缝合泡沫夹层复合材料低速冲击数值模拟及实验

在ABAQUS分析平台中建立了缝合泡沫夹层复合材料在低速冲击下的动力学有限元模型,采用杆单元模拟缝线树脂柱的作用,基于Hashin破坏准则模拟层板面内损伤,通过各向同性硬化本构模型利用等效塑性变形模拟泡沫夹芯损伤演化。针对相同铺层的缝合和未缝合泡沫夹层结构,模拟了相同冲击能量下的低速冲击响应过程及面板、泡沫的损伤情况,数值结果与实验结果吻合较好,证明了该方法的有效性和准确性。研究结果表明,在低速冲击下,泡沫夹层结构引入缝线后虽然降低了泡沫缓冲吸能的作用,使得面板表面受到较大的冲击破坏,但增强了整体刚度,增大了面板抵抗弯曲变形的能力,减小了内部面板的损伤,使其在改善复合材料面板易分层缺陷的同时还依然拥有优良的面内性能。     

缝合参数对缝合泡沫夹芯结构复合材料VARTM工艺树脂充模的影响

对不同缝合参数的缝合泡沫夹芯结构复合材料真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺进行数值模拟,研究了针距、行距、缝针直径、芯板厚度及纤维面板厚度等缝合参数对缝合泡沫夹芯结构复合材料VARTM工艺树脂流动充填的影响。结果表明,改变缝合行距对树脂的流动充填速度影响不大,缝合行距越大,树脂在下层纤维面板流动的同步性越差,制品出现空隙及干斑的可能性越大;缝合针距越小,树脂完成充填的时间越长;分别增加缝针直径和泡沫芯板的厚度,树脂完成充填时间呈线性增长,缝针直径越大,下层纤维面板树脂浸润效果越好;纤维面板厚度增加,树脂完成充填的时间变长,且相对于其他缝合参数,纤维面板厚度对树脂流动充填时间影响最大;缝合针距、泡沫芯板的厚度及纤维面板的厚度都不影响树脂在下层纤维面板的浸润效果。     

斜缝与Z-pin混合增强泡沫夹层复合材料力学性能实验研究

结合斜缝合增强和Z-pin增强2种方法, 采用混合增强方法制备泡沫夹层结构, 并对这种结构材料的平压、 平拉和剪切力学性能进行了实验研究, 考察了不同混合比例对其力学性能和破坏模式的影响。结果表明, 夹层结构中, 随着Z-pin比例的增加, 压缩强度和模量增大; 随着斜缝合比例的增加, 拉伸强度、模量以及剪切强度增大; 但不同混合增强试样的剪切模量差别不大。      

玻璃纤维立体织物增强环氧树脂泡沫夹层复合材料的制备及力学性能

为了进一步提高泡沫夹层复合材料的承载能力和综合性能,实现其在轨道交通及汽车等工业领域的应用,开展了玻璃纤维立体织物增强环氧树脂泡沫(GF-Fabric/EP)复合材料的制备及其力学性能的研究。制备GF-Fabric/EP复合材料及其夹层结构,探索了GF-Fabric/EP复合材料及其夹层结构的失效行为,以揭示立体织物的增强机制。结果表明：立体织物的引入可显著改善GF-Fabric/EP复合材料的强度、刚度及破坏应变;但在不同承载条件下,各纱线发挥承载作用和效果不同。面板、芯材各自的性能、尺寸及面/芯界面性能均是影响GF-Fabric/EP夹层复合材料力学性能及失效特征的重要因素。以三点加载下的弯曲性能为例,针对不同的GF-Fabric/EP夹层复合材料,需调整跨厚比和试样尺寸并获得理想的失效特征,方可对其弯曲性能或层间剪切性能进行有效、合理的评价。     

缝合复合材料的应用与力学性能

从缝合复合材料的应用、力学性能等方面对缝合复合材料技术及其发展状况进行了比较全面的阐述。缝合复合材料在结构整体性以及高层间性能等方面具有明显的优势,因此有其应用价值与前景。在选用缝合时,应根据所用层板的铺层顺序及其使用的环境条件,同时还应兼顾缝合对铺层面内力学性能的影响,决定是否使用缝合结构。     

