湿热力载荷下复合材料层合板力学行为

复合材料层合结构在制造和使用过程中经常暴露在湿热环境中,复合材料湿热行为准确分析已是复合材 料结构设计不可回避问题。然而,至今复合材料湿热分析理论模型仍存在如下问题：已有分析复合材料湿热问题 理论模型多忽略层间应力连续条件,不能准确计算层间应力;近期复合材料湿热研究甚至假设湿热膨胀系数不随 铺设角变化,此假设将产生误导。该文发展预先满足层间应力连续并考虑横法向应变的高阶整体-局部理论,构造 三角形单元分析在湿热力载荷作用下复合材料力学行为,并研究湿热膨胀系数对湿热行为影响。     

基体特性对D-Al2O3/Al 合金复合材料力学行为的影响

基体行为是短纤维增强金属基复合材料中一个重要的因素。本文将通过实验分析方法和在一定的理论分析模型上, 借助于弹塑性有限元分析方法, 对基体特性的变化对D-Al₂O₃/Al 合金复合材料力学行为的影响作较为详细的研究, 其中包括基体性能对应力传递、抗拉强度以及断裂机理的影响。研究表明, 基体性能的变化显著影响基体与纤维间的应力传递, 从而对复合材料的抗拉强度和断裂机理产生较大的影响。     

双稳态复合材料层合结构的黏弹性模型

为探明双稳态复合材料层合结构在复杂环境条件下的应用,对双稳态复合材料层合结构的黏弹性行为进行了研究。首先,将纤维简化为弹性材料,考虑基底材料的黏弹性行为。然后,根据纤维和基底的材料属性,通过理论分析得到了双稳态复合材料层合结构的黏弹性材料属性;根据经典层合板理论、最小应变能原理和Maxwell黏弹性模型建立了双稳态复合材料层合结构的黏弹性模型,通过理论分析得到其第二稳态主曲率与扭曲率随加载时间和温度的变化关系。同时,利用有限元软件ABAQUS及其子程序UMAT建立了相应的有限元模型,研究了加载时间和温度对层合结构第二稳态性能的影响。理论与模拟结果均表明:层合结构第二稳态主曲率随加载时间的延长和温度的升高而增大;扭曲率随加载时间的延长而减小,一般情况下随温度的升高而增大,但在加载时间较长且温度较高时,可能会出现扭曲率随温度升高而减小的情况。理论计算结果与有限元模拟结果的比较显示两者吻合较好,可以通过有限元模拟对双稳态复合材料层合结构的黏弹性行为进行研究。      

湿热循环对CCF300/QY8911复合材料界面性能的影响

通过对CCF300/QY8911复合材料试样进行循环吸湿-脱湿处理,绘制吸湿和脱湿曲线并用Fick第二定律进行拟合,采用层间剪切强度(ILSS)表征不同湿热条件对纤维/树脂界面性能的影响,再通过SEM观察试样剖面和侧面的微观形貌.结果表明:CCF300/QY8911复合材料的吸湿和脱湿行为符合Fick第二定律,试样水浸(水温71℃)14天后达到饱和吸湿率;水对CCF300/QY8911复合材料纤维/树脂界面的破坏分为可逆和不可逆,脱湿处理会消除可逆破坏,使干态ILSS有所回复;湿热循环次数增加会进一步引起纤维/树脂界面产生不可逆破坏,使CCF300/QY8911复合材料ILSS降低,但吸湿是引     

复合材料层合板振动衰减主动控制力学模型

简要介绍了新兴的智能复合材料结构及其应用发展前景。对双压电元件复合材料层合板的振动衰减主动控制给出了有限元计算公式,导出了压电激振器、传感器的输入、输出方程,建立了结构振动主动控制的数学模型。     

Integration of active vibration control methods with finite element models of smart laminated composite structures

