧力矩复合材料单钉接头疲劳寿命预测

通过对有拧紧力矩复合材料单钉接头疲劳加载过程应力分析及材料三维疲劳失效准则损伤判定,并结合建立的疲劳加载材料退化模型、材料性能退化方法及复合材料接头最终失效判据,建立了基于三维累积损伤分析的层合板接头疲劳载荷作用下寿命预测方法。最后,对拉-拉疲劳载荷作用下有拧紧力矩层合板接头的疲劳寿命及破坏模式进行了模拟分析,并与试验结果进行了对比,结果表明,建立的寿命预测方法能够很好地预测有拧紧力矩复合材料单钉接头的寿命以及破坏模式。     

高应力水平下T700/MTM46复合材料层合板拉-拉疲劳性能研究

本文研究了T700/MTM46复合材料层合板在高应力水平下的拉-拉疲劳性能。首先开展了层合板静拉伸试验研究,得到了静拉伸强度、模量和破坏应变,各项静力性能指标分散性小,静力破坏模式以小范围内的脆性断裂为主。然后根据得到的静强度确定疲劳应力水平,开展层合板拉-拉疲劳性能试验研究,各应力水平下疲劳寿命分散性大,且并没有随应力水平高低表现出规律性;疲劳破坏模式以分层失效为主,几乎整个工作段长度内都出现了严重的分层现象;疲劳应力水平越高,破坏时刚度下降程度越小,且归一化刚度退化曲线表现出"快-慢-快"三阶段性;疲劳过程中损伤起源于90°层,且在疲劳过程中该层内的损伤扩展最为严重,0°层的损伤出现最晚,但是0°层纤维断裂预示着即将发生灾难性的疲劳破坏。     

国产碳纤维CCF300增强QY8911双马树脂含孔复合材料拉压疲劳试验研究

碳纤维树脂基复合材料（CFRP）层合板的疲劳性能决定了结构的安全性和可靠性。其寿命预测的研究具有重要的工程意义。依据碳纤维复合材料拉压疲劳试验标准,对含孔国产碳纤维CCF300／QY8911复合材料进行了5个不同应力水平下拉压疲劳试验,分析了疲劳试样断口,表征了中央含孔国产碳纤维CCF300／QY8911复合材料在疲劳载荷作用下的破坏过程,获得含孔复合材料层合板的条件疲劳极限,在此基础上,建立了复合材料的S-N曲线。利用该曲线可对中央含孔复合材料进行疲劳寿命预测。10^6下的条件疲劳极限为平均应力的48％（即150．3MPa）。     

T700/LT-03A层合板在不同环境下的拉伸性能研究

在室温、低温和湿热三种环境下,对碳纤维层合板分别开展了静力和拉-拉疲劳试验。得到了T700/LT-03A层合板的拉伸性能和破坏机理。在抗拉强度和抗疲劳性能方面,室温环境优于其它两种环境。试验和模拟结果表明:T700/LT-03A层合板在三种环境下的应力结果较为接近;与室温环境下的结果相比,低温和湿热环境下层合板的应力分别减少了3.37%和4.3%,而湿热环境下层合板的应力增大了5.69%。环境对该层合板的疲劳性能影响较大。研究成果对碳纤维复合材料的工程应用提供一定的参考。     

开孔T300/YH69层合板在不同应力水平下的疲劳强化行为

开孔的碳纤维增强层合板存在着疲劳后剩余强度提高的现象。通过对[-45,0,45,90]_2S和[0,90]_4S两种铺层的开孔碳纤维增强树脂基(T300/YH69)复合材料层合板进行实验，测定其静强度、疲劳极限和应力-寿命(S-N)曲线。结果表明，静强度分别为440.04 MPa和597.94 MPa,疲劳极限分别达到静强度的80%和86%。对试件施加不同应力水平的循环载荷，在循环次数达到10⁵后测量试件剩余强度，探究不同应力水平的疲劳载荷对剩余强度的影响，发现剩余强度在应力水平较低时无明显变化，在应力水平较高时明显提升，两种铺层结构的剩余强度最大分别为512.7 MPa和712 MPa。提升比例最高分别达到16.51%和19.07%。通过扫描电镜(SEM)发现疲劳试件断口相较于静拉伸试件断口更为整齐，纤维断裂方向更为一致。这是由于疲劳载荷作用下基体产生裂纹使得应力分布更均匀所致。     

