碳/环氧3D角联锁结构复合材料压缩性能的实验研究

碳/环氧3D层-层正交角联锁结构复合材料是很有应用潜力的材料,然而,到目前为止,这种材料的力学性能数据较少,影响了其可靠性的评估.本研究通过测试四种不同结构的角联锁结构复合材料的压缩性能,客观地评价了结构与压缩性能的关系.实验结果和分析表明:四种结构的复合材料在相互垂直的经向和纬向均具有较高的压缩强度和压缩模量;经纱密度大的结构其经向压缩强度也大,同样,纬纱密度大的结构其纬向压缩强度也大;呈伸直状态的衬纱对提高其所在方向的压缩模量贡献很大.     

3D机织复合材料卫星桁架接头的抗弯刚度研究

为了研制高性能复合材料卫星桁架接头,采用三维有限元分析技术,分析了三维整体织物增强的碳纤维卫星桁架接头三通制件的等效抗弯刚度和内部应力分布,并与制件的三点弯曲实测结果进行了对比.结果表明:三通制件的等效抗弯刚度可以用有限元软件快速、方便、准确地计算出来,并可提供制件任意部位的应力分布状态,为优化制件结构设计提供理论依据.弯曲破坏实验的破坏载荷未能真实地反映接头的最大抗弯破坏承载能力,3个方管的根部应力尚未达到材料的破坏极限.     

2.5D机织复合材料冲击后剩余强度研究

本文主要对2.5D机织复合材料冲击后的剩余拉伸强度进行研究。采用落锤法预制冲击损伤,并进行剩余拉伸试验。用了基于层合板理论的软化夹杂法对冲击后试样进行刚度衰减的模拟,用有限元软件根据点应力破坏准则计算得到剩余强度,并与剩余拉伸试验结果进行比较,验证了模型的有效性。为便于对比,对平面机织斜纹布铺设的层合板进行了同种计算和实验,得到了在相同冲击能量下2.5D机织复合材料剩余拉伸强度衰减比例小于层合材料的结论,证明2.5D机织复合材料由于Z方向经纱的存在因而具有良好的抗冲击性。     

玻/涤混杂3D机织复合材料拉伸性能的研究

混杂纤维增强复合材料是一种新型的复合材料.本文探索了混杂纤维复合材料体积含量的计算方法,通过改变混杂比设计了四种线型并对复合材料拉伸性能进行研究,观察断口形貌,分析其断裂机理.结果表明:混杂纤维增强复合材料拉伸断裂过程与纤维各组分的强度、伸长以及树脂材料性质关系密切.随着涤纶含量的增加,混杂纱线密度逐渐减小,而板材的断裂伸长率逐渐增加.试样抗拉强度与涤纶百分含量呈二次方关系,涤纶含量为60.682%时复合材料抗拉强度达到最小值,材料发生二次断裂.     

碳/铝复合材料界面结合强度对拉伸性能的影响

本文主要研究C/Al复合材料先驱丝的界面结合强度的表征方法以及界面结合状态对复合材料拉伸性能的影响.用自行研制的小型剪切试验机测定复合材料先驱丝的纵向剪切强度,通过计算得到复合材料界面处的剪切强度以此作为界面结合强度的定量表征方法.实验证明,不同界面结合强度的复合丝在宏观上表现出有不同纵向剪切强度值,复合材料的界面结合强度可以用界面剪切强度值定量描述.复合材料拉伸强度随界面强度提高而减少,在满足复合材料横向强度要求前提下,降低复合材料界面结合有利于提高拉伸强度.     

