基于预浸料-树脂传递模塑成型工艺的复合材料纵横加筋舱段一体化制备与验证

针对舱段的结构特点设计了一种预浸料-树脂传递模塑(RTM)成型工艺。研究了预浸料树脂(AC631)与RTM树脂(6421A)的流变特性，结果表明两种树脂体系具有良好的共成型工艺基础。结合舱段结构设计、铺层设计、模具设计，开展了基于预浸料-RTM共成型技术的复合材料纵横加筋舱段一体化制备工艺验证，结果表明舱段结构具有良好的表观质量、尺寸精度及内部质量。常温、高温两种条件静强度试验验证了其使用强度，高温破坏试验研究了其失效机制与破坏模式。常温力学试验结果表明：在125%严酷机械载荷下，复合材料舱段能够保持良好的结构完整性，其最大应变仅为-1 283×10^-6，满足常温静强度设计要求。100℃下静强度试验结果显示，舱段在125%严酷机械载荷下未出现失稳、破坏等异常状态，最大应变仅为-1 315×10^-6，满足热力耦合工况条件下的强度设计要求。150℃高温破坏试验结果显示，舱段在143.2%严酷机械载荷下，加载侧纵向加强筋发生断裂破坏，裂纹向两侧延伸，舱段丧失承载能力，破坏模式为轴向筋条断裂导致蒙皮局部屈曲失稳破坏。     

三维机织复合材料/钛合金混杂板缝合连接剪切失效机理EI北大核心CSCD

为研究缝合密度、缝线纤维束规格以及钛合金板上预制的缝合孔直径对经过缝合的三维机织复合材料/钛合金混杂板缝合连接结构抗剪切能力的影响,对7组缝合参数各不相同的单搭接实验件进行剪切实验。通过加载条件下的原位细观实验观察,获得不同缝合参数下接头的失效模式,给出对应载荷-位移曲线上特征点的损伤形貌。结果表明:增加碳纤维缝线的丝束规格以及增加缝合密度均能提高混杂接头的失效载荷,且增加缝合密度比增加碳纤维缝线的丝束规格对提高失效载荷的效果更明显;缝合孔直径为2 mm或4 mm对结构承载能力无明显影响,当缝合孔直径达到6 mm时,承载能力明显降低;通过细观原位力学实验观察了三维机织复合材料/钛合金混杂板缝合结构剪切破坏过程;实验结果表明,搭接区的失效模式有缝线纯剪断、缝线抽出与剪断混合以及缝线挤出/剪断混合3种。缝合密度的变化是接头失效模式改变的主要因素。     

静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱耐压壳的极限强度

为探究静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱耐压壳的极限强度，以湿法缠绕工艺制备中厚玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)圆柱耐压壳结构模型，对其初挠度进行测试，并开展静水压破坏试验，分析了结构的极限承载能力、应变响应和破坏模式。基于实测初挠度及破坏模式，建立含缺陷复合材料圆柱壳的非线性分析有限元模型，同时考虑壳体几何缺陷及承压过程中的复合材料面内损伤，编制ABAQUS接口子程序USDFLD，对模型的损伤过程进行数值模拟，获得静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱壳的渐进失效过程，并与试验结果对比验证。研究表明：在静水压下中厚GFRP圆柱壳结构在破坏前载荷几乎呈线性增加，最终破坏模式为材料的压缩破坏，整体屈曲破坏模式不明显。考虑结构的几何缺陷和材料损伤演化后，采用非线性有限元模拟得到的壳体极限强度与试验结果吻合良好，可以作为预测含缺陷中厚复合材料圆柱壳极限强度的方法。采用该方法对影响中厚复合材料圆柱耐压壳极限强度的关键参数进行了研究，为深海复合材料耐压壳的研究设计提供参考。     

碳纤维蜂窝夹层结构防雷击铜网胶膜共固化设计及雷击与承载能力试验

为有效防止直升机碳纤维蜂窝夹层复合材料蒙皮在雷击环境遭受雷击损伤,采用在蜂窝夹层结构表面铺设铜网胶膜一次固化成形的方法预防。针对直升机不同雷电附着区的七种典型蜂窝夹层结构采用A+B+C+D和D+B+C两种雷电流试验波形进行雷电直接效应试验,并采用面内剪切试验对试验件雷击前/后承载能力和铜网胶膜对承载能力的影响进行试验对比分析。试验证明,在蜂窝夹层结构表面铺设铜网胶膜一次固化成形的方法,能够有效预防雷击损伤,试验件未出现基体大面积烧蚀、分层和片状剥落等现象;承载能力试验中蜂窝夹层结构表现沿载荷加载方向起皱破坏的模式;试验件在雷击前/后承载能力衰减不明显,最大衰减量为4.5%;铜网胶膜有助于提高试验件承载能力,C型试验件相比H型试验件承载能力提高了26.9%;试验件承载能力分散性相对较小,最大分散度为10.4%。     