单向Cf/SiC复合材料的弯曲疲劳性能

对单向Cf/SiC复合材料进行了三点弯曲疲劳性能测试,得到了复合材料的应力－寿命曲线（S－N曲线）,并对其进行线性拟合,得到疲劳最大应力与复合材料疲劳寿命的关系;考察了疲劳过程中刚度下降和疲劳裂纹产生情况。结果表明在疲劳过程中复合材料的弯曲模量有3个变化阶段：首先在疲劳加载初期,弯曲模量的下降速度及幅度都较大;其次在弯曲模量下降到原始弯曲模量的85％（133GPa)后,其变化方式没有明显的规律可循,有时甚至可能上升;最后复合材料发生疲劳断裂时,模量将发生突变。显微结构分析表明：基体横向裂纹群的产生是疲劳断裂的独有特征。它的产生是由于基体SiC的断裂应变小于碳纤维的断裂应变,基体首先开裂并导致应力重新分布的结果。     

复合材料层合板静压痕试验及全过程数值分析

复合材料层合板在静压痕力作用下主要发生层间分层、基体开裂、基体压缩破坏、纤维断裂和纤维压坏这几种损伤模式。本文利用ABAQUS有限元程序,对在静压痕力作用下的复合材料层合板建立一个基于Hashin强度准则的全过程模型,并对各层各单元进行损伤演判。利用有限元模型对碳纤维NCF材料层合板在静压痕力作用下的荷载-位移曲线进行预测,并模拟层合板的损伤全过程,以及预测凹坑深度与静压痕力的关系曲线。对层合板进行静压痕试验,测试复合材料层合板在静压痕力作用下的荷载-位移曲线,并在试验过程中用凹坑深度仪测量层合板的凹坑深度。将数值模拟与试验结果比较,两者结果较为吻合。     

2.5维机织复合材料疲劳寿命预测

对2.5维机织复合材料进行了静力分析,在受拉伸载荷的情况下将其视为经纱层和纬纱层组合而成的层合板。以单向板疲劳寿命预测为基础,考虑到疲劳加载过程中刚度退化导致的应力重新分配,采用Miner理论对其拉-拉疲劳寿命进行预测,且对该方法进行了试验验证,为预测2.5维机织复合材料的疲劳寿命提供了一种途径。     

芳纶纤维复合材料低速冲击响应实验研究

芳纶纤维因具有轻质高强、良好耐疲劳性和化学稳定性等优良性能,逐渐成为重要的国防军工材料。选用芳纶单向布和平纹织物设计并制备了不同结构参数的芳纶纤维复合材料层合板,采用落锤冲击试验仪在不同的冲击能量下进行低速冲击实验,根据最大接触力、能量吸收能力和凹陷深度评估层板的抗冲击性能。结果表明,[0/45/-45/90]s单向层合板的接触载荷峰值高于[0/90]s单向层合板和平纹织物层合板,并在高能量冲击下具有优异的能量吸收能力,其损伤区域最小。破坏形貌表明,单向复合材料层合板损伤以分层为主,而平纹织物复合材料层合板以整体塑性大变形为主,这为芳纶纤维复合材料的优化设计及防护应用提供一定的理论指导。     

碳纤维复合材料低温下螺栓连接疲劳研究

本文主要围绕碳纤维复合材料(CFRP)与2024Al的连接件,研究低温环境下螺栓连接的拉-拉疲劳问题。首先进行不同环境下的拉伸实验,从中获得最大静力载荷,并通过静载破坏曲线探究不同温度下异质材料连接层合板接头的损伤过程,通过观察不同温度下的拉伸破坏现象,对比复合材料层合板纤维分层与撕裂程度,以此为依据研究低温环境对异质材料螺栓连接疲劳的影响,选用不同温度分组的层合板接头分别在各自85%、80%、75%的最大静载条件下进行常温与低温疲劳实验,实验结果拟合常温与低温下的S-N曲线。结果表明,在其他实验条件相同时,低温环境下层合板接头拉伸破坏强度相比于常温环境增强。分析疲劳曲线得出低温环境下层合板接头受疲劳载荷能力更强。     

