固化条件对分层损伤的层合板修理后强度的影响

对(45/0/0/45)、(45/0/45/0/45)和(45/0/45/0/45/0/45)3种典型铺层形式复合材料层合板内部分层损伤分别在中温和常温固化条件下进行挖补修理。并且利用Patran/Nastran有限元计算软件对修理后的层合板进行模拟计算。研究结果表明:中温修理好于常温修理,只有4层铺层常温挖补修理不满足要求,而5层和7层修理后压缩强度和剪切强度均达到80%以上。5层铺层结构在常温挖补修理,压缩强度平均值达到175.83MPa,是原压缩强度的88.70%;剪切强度达到163.90MPa,是原剪切强度的82.90%。     

单面贴补修理后层合板的拉伸性能

对含孔损伤复合材料层合板单面贴补后进行拉伸试验研究。测量了层合板的应变分布、修理后层合板中心点的离面位移及拉伸强度等, 考察了补片的厚度、大小等因素对修理效果的影响。结果显示, 增加补片的厚度和直径能够提高母板的承拉能力, 但是增加补片的厚度会导致层合板离面位移增大。对无侧边支持的单面贴补层合板进行计算分析时, 必须考虑偏心载荷引起的弯矩的影响。在此基础上, 采用分层损伤判据建立了三维有限元模型, 对单面贴补层合板的破坏机理和拉伸强度进行了计算和分析。结果表明, 修理后层合板的拉伸破坏是由补片或母板内与胶接面相邻的层间分层引起的; 计算结果与试验结果一致。      

碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料MT300/KH420高温力学性能(I)——拉伸和层间剪切性能

研究了碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料MT300/KH420的高温力学性能, 重点揭示了MT300/KH420的[0°]₇、[0°]₁₄ 和[±45°/0°/90°/+45°/0°₂]_s层合板在常温~500 ℃的拉伸和层间剪切性能的变化规律。结果表明:在350 ℃以内,[0°]₇层合板拉伸强度随温度升高有所提高, 拉伸模量几乎不变, 在420 ℃时拉伸强度和模量均出现明显下降, 在500 ℃时分别保持在65%和83%以上, 表现出优异的高温拉伸性能。MT300/KH420的[0°]₁₄层合板层间剪切强度在常温~420 ℃随温度升高不断降低至52.8%, 在高温下呈现出黏弹效应, 且在420 ℃时最为明显。相比于单向层合板, [±45°/0°/90°/+45°/0°₂]_s多向层合板高温力学性能较为稳定, 且由纤维控制的纵向试件力学性能受温度影响较小。      

碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料MT300/KH420高温力学性能(Ⅰ)——拉伸和层间剪切性能

研究了碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料MT300/KH420的高温力学性能,重点揭示了MT300/KH420的[0°]_7、[0°]_(14)和[±45°/0°/90°/+45°/0°_2]_s层合板在常温~500℃的拉伸和层间剪切性能的变化规律。结果表明:在350℃以内,[0°]_7层合板拉伸强度随温度升高有所提高,拉伸模量几乎不变,在420℃时拉伸强度和模量均出现明显下降,在500℃时分别保持在65%和83%以上,表现出优异的高温拉伸性能。MT300/KH420的[0°]_(14)层合板层间剪切强度在常温~420℃随温度升高不断降低至52.8%,在高温下呈现出黏弹效应,且在420℃时最为明显。相比于单向层合板,[±45°/0°/90°/+45°/0°_2]_s多向层合板高温力学性能较为稳定,且由纤维控制的纵向试件力学性能受温度影响较小。     

纤维增强复合材料层合板缺口尺寸及形状效应数值模拟

通过考虑基体裂纹、纤维断裂、层内劈裂和层间脱层等破坏形式,建立三维有限元模型研究含中心圆孔和中心裂缝的准各向同性复合材料层合板([45/0/-45/90]_(2S))在拉伸载荷下的缺口尺寸效应及缺口形状效应。模拟结果显示:随着缺口尺寸的增大,层合板的破坏强度逐渐降低,然而,在本文研究范围内含中心裂缝的层合板破坏强度始终高于对应的含中心圆孔的层合板破坏强度。进一步分析有限元模拟结果表明,含中心裂缝的层合板亚临界损伤发生得更早,并且亚临界损伤范围更大,亚临界损伤会大大缓解缺口尖端的应力集中,从而使含中心裂缝层合板表现出更高的破坏强度。     