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。     

温度对三维五向编织/环氧树脂复合材料拉伸性能的影响

研究了三维五向编织/环氧树脂复合材料和树脂基层合复合材料在室温、80℃、150℃和180℃的拉伸性能,讨论了不同温度对三维五向编织复合材料和层合复合材料拉伸的影响规律。研究结果表明,三维五向编织复合材料在80℃、150℃时的拉伸强度与室温相近,而在180℃时,比室温时的拉伸强度下降了15.37%;层合复合材料在80℃、150℃和180℃时的拉伸强度则比室温分别下降了3.45%、13.3%和34.42%。造成层合复合材料高温拉伸强度下降较大的原因是:在高温时,由于树脂被破坏,使层合复合材料发生了分层。说明相同树脂基体的复合材料,增强体结构对复合材料在高温时的拉伸性能有着重要的影响。     

碳纤维3D机织预制体弯曲性能

异形结构复合材料构件成型过程中,其内部纤维预制体往往发生显著的宏观变形。预制体的弯曲性能对褶皱缺陷的形成和演化有着决定性影响。采用三点弯曲法对碳纤维3D机织预制体进行了测试,利用Micro-CT技术研究了预制体的微细观变形机制,分析了经纱密度和纬纱密度对预制体弯曲性能的影响规律。结果发现：3D机织预制体的临界弯曲能量随着组织点密度的增加大致呈线性增大的趋势。预制体弯曲变形主要由经纱屈曲度变化、局部压缩屈曲和经纬纱层间滑移等微细观变形构成。     

UD-Cf/SiC陶瓷基复合材料的高温拉伸性能

采用两种形状(纺锤形、矩形)的拉伸试样对热压单向M40JB-C_f/SiC和T800-C_f/SiC复合材料进行了高温拉伸强度测试,得到了C_f/SiC复合材料的拉伸强度,并对纺锤形试样断裂应变的表达式进行修正,得出了复合材料的弹性模量。M40JB-C_f/SiC复合材料1300℃的拉伸强度及模量分别为374 MPa和134 GPa, 1450 ℃的拉伸强度及模量为338 MPa和116 GPa,T800-C_f/SiC复合材料1300 ℃拉伸强度和模量为392 MPa 和115 GPa。测试结果与试样的断裂方式密切相关,在有效部位断裂的测试结果大于在非有效区断裂的测试结果。M40JB-C_f/SiC复合材料的拉伸断裂应力-应变曲线表现出塑性变形的非线弹性破坏特征,而T800-C_f/SiC主要表现为线弹性特征。      

3D机织复合材料多向接头有限元分析

为了探究3D机织复合材料桁架接头的机械性能,采用有限元软件ANSYS对3D机织复合材料多向接头所在桁架总体进行有限元模拟,模拟中根据纤维走向对多向接头不同轴向圆管建立相应坐标系,并赋予材料属性,使用MPC多点约束法施加载荷.求解分析后结果表明:模拟结果与实测结果中最大应变的位置与数值基本吻合,确定了模拟的有效性;将最大应力与破坏应力对比发现接头在当前载荷下可能发生轻微破坏,破坏位置应位于副管顶部;通过模拟判断了实测中发生轻微响声的原因;将4种角联锁结构的多向接头模拟结果对比发现,带有衬经结构的复合材料为多向接头最佳材料.此次模拟补充了实测中无法得到的数据,为接头的优化设计和实际使用提供一定的帮助.     

Modeling strategies of 3D woven composites: A review

Due to advancements made in 3D weaving process, 3D woven composites have evolved as an attractive structural material for multi-directional load bearing and impact applications, due to their unique transverse properties such as stiffness, strength, fracture toughness and damage resistance. Substantial progress has been made in recent years for the development of new modeling techniques in design and analysis to understand the unique mechanical behavior of 3D woven composites. This paper systematically reviews the modeling techniques along with their capabilities and limitations for characterization of the micro-geometry, mechanical/thermo-mechanical behavior and impact behavior of 3D woven composites. Advantages, disadvantages and applications of 3D woven composites have also been delineated. In addition, this reference list provides a good database for future research on 3D woven composites.     

Analytical elastic stiffness model for 3D woven orthogonal interlock composites

This research presents the development of an analytical model to predict the elastic stiffness performance of orthogonal interlock bound 3D woven composites as a consequence of altering the weaving parameters and constituent material types.     

