X-cor夹层结构的力学性能试验研究

X-cor夹层结构比强度高,比刚度大,有望取代传统蜂窝夹层结构作为航空航天器的主承力结构材料。采用真空固化成型工艺,通过改变Z-pin的植入参数制备了X-cor夹层结构,研究了Z-pin植入角度、植入间距和直径对其平压、剪切和拉伸性能的影响。研究结果表明,Z-pin的植入参数对X-cor夹层结构的力学性能影响显著。随Z-pin植入角度的增加X-cor夹层结构的平压性能降低,剪切性能增强,拉伸模量减小,拉伸强度先增加后减小。随Z-pin植入间距和直径增加,X-cor夹层结构力学性能均增加。与泡沫夹层结构相比,X-cor夹层结构压缩、剪切和拉伸模量的测试值分别提高了1.26～5.15倍、2.50～13.56倍和1.90～2.71倍,压缩、剪切和拉伸测试值分别提高了1.63～9.20倍、1.28～2.03倍和1.01～2.30倍。     

X状Z-pin增强泡沫夹层结构的剪切性能

通过不同Z-pin角度(15°和25°)和夹芯厚度(8mm和12.7mm)的X状Z-pin增强泡沫夹层材料的剪切性能试验, 与相同材料同尺寸的未增强件进行对比, 考察X状Z-pin对泡沫夹层结构的增强作用。试验结果表明, X状Z-pin增强使材料的剪切强度和刚度都有较大幅度的提高; 同时, Z-pin的加入使该结构具有与传统泡沫夹层材料不同的剪切破坏形式。在此基础上, 结合空间网架结构和等效夹杂方法, 提出了X状Z-pin增强泡沫夹层结构剪切刚度模型, 计算结果与试验值符合良好。结果表明, X状Z-pin增强不仅能大幅度提高泡沫夹层结构的剪切性能, 并具有良好的可设计性, 可以通过改变Z-pin角度和材料等改变其力学性能。      

Z-pin/缝合对复合材料T型接头剪切承载能力的影响

利用三维有限元模型对Z-pin/缝合增强试验件进行有限元分析,采用内聚力模型模拟界面的破坏情况,通过在分层的上下界面加入非线性弹簧元来模拟Z-pin/缝合的增强机制,非线性弹簧元的力学性能（桥联律）由细观力学方法获得。通过与试验结果的对比发现,由于未进行界面增强的T型结构的剪切承载能力已较高,Z-pin/缝合增强较难提高T型接头的剪切承载能力。从少数几种可提高T型接头的剪切承载能力的增强方案中可看到,应选择拉伸强度较高而拉伸模量较低的缝线来进行T型接头剪切界面增强设计。     

K-cor增强泡沫夹层结构制备与力学性能

选取NHZP-1型双马树脂拉挤Z-pin, 并结合差示扫描量热法(DSC)测定及工艺参数优化来调控其固化度, 将Z-pin按70°角(Z-pin植入方向与水平方向夹角)植入Rohacell-51WF泡沫、 采用5429/HT7双马单向预浸料作为蒙皮, 成功制备K-cor夹层结构, 并展开了相应的力学性能测试。根据Z-pin在K-cor与X-cor夹层中与蒙皮结合方式差异建立微观拉伸结构简图, 并借助欧拉杆屈曲模型来估算其临界失稳载荷, 定性分析了平面压缩过程中Z-pin的破坏模式与增强机制。结果表明: Z-pin固化度为62.74%时, K-cor夹层结构的平面拉伸强度和模量分别为1.55 MPa与88.56 MPa, 平面压缩强度和模量高达3.61 MPa与128.84 MPa, 均比空白泡沫试样和具有相同Z-pin参数的X-cor夹层结构有所提高。     

X-cor夹层结构压缩模量有限元分析

通过两种有限元模型的对比,提出了符合实际的X-cor夹层结构压缩模量有限元计算模型,利用大型有限元软件ANSYS对其压缩模量进行了数值计算,得到了X-cor夹层结构的应力场和压缩模量.研究了Z-pin半径、密度、植入角度和体积分数的改变对模型压缩模量的影响.结果表明:X-cor夹层结构压缩模量随Z-pin植入角度增加而减小,随Z-pin半径、密度和体积分数增加而增加,且与Z-pin体积分数呈线性关系,改变Z-pin半径与改变Z-pin密度对X-cor夹层结构压缩模量影响是等效的.通过有限元模型的计算,得到了X-cor夹层结构参数对其压缩模量的影响规律,验证了所提有限元模型的合理性.     