Z-pin增强对泡沫夹层结构弯曲和振动性能的影响

通过试验研究了Z-pin增强泡沫夹层结构的弯曲性能,与未增强材料进行比较.提出采用树脂Z-pin对泡沫夹层结构进行横向增强,比较了碳pin和树脂pin的不同增强效果.结果表明,横向增强能够极大地改善泡沫夹层结构的弯曲性能,树脂pin的增强作用虽然弱于碳pin,但同样具有明显的增强效果.在此基础上,基于Z-pin增强泡沫夹芯的力学性能,对夹层结构的弯曲刚度和弯曲最大破坏载荷进行预测.最后考察了增强Z-pin各参数对泡沫夹层结构自振频率的影响,为其在航空航天等振动结构中通过合理的阻尼设计达到调频的目的打下基础.     

复合材料缝合结构强度试验研究

本文对复合材料缝合结构的基本力学性能、单针连接性及多钉拉伸和剪切强度进行了试验研究,结果表明,虽然缝合工艺本身可使层间性能成倍增加,特别是使冲击后压缩后的强度值增加了一倍,但同时也使缝合／ＲＦＩ板的面内拉伸、压缩和剪切性能有所降低。缝合／ＲＦＩ单钉连接的钉孔位置对缝合／ＲＦＩ板挤压强度的影响可以忽略。文中还给出了缝合／ＲＦＩ板和层压板的两排两列四钉伸连接和多钉剪发连接强度试验结构。     

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%。     

Kevlar纤维缝纫泡沫芯材复合材料力学性能研究

基于热压罐成型工艺,制备了kevlar纤维缝纫泡沫芯材复合材料夹层板,并通过扫描电镜观察了胶膜中的树脂在kevlar纤维束之间的浸润状态,为工程化应用提供参考.选取未缝纫泡沫夹芯复合材料和碳纤维预浸料缝线缝纫泡沫芯材复合材料夹层板为对比试样,实验研究了kevlar纤维缝纫泡沫芯材复合材料夹层板的平压、剪切和侧压力学性能,并考察了缝纫针距、行距的变化对其力学性能和破坏模式的影响.研究表明:在真空压力下,胶膜中的树脂与kevlar纤维浸润良好;对泡沫芯材进行kevlar纤维缝纫增强后,其力学性能显著提高,并改变了夹层板的破坏机理.实验范围内,随着缝纫密度的提高,平压强度和模量增大;夹层板剪切性能和侧压性能受缝纫密度的影响较大,在缝纫参数(缝纫行距×针距)为10 mm×10 mm时,增强效果较佳,其剪切强度和侧压强度分别提高了44%和21%,剪切模量和侧压模量分别提高了34%和127%.     

纤维缝合结构对夹芯结构复合材料力学性能的影响

通过RTM工艺成型了点阵增强夹芯结构复合材料,研究了纤维缝合结构对复合材料平压及侧压力学性能的影响,并探索了侧向压缩载荷下夹芯结构复合材料的破坏模式。结果表明,采用纤维缝合的方式可显著提高夹芯结构复合材料的力学性能。双向增强夹芯复合材料在长度和厚度方向上的侧压强度和模量相同,单向增强的侧压强度和模量表现出方向性,且长度方向上的模量明显高于宽度方向的。     

缝纫泡沫夹芯复合材料的刚度预测与试验验证

基于材料细观结构,建立了缝纫泡沫夹芯复合材料的刚度预测模型,并进行了刚度性能的相关试验验证。其中,对缝纫复合材料层合面板部分,考虑了缝纫角对单胞尺寸和富脂区大小的影响,以及缝纫前后层合面板厚度的变化对复合材料面板纤维体积含量的影响,采用改进的纤维弯曲模型计算了缝纫复合材料层合面板的刚度;对缝纫增强的泡沫夹芯部分,把缝线树脂柱看作是泡沫基体中的增强相,将其简化为特殊的单向增强复合材料,提出了用串并联组合模型来预测其刚度。试验测试了缝纫泡沫夹芯复合材料板试件的刚度。应用本文模型对缝纫层合面板和缝纫泡沫夹芯复合材料板的刚度进行预测,结果均与试验结果吻合较好。采用理论模型系统研究了缝纫参数和结构参数对缝纫泡沫夹芯复合材料刚度的影响。     

