2.5维机织复合材料经向拉伸弹性模量预测与试验验证

采用沿经向切片积分的方法计算2.5维机织复合材料的宏观经向拉伸弹性模量, 与试验结果和传统的体积平均合成方法进行了对比, 分析表明, 本文中的方法能够有效提高传统体积平均法的预测精度。利用文中的方法分析了2.5维机织复合材料沿在机织循环过程中的经向拉伸弹性模量分布情况, 并且对相关机织结构的2.5维机织复合材料进行了试验研究。研究发现, 经纱弯曲程度较小的直联结构和添加平直经纱的衬经结构能够有效提高2.5维机织复合材料的经向拉伸弹性模量, 并且能够改善经向拉伸应力-应变曲线的非线性。     

2.5维机织复合材料强度准则

2.5维机织复合材料已有较为广泛的应用,目前对该类复合材料强度理论的研究还相对较少。根据2.5维机织复合材料拉伸破坏的细观机理,基于单向复合材料的三维Hoffman准则,建立了2.5维机织结构复合材料拉伸破坏准则,通过对2.5维机织复合材料3种结构24个试件进行拉伸试验,与计算预测结果的对比表明了本文建立的强度准则的合理性。研究表明,纤维拉伸断裂是2.5维机织复合材料拉伸破坏的主要原因;相比基于最大应力准则、Hashin准则建立的强度准则,基于Hoffman准则建立的强度准则综合考虑了纤维在外载荷作用下各应力分量对纤维断裂破坏的影响,其预测结果与实际试验结果更为接近;在其他条件不变情况下,随纱线取向角增大,纱线拉伸断裂应力呈非线性降低。随纱线纤维体积含量增加,纱线拉伸断裂应力成线性增加。     

2.5维机织结构复合材料的几何模型

基于经纱矩形截面及纬纱双凸透镜截面假设 , 分析了 2. 5 维机织复合材料的细观几何结构 , 重点考虑了该结构表层经纱与内部经纱密度的不同及相同机织结构合成不同厚度和纤维束截面的情况 , 建立了 2. 5 维机织复合材料的单胞几何模型。该几何模型可以计算各种 2. 5 维机织结构单胞内各纱线系统的形态 , 包括取向角和纤维体积分数。通过对 8种结构 28 个试件纤维体积分数的测定 , 与计算预测结果的对比表明本文中建立的几何模型较好地反映了 2. 5维机织复合材料的内部结构。此外 , 利用本模型计算分析了 3 种不同结构的纤维体积分数和取向角。结果表明 : 单胞内经纬纱交织的次数是决定纤维体积含量的一个关键因素 ; 直联结构相比弯联结构 , 其经纱取向角明显降低。      

2.5维机织复合材料的强度特性

针对浅交弯联和浅交直联两种2.5维机织结构,采用VARTM工艺制备了试验件并进行了强度性能测试,通过对其拉伸后的试样进行切片和断面的SEM观察,研究了拉伸过程中复合材料内部的破坏机理。实验结果表明:在相同纱线排列密度情况下,浅交直联结构的经、纬向拉伸强度明显高于浅交弯联结构;随着纱线层数的增加,两种结构的经向拉伸强度均增大,而纬向拉伸强度则有所波动;对于不同结构的2.5维机织复合材料在单一拉伸载荷作用下,表现出不同的损伤模式,且损伤的初始位置和扩展路径具有一定的分散性。     

碳纤维与玻-碳层间混杂2.5维机织复合材料的力学性能对比研究

2.5D机织复合材料由于具有特殊的层间联锁结构和相对成熟的织造、制备技术,在很多领域得到了广泛关注和应用。本工作制备了一种碳纤维2.5D机织复合材料和一种碳纤维-玻璃纤维混杂的2.5D机织复合材料。对两种复合材料经向和纬向的压缩、弯曲及剪切性能进行研究,并分析结构与性能间的关系。结果显示：2.5D织物经向压缩强度高于纬向,也优于2.5D混杂织物复合材料,而2.5D织物与2.5D混杂织物复合材料纬向压缩强度十分接近;2.5D织物与2.5D混杂织物复合材料经向弯曲强度差别不大,2.5D织物纬向弯曲强度则明显高于2.5D混杂织物复合材料;2.5D织物纬向最大层间剪切强度大于经向层间剪切强度,2.5D织物与2.5D混杂织物复合材料经向剪切强度差别不大,而2.5D混杂织物复合材料纬向剪切强度远低于2.5D织物复合材料。     