电热耦合作用对含预置损伤CFRP层合板剩余强度的影响

基于实验室自制电热耦合测试平台,获得含预置分层与预置纤维断裂碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板的表面电热温度场分布,并对不同电热耦合作用后的复合材料层合板试样进行了弯曲性能测试,结合失效模式分析,探究了电热耦合作用对含预置损伤CFRP层合板剩余强度的影响及作用机制。研究结果表明：不同的损伤形式对电热响应温度场存在明显影响;相比于完好试样,分层试样与纤维断裂试样的弯曲性能和树脂基体的性能更为相关,电热耦合作用导致的后固化效应对两类预置损伤试样的性能提升效果更为明显,缓解了由预置损伤导致的性能劣化。     

一种失效准则在面外载荷下含孔层合板的应用

开孔和面外弯曲会引起层合板局部应力过高,导致局部基体开裂、纤维断裂以及层间分层等失效模式。本文采用解析法和有限元法相结合的方法,对开孔无限大层合板的孔边应力进行研究。基于经典层合板理论和复变函数理论对复合材料平板在面外载荷作用下进行孔边应力分析,通过保角变换,解决应力函数在复杂孔形边界上的问题;引入Puck和Yamada-Sun混合强度失效准则,对层合板刚度进行迭代,研究了带孔复合材料平板孔边真实应力应变分布,并与有限元结果进行了对比,吻合较好。本文工作以期能对开孔层合板的失效预测提供指导。     

基于SPH方法的鸟撞复合材料层合板数值分析

采用光滑粒子流体动力学法(SPH)耦合有限元法对复合材料层合板受鸟撞击的过程进行了数值模拟。复合材料层合板采用渐进损伤模型,鸟体采用SPH粒子建立模型,利用ANSYS/LS-DYNA显示动力分析模块分析了复合材料层合板结构非线性接触。分析了鸟撞层合板过程中鸟体损伤及层合板单层纤维失效和基体失效情况,分析了鸟体的入射角方向及层合板采用不同铺层时对层合板吸能效果的影响。计算结果表明,合理设计层合板铺层可以提高层合板的吸能效果。     

法向载荷下含金属预埋件碳纤维层合板强度分析

建立了含圆柱形金属预埋件和阶梯形金属预埋件碳纤维/环氧树脂层合板的三维分析模型,单层板简化为三维正交各向异性材料。采用有限元方法对法向载荷下含金属预埋件四边简支层合板进行了应力分析,给出了发生初始损伤单层板各材料主方向应力分布和金属预埋件的VON MISES应力分布。基于复合材料单层板的最大应力强度准则给出了两种分析模型的极限载荷。分析结果表明,含圆柱形预埋件层合板初始损伤发生在45°铺层靠近孔边的2点钟方位,破坏模式为基体剪切破坏;含阶梯型预埋件层合板初始损伤发生在-45°铺层靠近孔边的10点钟方位,破坏模式为基体拉伸破坏。法向载荷作用下,阶梯型预埋件结构比圆柱形预埋件结构具有更大的传力面积,大部分纤维处于适宜的受拉状态,其极限载荷比圆柱形预埋件结构提高了40.36%。     

