2D-C/SiC复合材料偏轴拉伸力学行为研究

通过对2D-C/SiC复合材料试件进行不同偏轴角度的拉伸实验,研究了偏轴角度对材料拉伸力学特性的影响。通过应变片分别测得了材料加载方向和纤维束方向上的应力-应变行为,对比分析了偏轴角度对上述应力-应变行为的影响;并结合试件断口扫描电镜照片,阐释了纤维束方向上拉伸和剪切损伤间的相互耦合效应。实验结果表明,材料的拉伸模量和强度随偏轴角度的增大出现明显下降;材料纤维束方向上的拉伸损伤和剪切损伤具有显著的相互促进作用。最后,以材料0°拉伸和45°拉伸实验数据为基础,建立了材料的偏轴拉伸应力-应变行为预测模型,模型预测结果与实验结果吻合较好。     

2D-SiC/SiC复合材料损伤耦合力学行为

基于轴向和45°偏轴加载实验,分别获得2D-SiC/SiC复合材料在单一轴向应力和复合应力状态下纤维束轴向方向上的拉伸、压缩和面内剪切应力-应变行为,计算分析材料在复合应力状态下的损伤耦合力学行为。结果表明,在45°偏轴拉伸和压缩复合应力状态下材料损伤耦合力学行为的起始应力分别约为40MPa和-100MPa。复合应力状态下材料纤维束轴向方向上的拉伸损伤和面内剪切损伤进程间具有相互促进作用,面内剪切损伤对压缩损伤进程具有促进作用,但是压缩应力分量对面内剪切损伤进程具有明显的抑制作用;上述损伤耦合作用随着应力水平的增加而越发显著。由试件断口电镜扫描结果可知,复合应力状态下材料纤维束轴向方向上3个应力分量对材料内部0°/90°和45°3种取向基体裂纹开裂损伤进程的影响作用,是2D-SiC/SiC复合材料产生损伤耦合力学行为的主要细观损伤机制。     

复杂面内应力状态下平面编织高铝纤维增强氧化铝基复合材料强度及疲劳寿命预测方法

针对平面编织氧化铝基复合材料提出了一种复杂面内应力状态下的强度准则和疲劳寿命预测方法。通过拉伸、压缩及纯剪切试验,分别获得了材料的静强度指标。考虑材料拉、压性能的差异和面内拉-剪联合作用对材料强度的影响机制,提出了修正的Hoffman强度理论。采用该强度理论预测得到的偏轴拉伸强度与试验结果基本一致,偏差不超过10%。开展了偏轴角θ=0°、15°、30°、45°,应力比R=0.1,频率f=10 Hz的拉伸疲劳试验,试验结果表明随着偏轴角的增加,相同轴向拉伸载荷下的疲劳寿命逐渐降低。由于面内剪切应力分量的作用,疲劳失效由纤维主导逐渐过渡到纤维和基体共同主导的模式。基于单轴疲劳寿命曲线,采用Broutman-Sahu剩余强度模型表征剩余强度随疲劳循环次数的变化规律,结合剩余强度演化模型和修正的Hoffman强度理论,提出了一种面内复杂载荷条件下的疲劳寿命预测模型,并引入疲劳剪切损伤影响因子表征拉-剪应力联合作用对材料疲劳行为的影响。采用本文提出的疲劳寿命预测模型,预测不同偏轴角拉伸疲劳寿命,预测结果与试验结果基本一致,偏差在1倍寿命范围内。比较结果表明在给定应力比、温度和疲劳载荷频率条件下,该疲劳寿命预测模型可以用来预测平面编织氧化铝基复合材料拉-剪复杂面内载荷条件下疲劳寿命。      

平纹编织SiC/SiC复合材料多尺度建模及强度预测

连续SiC纤维增强SiC基体复合材料（SiC/SiC）具有优异的高温力学性能、辐照稳定性及较低的氚渗透率,在核工程结构领域具有良好的应用前景,掌握其承载状态下的损伤演化和强度性能,对SiC/SiC复合材料的应用具有重要指导意义。本文基于平纹编织SiC/SiC复合材料的制备过程和组分材料分布的多尺度特性,考虑复合材料微观结构的局部近似周期性,建立了纤维丝尺度和纤维束尺度单胞模型。使用有限元分析软件对纤维丝尺度模型的弹性性能和强度性能进行预测,将这些性能参数代入纤维束尺度模型,引入Tsai-Wu失效准则,根据材料的不同失效模式并对失效单元进行方向性刚度折减,模拟了平纹编织SiC/SiC复合材料在单轴拉伸载荷下的渐进损伤过程。数值模拟曲线与试验曲线吻合较好,实现了对平纹编织SiC/SiC复合材料强度的有效预测。      