VARI成型泡沫夹芯壁板结构界面性能

针对真空辅助成型工艺(VARI)制备的泡沫夹芯壁板面-芯界面粘接强度较低的问题, 提出铺放本体树脂胶膜和对芯材进行打孔两种解决方案。通过无损检测、三点弯曲力学性能测试、计算机模拟树脂充模流动以及微观界面结构观察, 探究两种方案的可行性及改善效果, 分析了胶膜的有无和厚度、打孔工艺参数对界面性能的影响。结果表明, 在不加入胶膜时界面强度最高, 胶膜厚度在0.5 mm时, 无损检测显示的界面缺陷最少, 胶膜厚度达到2 mm后界面质量下降; 合理设计芯材的打孔行、间距可以促进树脂充模流动, 形成质量好的连续界面, 同时还能提高结构刚度。     

缝纫泡沫夹芯复合材料板的稳定性分析

整体屈曲是缝纫复合材料夹芯板的一种重要失效模式。考虑到缝纫夹芯复合材料板一般较厚且面板与芯层厚度相差较大, 缝纫工艺对夹芯板刚度影响较大的特点, 基于高阶剪切理论, 编制了缝纫泡沫夹芯复合材料板稳定性分析的有限元程序。利用该程序对多个算例进行了计算, 所得临界屈曲应力与文献及试验结果吻合很好。同时, 讨论了不同边界条件下缝纫泡沫夹芯复合材料板稳定性随缝纫参数(包括针距、 行距和缝纫针半径)以及结构参数(包括面板铺层角、 芯层厚度和缝纫夹芯板边长)的变化规律。      

一种新型自粘接预浸料-Nomex蜂窝板面-芯结合强度关键影响因素试验研究

以Nomex蜂窝和新型自粘接预浸料作为试验材料,通过采用均压板的共固化工艺制备蜂窝夹层板.采用滚筒剥离方法测试其面-芯结合性能,采用电子显微镜等方法观察其蒙皮-蜂窝粘接面、剥离后蒙皮表面结构及蜂窝壁端面的微观形态,并测试了蜂窝壁厚度与蜂窝壁浸渍的树脂成分.结合以上测试结果研究了在采用均压板的制备过程中工艺参数和蜂窝特征对蜂窝夹层板面-芯结合强度的影响规律,并考察了蜂窝夹层板的粘接形式.结果表明:在采用均压板模具的共固化工艺中,一定的升温速率范围内,蜂窝板的面-芯结合强度随着升温速率的减小而增大;而加压时机对蜂窝板的面-芯结合强度的大小没有明显的影响;蜂窝壁端面越粗糙、蜂窝壁树脂层厚度越小,夹层板的面-芯结合强度越好.     

A review of the effect of stitching on the in-plane mechanical properties of fibre-reinforced polymer composites

This paper reviews over fifty studies into the effect of through-the-thickness stitching on the in-plane mechanical properties of fibre-reinforced polymer composites. Reviewed are the in-plane tensile, compressive, flexure, interlaminar shear, creep, fracture and fatigue properties, although little work has been undertaken on the last three properties. When comparing studies it is apparent that many contradictions exist: some studies reveal that stitching does not affect or may improve slightly the in-plane properties while others find that the properties are degraded. In reviewing these studies it is demonstrated that predicting the influence of stitching on the in-plane properties is difficult because it is governed by a variety of factors, including the type of composite (eg. type of fibre, resin, lay-up configuration), the stitching conditions (eg. type of thread, stitch pattern, stitch density, stitch tension, thread diameter), and the loading condition. The implications of these findings for the use of stitching in lightweight engineering structures are discussed.     