纤维复合材料层合板在四点弯曲载荷下的损伤分析

实验测试了T300/7901碳纤维复合材料[0/90]_(8s)层合板在四点弯曲静载下的载荷-位移响应及破坏载荷。基于桥联模型,在商用软件Abaqus/CAE中实现对该层合板在四点弯曲静载条件下的层内以及层间损伤破坏进行模拟分析。分析方法分为四个部分:仅利用组分材料数据,基于桥联模型对单向复合材料层的本构关系建模;利用考虑三维应力的Hashin判据预报复合材料层的纤维拉伸、压缩损伤及基体拉伸、压缩损伤;出现组分材料损伤后对相应材料点采用Camando方法进行刚度退化;在复合材料单层中间插入薄的纯树脂层,通过树脂层的损伤破坏分析层间分层。在Abaqus/Explicit模块中,利用子程序VUMAT完成以上材料建模分析;将模拟结果与实验数据进行对比。结果表明,模拟得到的载荷-位移曲线及破坏载荷与实验结果吻合很好,所提出的材料模型能有效预报纤维复合材料层合板的层内及层间损伤破坏情况。     

高性能复合材料弯曲疲劳性能研究

用湿法缠绕技术制作了CF／5228预浸料,对热压罐固化的CF／5228复合材料的力学性能和弯曲疲劳性能进行了研究,并用扫描电镜、电子显微镜等对复合材料的疲劳损伤机理进行了微观表征和理论探讨。研究表明,M40J／5228复合材料比M40／5228具有更为优异的耐疲劳性能。复合材料的疲劳损伤主要有纤维断裂、基体开裂和界面剪切破坏3种表现形式,通常复合材料构件的疲劳破坏多为3种形式的综合表现。基体增韧、选用高强高模碳纤维、界面强化和铺层优化是提高复合材料构件耐疲劳性能有效手段。     

基体韧性和铺层方式对角层混杂纤维复合材料拉伸性能的影响

本文研究了基体韧性和铺层方式对± 4 5°铺层的玻璃纤维、碳纤维及其混杂纤维复合材料拉伸断裂性能和损伤行为的影响。实验结果表明 ,采用混杂纤维有利于提高复合材料的拉伸强度和断裂应变 ,呈正的混杂效应 ;基体韧性的增加可以改善纤维复合材料的抗损伤能力     

薄层碳纤维织物预浸料的制备与性能

通过超声波扩展技术将T700-12K碳纤维扩展成20mm宽,然后利用全自动编织机编织成平纹布,最后采用后浸渍法中的胶膜法制备高性能YPH-69/T700和SZ-125/T700的织物预浸料。预浸料的单位面积纤维质量为(80±3)g/m~2,单层固化厚度为(0.080±0.015)mm。通过模压工艺制备层合板测试力学性能,结果表明:利用SZ-125树脂制备的层合板比用YPH-69树脂制备的层合板力学性能好,与树脂的性能密切相关。同时用abaqus软件建立有限元模型,研究在拉伸、压缩载荷下复合材料层合板的应力分布,模拟结果与实验过程中断裂位置相符。     

三维织物碳／碳复合材料中层间剪切强度的改进

碳纤维增强碳(C/C)复合材料是由沥青基碳纤维粗纱纺织的多层织物和煤沥青基体构成的,本次实验研究了两种C/C多层织物复合材料和一种平纹编织C/C布复合材料,测试了弯曲、剪切和压缩强度。根据不同跨距--高度比下的三点弯曲试验结果,表明C/C1多层织物复合材料具有高的剪切性能,多层织物复合材料的分层断裂比平纹编织C/C布复合材料具有更高的层间断裂韧性。     

汽车复合材料层合板准静态力学性能的试验测定

以应用于某新能源电动汽车的复合材料层合板为研究对象,利用万能试验机和静态应变测试分析系统等提出了可靠的复合材料层合板准静态拉伸和压缩力学性能试验测定方法,从而为复合材料结构在汽车轻量化中的设计和应用提供了试验依据。该层合板结构采用±45°交叉铺层方法,由2层碳纤维、1层芳纶纤维和2层玻璃纤维层叠构成。试验结果表明,该复合材料层合板在准静态拉伸时呈现沿±45°方向和层间分离挤压的断裂失效模式,这与其内部纤维铺层方向是一致的。同时,由于在复合材料板材中加入了增韧和板材失效时起连接作用的芳纶纤维和玻璃纤维铺层,该复合材料层合板的整体力学性能较常见碳纤维增强复合材料板材,其弹性模量和强度性能均有所降低。