2.5维C/SiC复合材料经向拉伸性能

将微观尺度的强度预测模型与单胞尺度有限元模型相结合, 建立了2.5维C/SiC复合材料的双尺度强度预测模型。该模型首先计算微观尺度的应力-应变曲线以及最终失效时的力学性能, 然后将其带入单胞模型, 对不同边界条件下单胞模型的弹性模量进行折减, 统计单胞模型的平均应力与应变, 最后得到单胞尺度的应力-应变关系和最终失效时的力学性能。通过2.5维C/SiC复合材料常温和高温条件下的经向单轴拉伸试验, 得到了2.5维C/SiC复合材料经向拉伸过程的应力-应变曲线以及最终失效时的力学性能。结果表明, 理论分析结果与实验值基本一致, 验证了该方法的有效性。     

基于细观结构的2.5维机织复合材料强度预测模型

采用经纱矩形截面及纬纱六边形截面假设,将经纱的屈曲轨迹简化为折线形式,建立了2.5维机织复合材料单胞几何模型。以单胞为研究对象,引入改进的三维Hashin失效准则和Mises准则作为组分材料的失效判据,采用不同的刚度退化方式来表征不同的失效模式,建立了基于逐渐损伤理论的强度预测模型。利用有限元分析（FEA）技术,开发了相应的参数化2.5维机织复合材料逐渐损伤分析程序,预测了浅交弯联结构不同机织参数2.5维机织复合材料的拉伸强度,并模拟了经向拉伸和纬向拉伸的损伤扩展过程。与静拉伸试验结果相比,拉伸强度的预测误差在10%以内;模拟的失效模式与试验结果吻合较好。     

二维机织复合材料弹性常数的有限元法预测

为了预测二维机织复合材料的弹性性能,建立了有限元力学分析模型。基于二维机织复合材料的几何特征,建立了参数化的单胞模型;考虑了织物纤维束呈现出的各向异性材料特征,将有限元中材料主方向转化到纤维屈曲方向,建立其力学分析有限元模型;分析了单胞边界面保持平面假设的不足,提出了对于二维机织复合材料通用的周期边界条件,获得了更为准确的二维机织复合材料的工程弹性常数。结果表明:织物衬垫单胞边界面,在单向拉伸载荷和纯剪切载荷下,呈凹凸翘曲变形,即为周期边界;应用给出的织物参数化几何建模方法与有限元求解方法,可以精确地获得工程弹性常数,数值计算结果与实验值吻合较好。      

2.5D机织复合材料经向和纬向振动疲劳行为对比

2.5D机织复合材料抗分层、耐冲击,在航空发动机结构上具有巨大的应用前景。本文对一种2.5D机织碳纤维增强双马树脂基复合材料经向和纬向试件,开展了不同名义应力水平下的一阶弯曲共振疲劳试验。试验结果表明：经向试件的振动疲劳性能优于纬向试件,随着应力水平的提高,经向和纬向试件的寿命明显缩短,而固有频率下降百分比增加,试件内部的损伤严重程度和损伤扩展速度都随之提高。2.5D机织复合材料经向和纬向试件在共振疲劳试验过程中的主要失效模式是纱线与基体之间脱粘造成的结构完整性丧失,从而导致试件的刚度持续下降。试件内部损伤的三维电子计算机断层扫描(Computerized tomography,CT)重构图像表明,损伤散布于试件工作段区域,应力水平越高,2.5D机织复合材料经向和纬向试件内部损伤范围越大,损伤程度越高,而且纬向试件内部损伤状态比经向试件严重。利用双对数线性寿命模型,对经向和纬向试件在不同名义应力水平下的共振疲劳试验数据进行拟合,得到2.5D机织复合材料经向和纬向试件共振疲劳应力-寿命(Stress-life,S-N)曲线的数学模型,得到的S-N曲线可用于预测2.5D机织复合材料的寿命。     