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。      

三维正交机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料动态力学性能的实验和理论研究

通过实验系统研究了三维正交机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料厚度方向和面内方向的动、 静态压缩力学性能。结果表明, 动、 静态压缩载荷作用下该材料响应表现出明显的各向异性、 非线性和应变率敏感性。针对三维正交机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料高速变形过程中不同形式的内部缺陷和微损伤的演化, 提出了一个依赖应变、 应变率的宏观损伤量, 建立了一种含损伤的非线性黏弹性本构模型。采用数据处理方法拟合了其本构方程材料参数, 在加载过程中, 模型计算值与实验结果吻合较好。     

三维正交机织复合材料的动态压缩性能

本文作者利用分离式Hopkinson压杆装置对玻璃纤维三维正交机织复合材料进行了高应变率下面外、面内方向的压缩试验,并在万能试验机下进行了相应的准静态压缩。获得3 个高应变率及准静态下的应力-应变曲线,观察了试样的破坏形貌。结果表明：玻纤三维正交机织复合材料是应变率敏感材料,最大应力、压缩模量随着应变率的增大而增大。三维正交结构使复合材料体现出各向异性：面外的最大应力、失效应变比面内大;面内的压缩模量大于面外,且压缩模量对于应变率的变化比面外方向敏感;经纬向相比,纬向的最大应力大于经向。     

三维机织复合材料在拉压循环载荷下的疲劳性能

为研究三维机织复合材料在拉伸-压缩循环载荷下的疲劳性能,对材料进行了应力比R=-1的疲劳试验。在不同的载荷水平下,分别进行了纬向和经向两类拉压疲劳试验。试验获得了试样在疲劳载荷下的滞回曲线和全过程中剩余刚度比随寿命的变化曲线。结果表明,在拉伸-压缩循环载荷下,三维机织复合材料的疲劳损伤过程主要包含3个阶段,分别发生基体破坏、纱线横向裂纹扩展和纱线的最终断裂。基体的破碎和开胶、垂直于载荷方向排布的纱线撕裂和沿载荷方向排布的纱线断裂是试样内部的主要失效模式。试验还获得了纬向和经向拉压疲劳的拟合S-N曲线,可应用于工程中对该型材料进行疲劳寿命估算。该型材料的疲劳寿命在低应力区和高应力区均显示出较小的分散性,双对数坐标系下的拟合S-N曲线具有较好的线性度。     

三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料在热环境中的拉压力学性能实验

针对不同编织角度的三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料,进行了热环境下的轴向拉伸和压缩力学性能实验研究,讨论了温度对三维四向编织复合材料的轴向拉伸和压缩力学性能的影响,并根据宏观断裂形貌和SEM图像分析了材料的破坏和断裂机制。结果表明,随着测试温度的升高,三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料的纵向拉伸强度有小幅提高,而纵向压缩强度显著降低。在室温条件下,编织角对材料的纵向拉伸破坏特征没有影响,而对材料的纵向压缩破坏特征有较大影响。随着测试温度的升高,不同编织角度复合材料的纵向拉伸和压缩的损伤破坏形态均与室温条件下明显不同。      

Mesh generation and geometrical modelling of 3D woven composites with variable tow cross-sections

The modelling of 3D woven composites represents a key part in both material and component design. Current modelling techniques can struggle to mesh correctly accurate unit cell models and apply the complex but necessary periodic boundary conditions required, often with sacrifices made in idealisation of the weave architecture. An automated voxel meshing technique suitable for modelling failure in 3D woven composite unit cells has been developed, which is generic in nature and allows incorporation of architectural deformities within weaves, including tow rotations and misalignments. The model requires node points with only five independent variables to define the unit cell geometry. Application of a smoothing algorithm to the tow/matrix interface voxels produces a suitable surface for modelling tow/matrix debonding, leading to a more accurate representation of the stress field.     

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。