复合材料层合板胶接贴补修理渐进损伤分析

建立了复合材料层合板胶接贴补修理构型渐进损伤分析的三维有限元模型, 其中层合板和胶层分别采用正交各向异性损伤和各向同性损伤的连续介质损伤力学模型, 整个分析过程中同时考虑层合板和胶层的损伤形成和扩展以及它们之间的相互影响, 单向压缩载荷作用下的层合板贴补修理构型的试验数据验证了该模型的有效性, 采用该模型分析了不同的贴补修理参数对修补强度的影响。 结果表明: 当层合板补片较薄时, 补片损伤是导致修补结构失效的主要原因; 当补片较厚时, 胶层失效是导致修补结构失效的主要原因, 此时补片厚度增加并不能显著增大修补结构的极限强度。在复合材料贴补修理时需要对补片和胶层进行详细优化设计。      

复合材料胶接修理层合板拉伸性能及影响参数

胶接修理是效率较高、应用较广的复合材料结构修补技术。对采用不同参数进行挖补和贴补修理的复合材料层合板的拉伸性能进行实验研究。结果表明:挖补修理实验件的强度恢复率约为66%~91%,贴补修理实验件的强度恢复率约为44%~61%。在挖补修理实验件中,减小挖补斜度、采用双面挖补、使用热压罐固化,在贴补修理实验件中,采用双面贴补、增大补片尺寸,均可得到更高的强度恢复率。在实验基础上建立的有限元模型,能够有效预测实验件的失效载荷、破坏模式,并可分析实验件的应力分布和渐进损伤过程,为设计修理方案提供参考。     

基于断裂韧性预报复合材料层合板的开孔拉伸强度

开孔层合板的强度预报往往取决于孔边的临界长度,它不仅与材料性能,而且与铺层、孔径都有关。本文基于线弹性断裂力学,提出了一种预报对称铺层层合板开孔拉伸强度的新方法,只需提供正交层合板的断裂韧性和无缺口层合板的拉伸强度,显著降低对实验数据的依赖性。首先,将临界长度表作为层合板断裂韧性和无缺口拉伸强度的函数,再通过正交层合板[90/0]_8s的紧凑拉伸试验和虚拟裂纹闭合技术,确定出0°层断裂韧性,进而计算得到任意对称铺层层合板的断裂韧性。本文测试了T300/7901层合板[0/±45/90]_2s和[0/±30/±60/90]_s的开孔拉伸强度,孔径分别为3 mm、6 mm和9 mm。理论预报结果与试验值吻合较好,最大误差为15.2%,满足工程应用需求。      

层合板极限强度判据及其最大承载能力的工程设计

在研究层合板在复杂载荷下的极限强度时,提出了基于层合板基本强度和最佳应力比实验强度所确定的层合板张量型强度准则和层合板联合强度理论.通过建立新的层合板铺层刚度退化理论并用实验测定“均衡型刚度退化系数”,实现了LPF包络线预测;进而提出了层合板退化张量型强度准则.该准则是一种由单向板基本刚度、强度性能,辅助以均衡型刚度退化系数,预测各种铺层序列的层合板在复杂载荷下最大承载能力的强度判据和工程方法.上述强度准则与[±θ]s,层合板的单向拉伸,[±45]s、[0/90]s层合板平板拉剪,以及[0/90]s、[0/±45]s和[0/45]s层合管状件的双向载荷强度实验结果相当吻合.所提出的层合板极限强度判据和最大承载能力的估算方法,对玻纤复合材料层合结构的工程强度设计,具有实际的指导意义和实用价值.     

铺层方式对CFRP-铝合金单搭接胶接接头低速冲击损伤及剩余拉伸性能的影响

采用热压罐成型方法制备铺层方式为[+45/-45]_4s、[0/+45/-45/90]_2s和[0/90]_4s的碳纤维复合材料层合板,通过胶黏剂与铝合金板进行粘接获得异质材料单搭接胶接接头。利用落锤冲击试验机和万能电子试验机分别对三种接头进行低速冲击与冲击后静态拉伸测试,获得接头接触力-时间曲线和拉伸强度。通过CT扫描技术和数字图像相关(DIC)方法表征接头冲击损伤模式及表面应变演化过程,研究了铺层方式对接头抗冲击性能、冲击损伤模式以及剩余拉伸性能的影响。结果表明,复合材料铺层方式为[+45/-45]_4s时,接头在冲击载荷作用下具有较高的抗冲击性能,但胶层界面脱粘损伤较为严重。与胶层界面脱粘相比,接头剩余强度对层合板分层损伤更为敏感。相较于[+45/-45]_4s,[0/+45/-45/90]_2s和[0/90]_4s铺层方式接头的胶层界面脱粘范围与冲击后失效载荷退化程度较小,同时接头冲击后拉伸载荷主要集中于临近胶层的0°铺层且失效模式较为复杂...     