X-cor夹层结构压缩模量有限元计算分析

通过分析X-cor夹层结构中Z-pin端部细观结构的显微镜照片,提出Z-pin端部树脂区椭圆形态的基本假设并建立X-cor夹层结构压缩模量的有限元模型,利用大型有限元软件ANSYS对其压缩模量进行数值计算,研究了Z-pin植入角度、直径和密度对X-cor夹层结构压缩模量的影响.结果表明,X-cor夹层结构的压缩模量随Z-pin植入角度的增加而减小,随Z-pin直径和密度的增加而增加.通过有限元计算,获得X-cor夹层结构参数对其压缩模量的影响规律,数值计算结果误差范围为士10％,验证所建立有限元模型的合理性,说明该模型可用于预测其压缩模量.     

缝合密度对缝合/VARI成型复合材料力学性能的影响EI北大核心CSCD

采用改进锁式缝合和真空辅助树脂注射(VARI)成型工艺制备不同缝合密度的碳纤维/环氧树脂复合材料,研究缝合行距和缝合针距对复合材料力学性能的影响,得出最佳缝合密度。结果表明:随着缝合行距的增大,拉伸性能和弯曲性能均有所提升,层间剪切强度先增大后减小;随着缝合针距的增大,拉伸性能和弯曲性能均有提高的趋势;当缝合密度为5 mm×8 mm时,缝合复合材料具有最佳的综合力学性能,与未缝合复合材料相比,拉伸强度和模量分别下降了13.3%和12.7%,弯曲强度和模量分别下降了23.0%和25.2%,层间剪切强度提高了11.3%。     

X-cor夹层结构拉伸模量有限元分析

通过分析X-cor夹层结构中Z-pin端部的细观结构,提出Z-pin端部树脂区椭圆形态的基本假设并建立X-cor夹层结构拉伸模量的有限元模型,利用大型有限元软件ANSYS对其拉伸模量进行了数值计算。研究了Z-pin植入角度、直径和密度的改变对X-cor夹层结构拉伸模量的影响。结果表明:X-cor夹层结构的拉伸模量随Z-pin植入角度增加而减小,随Z-pin直径和密度增加而增加。通过有限元模型的计算,得到了X-cor夹层结构参数对其拉伸模量的影响规律,数值计算结果误差范围是±10%,验证了所提的有限元模型的合理性,说明该模型可用于预测其拉伸模量。     

玻璃纤维制备X-cor夹层结构工艺及压缩性能研究EI

研究了玻璃纤维制备复合材料夹层结构X-cor的工艺,探索了X-cor夹层结构压缩性能及植入角度、密度、Pin直径等因素对压缩性能的影响.同普通泡沫夹层结构相比,X-cor夹层结构的压缩强度提高9.7倍,压缩模量提高17.9倍.随着植入角的增加,单位体积分数的Pin对X-cor夹层结构的强度和模量的增强效率均提高;不同直径Pin对X-cor夹层结构影响不同,大直径Pin对X-cor夹层结构强度增强效率高;小直径Pin对X-cor夹层结构模量增强效率高.     

玻璃纤维制备X-cor夹层结构工艺及压缩性能研究

研究了玻璃纤维制备复合材料夹层结构X-cor的工艺,探索了X-cor夹层结构压缩性能及植入角度、密度、Pin直径等因素对压缩性能的影响.同普通泡沫夹层结构相比,X-cor夹层结构的压缩强度提高9.7倍,压缩模量提高17.9倍.随着植入角的增加,单位体积分数的Pin对X-cor夹层结构的强度和模量的增强效率均提高;不同直径Pin对X-cor夹层结构影响不同,大直径Pin对X-cor夹层结构强度增强效率高;小直径Pin对X-cor夹层结构模量增强效率高.     