2D-C/ SiC 复合材料的宏观拉压特性和失效模式

通过拉伸、压缩实验, 从宏观上研究了平纹编织C/ SiC 复合材料在简单载荷作用下模量、残余应变及泊松比的变化。通过断口观察, 分析了材料在面内拉、压载荷作用下的损伤与失效模式。实验结果表明, 拉伸载荷作用下, 材料在低应力就开始损伤。0°纤维束表面基体开裂和层间裂纹是主要损伤形式。损伤后, 随着应力增加, 拉伸卸载模量、泊松比线性减小, 残余应变增加; 压缩应力-应变基本呈直线关系, 模量、泊松比基本不变。拉伸破坏表现为韧性断裂, 断裂机理为分层后0°纤维束的断裂、携带90°纤维束拔出; 压缩破坏形成一个与加载方向成13°的断裂平面, 破坏机理为层间裂纹、0°/ 90°纤维束之间裂纹和90°纤维束内裂纹的产生和迅速扩展、最后0°纤维束剪切断裂。      

Z-pin增强陶瓷基复合材料拉伸和层间剪切性能

研究了Z-pin横向增强平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸和层间剪切性能。炭纤维平纹编织物和炭纤维Z-pin制备的预成型体, 通过化学气相渗透(CVI)工艺制成Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料。通过单轴拉伸试验及加-卸载试验研究材料拉伸力学性能参数及破坏规律。采用双切口压缩试验测试材料的层间剪切强度。结果表明, Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变曲线具有非线性特性; Z-pin嵌入降低了平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸强度, 显著提高了陶瓷基复合材料层间剪切强度, 使原来单纯层间基体与织物表面的脱离转变为Z-pin的剪切破坏和层间基体与织物的脱离双重破坏机理。     

三维编织SiC/SiC复合材料拉伸和弯曲损伤机制

为了研究三维编织SiC/SiC复合材料损伤机制,开展了室温条件下的单调拉伸和三点弯曲试验。实验前,利用CT扫描手段,明确了三维编织SiC/SiC复合材料试样的编织组织形态。对拉伸和三点弯曲试样的微观分析表明:原生孔洞和微裂纹导致了材料在单调拉伸过程中形成局部应力集中,随着拉伸载荷的增大,基体的横向开裂和纤维束间纵向层间裂纹逐渐演化形成纤维内部裂纹,导致材料最终的脆性断裂失效;在三点弯载荷作用下,表现为剪切、拉压共生的多耦合破坏模式,拉应力一侧首先发生失效,随后在中性面处发生剪切破坏,紧接着失效迅速向上下两侧扩展,直至截面在整个厚度方向发生失效;断口与纤维束的走向相关性很大,裂纹基本上沿着纤维束之间的界面进行扩展,导致最终失效未发生在理论失效位置处。      

基于结构参数的平纹机织复合材料等效弹性性能预测

经向纤维束与纬向纤维束纵横交错引起的纤维弯曲(也称为波纹)是平纹机织复合材料固有特征。首先,提出了一种精确描述平纹机织复合材料单胞3D结构特征的数学表达式。其次,基于经典层合板理论和等应力假设,考虑平纹机织复合材料厚度方向非对称引起的弯曲-拉伸耦合效应及单胞结构特征,建立了含结构参数的平纹机织复合材料等效弹性性能多参数解析模型。通过数个典型算例验证了建立的多参数解析模型,结果表明：该多参数解析模型预测值与相关文献中有限元模型预测值、解析模型预测值、实验值等均吻合较好;该多参数解析模型预测值尤其是Z向弹性性能预测值,比文献中解析模型预测值更接近于实验值。在此基础上,进一步探讨了纤维束波纹比(包括纤维束波动方向波纹比与纤维束横截面波纹比)、经向与纬向纤维束构成的预成形体厚度、纤维束中弯曲部分的长度、相邻纤维束之间间距等结构参数对平纹机织复合材料弹性性能影响。该多参数解析模型建模方法为研究纺织复合材料力学性能提供了参考。     