组合载荷下含缺口纤维增强树脂基复合材料的失效分析

为研究含缺口纤维增强复合材料层合板在复杂载荷下的破坏,本文采用改进的Arcan夹具,在30°方向对含缺口碳纤维增强树脂基复合材料层合板（[-45/90/45/0]_s）进行了拉伸-剪切组合加载实验。用数字图像相关方法（DICM）测量了层合板表面层的裂纹发展过程,在缺口尖端观察到了明显的劈裂现象。然后用有限元软件ABAQUS建立了三维层合板模型,为准确模拟裂纹尖端的应力场,模型中每层引入内聚力接触来模拟劈裂。为了比较加载端的转动自由度对层合板失效模式和破坏强度的影响,文中分析了两种不同的边界条件,即约束和放松加载端的转动自由度。研究结果发现,加载端的合力方向主导了层合板的失效模式和破坏强度,放松加载端自由度的模拟结果与实验结果有很好的一致性。     

准各向同性纤维增强复合材料层合板的开孔拉伸破坏模拟

建立了一种新的有限元三维模型,对准各向同性纤维增强复合材料层合板[45/0/-45/90]_s和[45/-45/90/0]_s进行了开孔拉伸的破坏模拟。每一层均采用三维实体单元(ABAQUS中的C3D8R单元),由于基体比纤维强度低,在很低的拉伸载荷下,圆孔周围基体受到剪切力会出现沿纤维方向的纵向劈裂或基体开裂,从而钝化圆孔,大大减小应力集中,提高材料承载能力。为了准确模拟层合板的破坏,在每层圆孔周围(90°层除外)沿纤维方向引入2组基于表面的内聚力接触来模拟层内纵向劈裂,同时用这种接触来模拟层间的分层特性。为了提高计算效率并且保证计算精度,在圆孔周围采用精细的网格,其余地方采用相对稀疏的网格。在内聚区保证足够的单元个数,这样既能准确刻画内聚区应力分布,又能缓解网格依赖性。与文献中实验结果的对照显示,取得了较好的一致性。      

拉伸载荷下贴补复合材料层合板的渐进损伤分析

基于连续介质损伤力学和粘聚区模型建立了贴补复合材料层合板的渐进损伤分析模型,计算了拉伸载荷下修补结构的极限强度。数值仿真结果和实验结果吻合较好,验证了该模型的有效性。基于建立的模型研究了贴补复合材料层合板的损伤演化过程,并讨论了补片参数对修补结构拉伸性能的影响。研究结果表明:补片参数对贴补复合材料层合板的破坏模式与损伤演化过程有显著影响;不同破坏模式下,补片参数的改变对修补结构极限强度的影响效果不同。研究结果可为复合材料层合板的贴补设计提供部分理论参考。     

平面编织复合材料层合板低速冲击后的拉伸性能

对两种不同铺层形式的平面编织复合材料层合板低速冲击后拉伸性能进行了实验研究,在此基础上建立了有限元损伤扩展仿真模拟。在所建立的有限元模型中,将低速冲击损伤等效为形状规则的软化夹杂,并针对两种铺层形式采用不同的损伤判据和模量衰减准则。研究结果表明:该有限元模拟结果与实验结果符合,说明该模型能够准确地预测低速冲击后平面编织复合材料层合板的损伤扩展规律和剩余拉伸强度;不同铺层形式的平面编织复合材料层合板在低速冲击后拉伸的损伤扩展规律不同;它们的冲击后拉伸强度降均>50%,在复合材料结构设计中应该受到重视。      

聚酰亚胺树脂基MT300/KH420复合材料高温力学性能(Ⅱ)——弯曲性能

从宏、微观的角度研究了碳纤维增强聚酰亚胺树脂基MT300/KH420复合材料的高温力学性能,重点揭示了MT300/KH420复合材料[0°]14和[±45°/0°/90°/+45°/0°2]s层合板在常温~500℃的弯曲性能变化规律。研究表明:MT300/KH420复合材料高温力学性能优异,[0°]14层合板在420℃的弯曲强度保持在51%以上,弯曲模量在500℃以内变化很小。[0°]14层合板在常温下断口粗糙,且贯穿厚度,表现为脆性破坏;随温度升高,树脂流动性增强,呈现出黏弹效应,破坏逐渐集中在加载点处,在500℃,部分树脂热解,纤维束脱离基体并氧化。[±45°/0°/90°/+45°/0°2]s层合板高温弯曲性能较为稳定,主要破坏为上、下表面沿45°方向开裂,并伴有层间分离,在500℃出现严重分层破坏;相比于受基体控制的层合板弯曲性能,温度对受纤维控制的层合板弯曲性能影响较小。     