Vibration control problems can be directly and systematically solved in a single analysis stage using commercial finite element programs. Integration of control methods into the finite element solutions (ICFES) can be achieved in ANSYS. In this work, first, the direct velocity feedback (DVF) control is tested on a 3-DOF mechanical system under a step input. The simulation results obtained by the ICFES are compared with the analytical results obtained by the Laplace transform method. Then, active control of free and forced vibrations in a smart laminated composite structure (SLCS) with two different lay-ups is studied numerically and experimentally. The SLCS consists of a symmetric laminated glass–epoxy composite beam with [0/90]_s and [45/−45]_s lay-ups and a piezoelectric actuator. For the vibration suppression, the DVF control tested on a mechanical system is applied to the SLCS. In addition, displacement feedback (DF) control is studied. Experiments are conducted to verify the natural frequencies and the closed loop time responses. Analytical results for the mechanical system and experimental results for the SLCS match well to the corresponding results obtained using the ICFES technique.     

压电锥壳结构振动主动控制研究

针对实际工程中所应用的某锥壳模型,利用平面板单元对其进行有限元建模,将分布式压电作动器的影响作为动力学边界条件加入模型当中;试验数据与理论计算结果对比证明该方法能够满足精度要求,此外与通常的层合理论建模方法相比,该方法更加简洁,降低了计算量;利用基于独立模态空间的负速度反馈控制方法对锥壳结构进行了振动主动控制研究,仿真结果可以看出利用少数作动器即可达到理想的控制效果。由于控制器本身比较简单,具有很好的鲁棒性,因此对于实际工程应用具有非常重要的指导意义。     

短纤维增强金属基复合材料基体中的应力分布及其变形特征

基体行为是影响随机分布短纤维增强金属基复合材料力学性能的一个重要因素。本文作者将在短纤维复合材料单纤维三维模型的基础上, 借助于弹塑性有限元分析方法, 研究在加载过程中, 不同纤维位向和界面结合状态下基体中的应力分布情况及基体的变形特征。研究表明, 该类复合材料中基体的应力分布情况和变形特征将受到纤维位向改变和界面结合强弱的显著影响。      

复合材料层合板智能结构主动振动控制的边界元法

利用边界元法模拟智能结构的振动控制，推导出具有压电传感器及致动器的复合材料层合板的边界积分方程，应用负速度反馈控制律，研究了复合材料层合板智能结构主动振动控制问题，算例分析证明该方程的正确性。     

纤维增强复合材料界面脱层和基体裂纹的模拟分析

基于Ghosh提出的Voronoi单元有限元方法,构造能同时反映纤维增强复合材料界面脱层和基体裂纹扩展的单元(X-VCFEM单元);应用界面力学理论和断裂力学理论,建立界面脱层、界面裂纹扩展方向和基体裂纹扩展的判断准则;结合网格重划分技术,模拟分析了只含有一个夹杂时界面脱层和基体裂纹扩展的过程,并通过与传统有限元计算结果的比较,验证X-VCFEM单元的可靠性和有效性;同时,模拟分析含任意随机分布夹杂的纤维增强复合材料界面脱层和基体裂纹的产生和扩展过程。结果表明：应用该方法模拟复杂多相复合材料裂纹问题具有计算速度快和精度高的优越性。     

不同上浆剂的国产碳纤维复合材料湿热性能研究

通过对表面包覆不同上浆剂的国产碳纤维制备的双马树脂基复合材料在71℃水浸前后的吸湿量、层间剪切性能、弯曲性能、破环模式以及破坏断口的SEM照片进行比较,研究了上浆剂对复合材料湿热性能的影响,同时与T300制备的同种树脂基复合材料的相关性能进行了比较.研究发现,不同性能的上浆剂对复合材料的湿热性能有明显影响,目前国产上浆剂的性能与T300表面上浆剂的水平还有些差距.     

上浆剂对国产T700级碳纤维复合材料界面性能的影响

采用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等测试方法表征了上浆/未上浆国产T700级(MT700)碳纤维的表面特性,并通过单丝断裂实验测试了单丝复合体系微观界面剪切强度(IFSS),在此基础上研究了碳纤维表面特性对单丝复合体系微观界面性能及其耐湿热性能的影响.研究表明:MT700碳纤维表面上浆剂改善了纤维/基体微观界面强度及其耐湿热性能;湿热环境对复合材料的微观界面性能影响显著,尤其是造成纤维/基体间的化学键合作用破坏,去湿后部分界面性能可恢复.     