纤维束增强复合材料的双层次随机扩大临界核模型

针对纤维束增强复合材料, 提出了双层次随机扩大临界核模型。以复合材料制造工艺为基础建立了纤维间距和纤维束中纤维根数的计算模型, 将复合材料中的纤维分为2 个层次: 纤维束和纤维束群, 并提出父核和子核的概念对临界核的构成进行了区分, 用Beyerlein 公式计算纤维束群中纤维束相继失效引起的纤维束的平均应力集中因子, 用Sivasambu 公式来计算纤维束中纤维相继断裂造成的纤维的应力集中因子。然后, 以纤维断裂蔓延的主要模式为基础, 将逐渐增大的无效长度引入纤维束内部, 根据统计学理论推导相应的复合材料破坏概率计算公式。编制了相关程序, 通过该程序分别预测了S 玻纤、E 玻纤、玄武岩纤维无捻单向纤维布增强复合材料试件的拉伸强度。对3 种复合材料板进行了拉伸强度及基体的拉伸和剪切实验, 并对比了预测结果与实验结果。研究结果显示, 直接将实验对象的材料、几何参数代入就能得到与实验结果吻合的预测结果。      

碳/碳复合材料疲劳损伤失效试验研究

对单向碳/碳复合材料纵向拉-拉疲劳特性及面内剪切拉-拉疲劳特性进行了试验研究; 对三维四向编织碳/碳复合材料的纵向拉-拉疲劳特性及纤维束-基体界面剩余强度进行了试验研究。使用最小二乘法拟合得到了单向碳/碳复合材料纵向及面内剪切拉-拉疲劳加载下的剩余刚度退化模型及剩余强度退化模型, 建立了纤维束-基体界面剩余强度模型。结果显示: 单向碳/碳复合材料在87.5%应力水平的疲劳载荷下刚度退化最大只有8.8%左右, 在70.0%应力水平的疲劳载荷下, 面内剪切刚度退化最大可达30%左右; 三维四向编织碳/碳复合材料疲劳加载后强度及刚度均得到了提高; 随着疲劳循环加载数的增加, 三维四向编织碳/碳复合材料中纤维束-基体界面强度逐渐减弱。      

Effect of on-axis tensile loading on shear properties of an orthogonal 3D woven SiC/SiC composite

The present study examines in-plane and out-of-plane shear properties of an orthogonal 3D woven SiC fiber/SiC matrix composite. A composite beam with rectangular cross-section was subjected to a small torsional moment, and the torsional rigidities were measured using an optical lever. Based on the Lekhnitskii’s equation (Saint–Venant torsion theory) for a orthotropic material, the in-plane and out-of-plane shear moduli were simultaneously calculated. The estimated in-plane shear modulus agreed with the modulus measured from ±45° off-axis tensile testing. The effect of on-axis (0°/90°) tensile stress on the shear stiffness properties was also investigated by the repeated torsional tests after step-wise tensile loading. Both in-plane and out-of-plane shear moduli decreased by about 50% with increasing the on-axis tensile stress, and it is mainly due to the transverse crack propagation in 90° fiber bundles and matrix cracking in 0° fiber bundles. It was demonstrated that the torsional test is an effective method to estimate out-of-plane shear modulus of ceramic matrix composites, because a thick specimen is not required.     

含缺陷平纹机织复合材料拉伸力学行为数值模拟

基于平纹机织复合材料的细观结构单胞模型, 考虑其制备过程中产生的孔隙缺陷为随机分布的特征, 通过引入两参数Weibull分布函数, 应用Python语言实现了ABAQUS的二次开发, 并采用Linde等提出的失效准则, 建立了含孔隙缺陷平纹机织复合材料的渐进损伤模型, 利用有限元数值方法模拟了其拉伸应力-应变行为, 针对该模型, 讨论了孔隙缺陷对材料拉伸应力-应变行为的影响, 并阐述了该平纹机织复合材料单胞模型在经向拉伸载荷作用下其纤维束的损伤及演化过程。结果表明, 该模型给出的数值模拟结果与实验数据吻合较好, 证明了模型的有效性, 为该类材料的优化设计及其力学性能分析提供了一种有效方法。      