接头局部增强的复合材料层合板螺栓连接试验与数值模拟

采用真空辅助成型工艺（VARI）制备了四种局部增强的复合材料层合板螺栓连接试件，通过试验及数值模拟对其力学性能进行了研究。数值研究中将复合材料层合板连接件的拉伸作为一个准静态问题，运用ABAQUS的显示分析算法及所编写用户材料子程序VUMAT对连接件进行了三维渐进失效模拟，同时在有限元模型中采用内聚力单元模拟了层合板与所设增强层的界面分层失效。数值计算结果与试验结果取得了较好的一致，验证了本文中数值方法的有效性。研究结果表明，不同的局部增强方案对复合材料螺栓连接性能的影响较大，设置[0/90/0/90]_S铺层的内置纤维增强层能显著提高层合板的螺栓连接性能。     

铺层方式对CFRP-Al单搭接接头胶接性能的影响

使用热压罐制备[45/-45]_4s、[0/90]_4s和[0/45/-45/90]_2s三种铺层方式的CFRP层合板,然后在室温下与Al胶接制备出单搭接试样。使用电子万能试验机、数字图像相关法(DIC)和扫描电子显微镜(SEM)等手段测量胶接接头的拉伸载荷-位移曲线和应变分布并观察断口形貌。基于试验数据分析不同铺层方式下CFRP-Al单搭接接头的拉伸性能,研究了铺层方式对CFRP-Al单搭接接头胶接性能的影响和铺层方式胶接接头的破坏机制。结果表明,在拉伸过程中[45/-45]_4s试样出现塑性变形阶段其拉伸位移最大,而[0/45/-45/90]_2s和[0/90]_4s试样的拉伸位移较小且发生了脆性断裂。铺层方式从[45/-45]_4s到[0/45/-45/90]_2s再到[0/90]_4s,试样的极限载荷和纤维束断裂数量增加、层间剪切力减小、应变集中程度和分层破坏程度降低。     

不同粒子改性环氧树脂基碳纤维复合材料低速冲击及冲击后压缩性能

使用单层纳米氧化石墨烯(GO)、纳米SiO2、陶瓷粉对环氧树脂进行改性处理,采用真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺分别制备了[±45/0/90]S、[908]T、[08]T三种铺层角度下的碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板.通过落锤冲击实验、超声C扫描检测、冲击后压缩实验等对不同粒子改性CFRP进行实验研究.结果表明:纳米粒子改性可以显著提升CFRP的抗冲击性能及冲击后压缩性能,与其他铺层角度相比,[±45/0/90]S铺层CFRP有效抑制了冲击裂纹的扩展,且单层纳米GO改性下的[±45/0/90]S铺层层合板最大冲击载荷及冲击后压缩强度分别达到3470 N、124.8 MPa,冲击损伤面积仅有580 mm2.与无粒子改性同种铺层层合板相比,最大冲击载荷及冲击后压缩强度相应提高了30％、47.3％,冲击损伤面积减小了15.5％.     

剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板试验及有限元分析

为了确定剪切载荷作用下含非穿透损伤复合材料挖补修理层合板的破坏模式和抗剪切能力,进行了复合材料挖补修理层合板的剪切试验,并与未损伤复合材料层合板进行对比。试验结果表明,复合材料挖补修理后的层合板具有较高的强度恢复率,且不影响层合板的后屈曲承载能力。同时,建立了剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板的有限元分析（FEA）模型,复合材料母板和补片采用了三维Hashin准则来判定材料失效,母板层与层之间采用零厚度界面单元以有效模拟剪切载荷作用下复合材料母板上、下子板之间的分层。该模型得到的破坏模式与试验结果基本相符。由于挖补修理的设计与工艺复杂性,理论模拟的破坏载荷与试验结果虽不能完全吻合,但其最大15%左右的差异能够满足修理设计的需要。以上结果说明,该模型对剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板的破坏模式和破坏载荷能够进行工程适用的预测。     

干法/湿法挖补修理层合板力学性能的对比研究

挖补修理是一种常用的受损复合材料结构修复方法,主要可分为干法(预固化补片)修理和湿法(湿铺贴)修理。通过开展静力拉伸实验,研究了不同损伤尺寸的预固化补片挖补修理和湿铺贴挖补修理层合板的极限强度、破坏模式以及补片脱粘情况,实验结果表明采用预固化补片修理的结构其强度恢复率更高,补片提前脱粘概率更低,修理效果更好。在力学实验的基础上,通过有限元计算准确预测了挖补修理层合板的极限强度、应力应变分布和损伤演化过程,计算结果表明预固化补片修理结构的胶层应力分布更加均匀,应力水平和应力集中程度更低,出现界面失效和胶层内聚失效的载荷也更高。