缝合参数对泡沫夹层结构复合材料力学性能的影响

采用真空辅助树脂注射(VARI)成型工艺制备不同缝合方式和缝合密度的缝合泡沫夹层复合材料, 研究缝合参数对平面拉伸、三点弯曲、芯子剪切以及滚筒剥离性能的影响。结果表明: 缝合使泡沫夹层复合材料的平面拉伸强度和芯子剪切强度明显降低, 可以改善弯曲性能并大幅提高滚筒剥离性能, 改进锁式缝合方式优于临缝式缝合方式; 适当地增加缝合行距对力学性能有一定的积极作用, 但不利于滚筒剥离性能的提高; 与未缝合泡沫夹层复合材料相比, 当缝合密度为30 mm×10 mm时, 改进锁式缝合泡沫夹层复合材料的平拉强度和芯子剪切强度分别降低了14.75%和24.79%, 弯曲强度和平均剥离强度分别提高了7.96%和80.78%。     

全厚度缝合复合材料泡沫芯夹层结构力学性能研究与损伤容限评定

探索了全厚度缝合复合材料闭孔泡沫芯夹层结构低成本制造的工艺可行性及其潜在的结构效益。选用3 种夹层结构形式, 即相同材料和工艺制造的未缝合泡沫芯夹层和缝合泡沫芯夹层结构及密度相近的Nomex 蜂窝夹层结构, 完成了密度测定、三点弯曲、平面拉伸和压缩、夹层剪切、结构侧压和损伤阻抗/ 损伤容限等7 项实验研究。结果表明, 泡沫芯夹层结构缝合后, 显著提高了弯曲强度/ 质量比、弯曲刚度/ 质量比、面外拉伸和压缩强度、剪切强度和模量、侧压强度和模量、冲击后压缩(CAI) 强度和破坏应变。这种新型结构形式承载能力强、结构效率高、制造维护成本低, 可以在飞机轻质机体结构设计中采用。      

整体缝合夹芯结构复合材料压缩性能

设计了一种新型整体缝合夹芯结构。采用真空导入模塑工艺(VIMP)制备整体缝合夹芯结构复合材料, 研究其在平压载荷作用下的力学性能和破坏模式, 建立其有限元模型, 研究缝合纱线用量对整体缝合夹芯结构复合材料平压力学性能的影响。结果表明:该新型整体缝合夹芯结构复合材料能够在提高缝合纱线数量的同时避免一般斜缝方式引起纤维交叉损坏的弊端。整体缝合夹芯结构复合材料的压缩强度和压缩模量随着缝合纱线数量的增加而增大, 但缝合纱线含量较高时, 比压缩强度有所下降。数值计算结果与试验结果对比分析, 验证了所建立有限元模型的合理性, 说明该模型可用于预测其压缩模量。      

三维间隔连体织物泡沫夹层结构复合材料的基本力学特性

将三维间隔连体织物泡沫夹层结构平压、剪切和三点弯曲载荷作用下的力学特性与三维间隔连体织物复合材料、传统泡沫夹层结构复合材料进行了对比分析,在此基础上,考察了芯柱高度、泡沫密度对复合材料平压、剪切、三点弯曲性能的影响。结果表明,三维间隔连体织物泡沫夹层结构复合材料承受平压载荷时,芯柱和泡沫存在协同效应;平压载荷作用下主要发生芯柱断裂破坏;随着芯柱高度增加,平压、剪切强度均减小;随着泡沫密度增加,平压强度近似呈指数增长。     