Progressive failure modeling of woven fabric composite materials using multicontinuum theory

Failure of composite materials often results from damage accumulation in the individual constituents (fiber and matrix) of the composite. At times, damage may even be limited to a single constituent. The ability to accurately predict not only ultimate strength values but also intermediate constituent level failures is crucial to the success of introducing composite materials into demanding structural applications.In this paper, we develop two progressive failure models for the analysis of a plain weave composite material. The formulations are based on treating the weave as consisting of separate but linked continua representing the warp fiber bundles, fill fiber bundles, and pure matrix pockets. Retaining constituent identities allows one to access constituent (phase averaged) stress fields that are used in conjunction with both a stress based and damage based failure criterion to construct a nonlinear progressive failure algorithm for the woven fabric composite material. The MCT decomposition and the nonlinear progressive failure algorithm are incorporated within the framework of a traditional finite element analysis.The constituent based progressive failure algorithm combined with both the stress based and damage based failure criteria are compared against experimental data for a plain weave, woven fabric composite under various loading conditions. The analytical results from the damage based approach show a marked improvement over the stress based predictions and are in excellent agreement with the experimental data.     

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。      

不同针刺工艺的针刺复合材料面内拉伸强度分析

6种针刺工艺不同的碳纤维增强树脂基复合材料,其面内拉伸强度随着针刺密度和针刺深度的增大而降低,针刺处纤维的断裂使材料内的缺陷失稳扩展和面内纤维断裂,进而使材料整体拉伸失效。根据面内拉伸实验结果和纤维累计损伤理论并引入纤维体积折减系数,建立了分析针刺复合材料面内拉伸强度的理论模型。这个模型的预测结果与实验结果相符,并发现断裂纤维簇的个数与体积折减系数相关。用该模型可预报不同针刺工艺复合材料的面内拉伸强度,并指导设计针刺复合材料的预制体。     

界面对双向纤维增强复合材料力学性能的影响

基于均匀化理论与有限元方法,针对双向连续纤维增强复合材料(CBFRC),建立了微观代表体积单元(RVE)模型,并预测了界面对CBFRC宏观等效力学性能的影响。在建立的RVE模型中,采用表面内聚力本构关系描述纤维/基体之间的界面。研究结果表明:不同界面刚度下,CBFRC中的基体发生不同形式的初始损伤。与界面断裂能相比,界面刚度和界面强度对CBFRC面外抗拉强度的影响较大,而对CBFRC面内抗拉强度的影响较小,且界面的存在会降低CBFRC整体的抗拉强度。随着纤维体积分数的增加,CBFRC面内的抗拉强度也随之急剧增加,但CBFRC的面外抗拉强度反而有减小的趋势。本文中所提出的方法能够简单有效地对实际复杂的三维纤维增强复合材料进行优化设计。     

Structurally stitched NCF CFRP laminates. Part 1: Experimental characterization of in-plane and out-of-plane properties

The insertion of local through-thickness reinforcements into dry fiber preforms by stitching provides a possibility to improve the mechanical performance of polymer-matrix composites perpendicular to the laminate plane (out-of-plane). Three-dimensional stress states can be sustained by stitching yarns, leading to increased out-of-plane properties, such as impact resistance and damage tolerance. On the other hand, 3D reinforcements induce dislocations of the in-plane fibers causing fiber waviness and the formation of resin pockets in the stitch vicinity after resin infusion which may reduce the in-plane stiffness and strength properties of the laminate.In the present paper an experimental study on the influence of varying stitching parameters on in-plane and out-of-plane properties of non-crimp fabric (NCF) carbon fiber/epoxy laminates is presented, namely, shear modulus and strength as well as compression after impact (CAI) strength and mode I energy release rate. The direction of stitching, thread diameter, spacing and pitch length as well as the direction of loading (which is to be interpreted as the direction of the three rail shear loading or the direction of crack propagation in case of mode 1 energy release rate testing) were varied, and their effect on the mechanical properties was evaluated statistically.The stitching parameters were found to have ambivalent effect on the mechanical properties. Larger thread diameters and increased stitch densities result in enhanced CAI strengths and energy release rates but deteriorate the in-plane properties of the laminate. On the other hand, a good compromise between both effects can be found with a proper selection of the stitching configurations.