2.5D机织石英纤维增强树脂复合材料不同方向力学性能测试与模量预测2.5D机织石英纤维增强树脂复合材料不同方向力学性能测试与模量预测

石英纤维增强树脂复合材料常用于多物理场耦合环境下,为保证足够的层间性能,常采用2.5D机织的结构形式。本文对一种浅交弯联2.5D机织石英纤维增强双马树脂复合材料的三维力学性能进行全面测试,对比分析了材料在不同方向的拉伸性能和压缩性能,以及面内、面外剪切性能。测试结果表明,该复合材料的纬向拉伸、压缩模量略高于经向,而拉伸、压缩强度远高于经向,导致经向和纬向拉、压破坏模式差异显著,拉伸时弯曲的经向纤维被拉断,平直的纬向纤维劈裂,压缩时平直的纬向纤维压断,弯曲的经向纤维屈曲。同时,该种材料具有较高的面内、面外剪切变形能力。此外,本文基于混合定律,提出了一个2.5D机织复合材料经、纬向模量估算公式。基于材料微观结构特征,以包含经纱和纬纱的一个单胞作为代表性体积单元,建立有限元模型,预测该2.5D机织复合材料经向模量,预测结果与试验结果吻合很好。本文的研究对2.5D机织石英纤维/双马树脂复合材料的研发具有一定的指导意义。      

2.5D机织复合材料压缩性能实验与数值模拟

为了研究2.5D机织复合材料的压缩损伤和失效机制,验证双尺度渐进损伤有限元数值模拟方法的有效性,对这类复合材料分别沿经纱方向和纬纱方向进行了准静态压缩实验,获得了其相应的应力-应变曲线,并测定了材料的初始弹性模量和极限强度。在此基础上,利用双尺度渐进损伤有限元数值方法模拟分析了材料的压缩应力-应变响应和损伤演化行为,取得了与实验吻合较好的模拟结果。结果表明:2.5D机织复合材料在纬向压缩下的主要失效模式是纬纱的轴向压溃与断裂,可获得相对较高的压缩强度;但在经向压缩下,经纱因弯曲会承受附加弯矩作用,从而对周围基体造成挤压,故在经纱轴向断裂之前容易出现经纱之间基体的压溃和纱线之间的分层开裂,使强度降低,不利于发挥纤维的承载优势。     

2.5D机织复合材料弹性性能的有限元分析

在已有研究的基础上,提出了一个新的2.5D机织复合材料有限元模型,该模型较为真实的模拟了织物内纤维束的轮廓结构和走向,模型中纤维束单元的材料属性根据其所处位置及纱线走向的不同对其分别进行定义。利用该模型,以机织结构和纤维束排列密度为参数,详细研究了其对2.5维机织复合材料弹性性能的影响情况,并对其影响特征进行了分析讨论。将计算结果与实验值和刚度平均法预测结果进行了对比分析。结果表明,有限元法预测结果介于实验值和刚度平均法预测值之间,非常接近于实验值,且优于刚度平均法预测的结果。     

Geometric modeling of 3D woven composite with warp and fill mutual imitation

采用改进的经纱脉络法表征三维机织复合材料结构,并将单胞分解为亚胞晶阵,提出屈曲形态码概念,并利用编码中蕴含的信息以分段样条曲线拟合纱线中心线;采用经纬纱互相规仿的方法,以分段样条曲线拟合纱线截面轮廓线,进而以解析法建立了预制件的几何模型;将所建模型与电镜照片进行对比,获得了较好的一致性。研究结果表明：可用分段样条曲线描述预制件中纱线的形态;精度相同时,互规法建模效率远高于迭代法。     

三维机织复合材料力学性能的各向异性

通过一系列的实验、分析, 客观地评价了4 种不同结构碳/ 环氧3D 层-层正交角联锁机织复合材料沿0°、30°、45°、60°、90°方向的拉伸、压缩、弯曲强度和模量。实验结果表明: 三维机织角联锁复合材料属正交各向异性材料, 各个方向的拉伸、压缩、弯曲强度和模量曲线呈枫叶形, 具有明显的双主轴特性; 4 种不同结构复合材料的各向异性力学性能有差异, 经向力学性能以带衬经的角联锁结构为最佳, 而纬向力学性能以纬密大的角联锁结构为最佳; 三维机织角联锁复合材料具有很强的性能可设计性, 正确选择纤维原料、纤维细度、三维预制件的组织结构和各个纱线组分的排列密度, 即可达到预期的性能指标要求。