缝合复合材料可用性——一般层合板的基本性能

通过试验研究了缝合T300帘子布/QY9512常用层合板的拉伸和压缩性能,考察了缝合方向、铺层顺序和环境因素对层合板拉、压性能的影响,得到了3种常用层合板及其孔板的拉伸、压缩强度与模量。研究结构表明:缝合与缝合方向对常用层合板的拉伸强度与模量的影响不大;不同铺层顺序层合板的拉伸强度和模量受缝合与缝合方向的影响程度不同。缝合方向与铺层形式对孔板的缝合效果均有影响,层合板的最佳缝合方向随铺层形式不同而发生变化。缝合对层合板湿热状态下压缩性能的影响与铺层顺序有很大关系。缝合使含孔层合板的干态常温压缩强度明显提高,使湿热时的强度明显降低。      

Mechanical behaviour of CFRP sandwich structures with tetrahedral lattice truss cores

A method of manufacturing carbon fibre reinforced polymer (CFRP) tetrahedral lattice truss core sandwich structure by thermal expansion silicon rubber mould was developed. The sandwich structure was manufactured integrally without secondary bonding and the silicon rubber mould can be made mass-production with low cost in this approach. The intrinsic property of the CFRP was fully exploited because of carbon fibres aligned in the axial orientation of the truss member. The mechanical properties of CFRP tetrahedral lattice truss core sandwich structures were investigated by flatwise compression and shear test. The experimental results indicate that CFRP tetrahedral lattice truss core sandwich structures have higher weight-specific compressive strength than some metal truss cores, and are competitive with conventional honeycombs.     

复合材料双向波纹夹层结构力学性能

为改进传统单向波纹夹层结构横向力学性能较差的缺点,设计了一种新型复合材料双向波纹夹层结构。考虑复合材料双向夹层结构制备困难,研究了整套真空辅助成型工艺(VARI)工艺制备方案,实现双向波纹夹层结构的高效制备,以满足工程应用的需要。对制备出的复合材料双向波纹夹层结构与单向波纹夹层结构分别进行面外压缩、弯曲和剪切实验,分析了双向波纹夹层结构在不同载荷下的破坏模式及其失效机制,计算了该结构在不同荷载条件下的强度和模量,并将其与单向波纹夹层结构进行对比分析。结果表明,在压缩荷载作用下,玻璃纤维/环氧树脂芯子为主要承载部分,结构的失效主要体现在芯子的屈曲、断裂和分层;在弯曲荷载的作用下,由于纤维的抗压强度远小于抗拉强度,所以压头下方的上面板最先达到破坏荷载,结构的弯曲失效形式主要为上面板的断裂和脱粘;结构的剪切失效主要以泡沫与面板的脱粘和压溃为主,芯子和面板未见明显的破坏现象;与单向波纹夹层结构相比,双向波纹夹层结构力学性能显著提升。      

Flexural behaviour of structural fibre composite sandwich beams in flatwise and edgewise positions

The flexural behaviour of a new generation composite sandwich beams made up of glass fibre-reinforced polymer skins and modified phenolic core material was investigated. The composite sandwich beams were subjected to 4-point static bending test to determine their strength and failure mechanisms in the flatwise and the edgewise positions. The results of the experimental investigation showed that the composite sandwich beams tested in the edgewise position failed at a higher load with less deflection compared to specimens tested in the flatwise position. Under flexural loading, the composite sandwich beams in the edgewise position failed due to progressive failure of the skin while failure in the flatwise position is in a brittle manner due to either shear failure of the core or compressive failure of the skin followed by debonding between the skin and the core. The results of the analytical predictions and numerical simulations are in good agreement with the experimental results.     

Study of Debond Fracture Toughness of Sandwich Composites with Metal Foam Core

Two types of experiments were designed and performed to evaluate the adhesive bond in metal foam composite sandwich structures.The tensile bond strength of face/core was determined through the flatwise tensile test (FWT).The test results show that the interfacial peel strength is lower than the interlaminar peel strength in FWT test.The mode I interfacial fracture toughness(GIC)of sandwich structures containing a pre-crack on the upper face/core interface is determined by modified cracked sandwich beam(MCSB...