一种新型自粘接预浸料-Nomex蜂窝板面-芯结合强度关键影响因素试验研究

以Nomex蜂窝和新型自粘接预浸料作为试验材料, 通过采用均压板的共固化工艺制备蜂窝夹层板。采用滚筒剥离方法测试其面-芯结合性能, 采用电子显微镜等方法观察其蒙皮-蜂窝粘接面、剥离后蒙皮表面结构及蜂窝壁端面的微观形态, 并测试了蜂窝壁厚度与蜂窝壁浸渍的树脂成分。结合以上测试结果研究了在采用均压板的制备过程中工艺参数和蜂窝特征对蜂窝夹层板面-芯结合强度的影响规律, 并考察了蜂窝夹层板的粘接形式。结果表明: 在采用均压板模具的共固化工艺中, 一定的升温速率范围内, 蜂窝板的面-芯结合强度随着升温速率的减小而增大; 而加压时机对蜂窝板的面-芯结合强度的大小没有明显的影响; 蜂窝壁端面越粗糙、蜂窝壁树脂层厚度越小, 夹层板的面-芯结合强度越好。     

缝纫泡沫夹芯复合材料失效强度的理论预测与试验验证

基于经典层板理论和细观力学桥联模型, 提出了缝纫泡沫夹芯复合材料失效强度的理论预测方法, 并进行了失效强度的相关试验验证。其中, 将缝纫复合材料面板看作单层组成的准层状结构, 采用经典层板理论进行逐层失效分析, 并同时考虑了局部皱曲的面板失效模式; 而对缝纫泡沫夹芯, 引入桥联模型计算其各组分材料中的应力, 并通过对各组分材料选取适当失效准则来建立失效判据; 对于缝纫泡沫夹芯复合材料采取逐级加载方式, 当面板或者夹芯失效时, 则认为其发生整体失效, 由此可以确定其在不同载荷形式下的失效强度。此外, 通过试验得到了缝纫泡沫夹芯复合材料板试件在平压、 侧压、 横向剪切及三点弯曲载荷形式下的失效模式及其失效强度, 并利用本文方法对缝纫泡沫夹芯复合材料的失效强度进行了理论预测, 所得结果与试验吻合, 证明了本文方法的有效性。      

Study on impact properties of through-thickness stitched foam sandwich composites

Through-thickness stitched foam core sandwich composites were fabricated by using RTM process; and impact performance and damage extent were studied at 1–70 J impact energy levels. The results show that two sharp peak loads and a low-loading plateau appear on the load-time plots at 1–30 J impact energy levels; both sharp peak loads can be considered as the course of penetrating top and bottom facings, a low-loading plateau has the characteristics of penetrating foam cores. Compare to the unstitched samples, the average damage angle of stitched samples increase by 48%, the maximal cracking width and penetration depth of the stitched samples decrease by 67% and 4% at 25 J impact energy levels.     

缝合泡沫夹芯复合材料低速冲击的多尺度数值方法

为了发展缝合泡沫夹芯复合材料低速冲击损伤的多尺度分析方法, 建立了缝合泡沫简化力学模型, 将缝合泡沫等效为缝线树脂柱增强的正交各向异性芯材, 其材料参数由各组分性能及所占体积分数根据均一化理论计算得出; 同时, 建立冲击试验有限元模型, 通过界面元模拟面板与芯材之间的层间分层。采用GENOA渐进损伤分析模块对缝合结构冲击动态响应过程进行数值模拟, 并将计算结果与试验记录进行对比分析。结果表明: 缝合可以减小面板破坏面积, 抑制面板与泡沫分层的扩展; 但缝纫会对结构造成初始损伤, 较高的缝合密度使芯材刚度增加, 不利于泡沫结构的缓冲吸能。数值模拟结果与试验记录吻合良好, 验证了多尺度分析方法的正确性。     

缝合连接三维编织复合材料拉伸性能试验研究

研究了多种缝合方向、 搭接长度和缝合密度对缝合连接三维编织复合材料拉伸性能的影响 , 并与三维整体编织复合材料的拉伸性能进行对比。结果表明: 缝合连接三维编织复合材料与三维整体编织复合材料相比 ,拉伸强度下降了 25 %～50 % , 初始模量下降了 35 %～55 %; 搭接长度对拉伸强度和模量的影响较大 , 拉伸性能随搭接长度的增加呈现先增大后减小的特征 , 当搭接长度与试件宽度的比值在 2. 5 左右时 , 试件的拉伸性能较好 ,与未缝合的三维整体编织试件相比 , 仅下降了 25 %; 相对而言 , 中密度缝合试件的拉伸性能最优 ; 缝合方向对试件拉伸性能的影响不明显。