编入光纤后的3-D编织复合材料结构的力学建模

对于埋入光纤后的3-D编织复合材料结构进行了力学建模,介绍了光纤埋入编织材料结构的编织方法、工艺和走向,构建了含光纤部分编织复合材料结构的内胞模型,分析了光纤与纱线及内胞的相互几何关系,并采用多元变分法建立含光纤3-D编织复合材料结构的本构关系,理论计算结果与实验结果的相一致验证了光纤编入3-D编织复合材料结构中提高检测结构内部参数方法的可行性。      

三维编织复合材料弹道侵彻准细观层次有限元计算

三维编织复合材料相比于层合复合材料有较高的层间剪切强度和断裂韧性,因而具有更高的冲击损伤容限。用钢芯弹对三维编织复合材料作弹道贯穿测试,得到弹体的入射速度和剩余速度,并考察侵彻破坏模式。目前对三维编织复合材料弹道侵彻性能计算主要建立在连续介质假设上,从真实细观结构计算三维编织复合材料弹道冲击性能尚有一定难度,用三维结构复合材料的纤维倾斜模型在准细观结构层次上分解三维编织复合材料,就其中的一块倾斜单向板作弹道侵彻有限元计算,由弹体动能损失得到贯穿整个复合材料靶体后弹体的剩余速度。有限元计算及与弹道测试结果的比较证明在准细观层次上计算三维编织复合材料弹道冲击性能的有效性。      

三维编织碳／碳复合材料高温力学性能的测试与预报

用快速通电加热测试技术研究了细编穿刺３ＤＣ／Ｃ复合材料在２８００℃时的位伸性能,把碳纤维和基体的性能作为已知参数,选取适当细观代表性单胞,利用细观力学和三维有限无方法预报共高温弹性模量,分析了织物结构参数的影响,其随温度的变化规律与实测结果吻合。     

热塑性复合材料自动铺放过程中温度场研究

自动铺放成型技术可以实现热塑性复合材料逐层"原位固结",在加工制造大型零部件、提高生产率、降低制造成本方面具有巨大的潜力。由于温度历程对复合材料构件成型质量有较大影响,本工作通过ANSYS软件模拟热源随铺放头移动、铺放过程中预浸料不断被铺叠到底层预浸料上,获得复合材料铺层的温度场分布情况。同时构建基于WinCC flexible的温度场在线测量系统,对铺层温度进行在线采集和存储。实验结果表明,在铺放成型过程中,每一层预浸料的温度曲线出现多个峰值,且随着热气温度的升高,每层峰值温度逐渐增加,热气温度越高,铺层间峰值温度差越大,热电偶测量结果与仿真结果相差越小。通过对实验结果中的峰值温度与有限元模拟结果进行对比,证明了有限元仿真模型的正确性。研究结果表明,随着铺放速率的加快,每层峰值温度逐渐降低,为满足成型要求,当热风枪出口处热气温度最高为600℃时,最大铺放速率为1.2m/min。     

国产T800级炭纤维表面特性及其复合材料微观界面性能

采用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等测试方法表征了两种国产上浆/去浆T800级炭纤维的表面特性,并通过单丝断裂实验测试了单丝复合体系微观界面剪切强度(IFSS),在此基础上研究了炭纤维表面特性对单丝复合体系微观界面性能及其耐湿热性能的影响。结果表明:去浆后炭纤维表面含氧活性官能团含量降低,粗糙度增加,与基体树脂的界面结合强度增大;湿热环境对复合材料的微观界面性能影响显著,尤其是破坏了纤维/基体间的化学键合作用,但去湿后部分界面性能可恢复。     

新型辐射制冷器用纤维支撑系统的设计和分析

设计了1种新型辐射制冷器级间纤维支撑系统,介绍了其结构的设计,支撑材料的选择以及纤维接头的研制。利用MSC．Nastran有限元软件对系统进行准静态结构强度和纤维预紧力进行了分析。级间漏热的理论分析结果表明此纤维支撑系统为研制更大冷量的辐射制冷器提供了可能。