脱胶缺陷尺寸对复合材料加筋板屈曲及后屈曲特性的影响

为确定脱胶缺陷对复合材料加筋板屈曲及后屈曲特性的影响,对含不同脱胶缺陷工型筋条的复合材料加筋板进行了压缩试验研究。结果表明,30 mm和50 mm的缺陷对试验件承载能力影响很小,当缺陷尺寸增至80 mm时,试验件后屈曲承载能力明显下降。借助超声检测技术对缺陷的扩展行为进行了监测,结果表明,当压缩载荷达到破坏载荷的85.3%时,预制缺陷的对角位置处出现扩展迹象。通过影像云纹法获得两半波和三半波失稳模态的形成过程。对失稳模态的监测结果还表明,随缺陷长度增加,该型加筋板的失稳模态从三半波向两半波转换。在试验基础上,利用ABAQUS软件建立有限元（FE）模型,依次进行了屈曲及后屈曲过程的数值模拟。屈曲分析用于获得试验件的失稳载荷及模态,在后屈曲分析中将失稳波形以几何扰动的形式引入FE模型,最终计算结果与试验结果基本吻合,表明该模型可以用于复合材料加筋板屈曲及后屈曲性能的预测。     

褶皱缺陷影响L型层合板失效行为:实验和数值研究

通过实验和数值分析相结合的方法开展了褶皱缺陷对L型复合材料层合板承载能力和失效过程影响的研究。实验方面,通过“横条法”人为引入褶皱缺陷,制备了含两种缺陷大小的L型层合板,研究了其在弯曲载荷作用下的承载能力和损伤扩展形式,并与无缺陷L型层合板进行对比分析。数值分析方面,基于3D Hashin失效准则的渐进损伤失效模型, 研究其失效过程中应力分布特征和失效模式,探求褶皱缺陷对L型层合板失效行为的影响机制。实验结果表明,褶皱缺陷会显著降低曲梁的承载能力,并使分层损伤演化的空间扩展特征从无褶皱试样的逐层扩展转变为褶皱区域的聚集式扩展。数值预测与实验现象吻合,并共同表明褶皱处横向应力和面法线应力的集中是导致结构提前失效的主导因素,且褶皱区域的应力集中改变了损伤过程中应力逐层重分配的趋势,导致含褶皱试样呈现出聚集式扩展的破坏特征。该工作可扩展应用于含褶皱缺陷L型层合板的安全性能评估及损伤容限设计。      

基于多尺度方法的蜂窝夹层复合材料结构轴向压缩稳定性

为有效预测蜂窝夹层复合材料结构压缩失稳载荷和破坏模式,本文基于层压板宏细观多尺度数值分析模型,研究蜂窝夹层复合材料结构在轴向压缩载荷下的屈曲稳定性。基于改进的通用单胞理论模型,并结合ABAQUS用户自定义子程序接口,建立蜂窝夹层复合材料结构宏细观数值模型,预报蜂窝夹层复合材料结构失效载荷和破坏模式,并与试验结果对照,验证了模型的有效性。结果表明:通过本文建立的数值模型可以有效预测蜂窝夹层复合材料结构在压缩载荷下的失稳载荷和破坏模式,其一阶失稳载荷为128.12 kN,与试验结果误差为4.58%,蜂窝夹层复合材料结构破坏模式为先发生屈曲失稳,然后迅速破坏。      

嵌锁式碳纤维/树脂基复合材料方形蜂窝夹芯结构的力学性能及损伤失效

设计并采用嵌锁组装工艺制备了碳纤维/树脂基复合材料方形蜂窝夹芯结构,开展了面外平压性能和三点弯曲性能试验研究,获得了夹芯结构在平压载荷作用下的破坏模式,分析了其损伤失效机制及吸能特性,讨论了在三点弯曲载荷作用下面板质量非对称性和槽口方向对夹芯梁的破坏模式及承载能力的影响.研究结果表明嵌锁式碳纤维/树脂基复合材料方形蜂窝...     

复合材料蜂窝夹层结构T型接头拉伸性能研究

通过试验测量了复合材料蜂窝夹层结构T型整体接头的拉伸性能,得到其拉伸强度与破坏模式。建立了接头结构有限元模型,利用分类损伤判据、失效准则与刚度退化准则对结构的损伤情况进行模拟,研究了接头的拉伸破坏行为。有限元分析结果与试验结果吻合良好。研究结果表明,结构的薄弱点位于腹板内靠近蒙皮的位置。蜂窝在此处发生面外拉伸破坏,从而导致结构的最终破坏。腹板上的拉伸载荷主要通过过渡区填料传递给蒙皮,腹板与蒙皮间的搭接段对载荷传递的贡献较小。参数研究表明,对于复合材料蜂窝夹层结构T型接头,搭接段长度对结构的强度几乎没有影响,而增大蒙皮蜂窝的高度或采用低模量蜂窝可以提高结构强度。     

含预埋梁蜂窝夹层结构数值仿真与试验研究

含预埋梁蜂窝夹层结构是在纯蜂窝结构基础上改进得到的全新结构形式,综合了蜂窝结构和桁条铆接结构的优点,但该类结构的载荷分布形式以及失效模式缺乏相关研究。针对上述问题,结合国内在研尺寸最大的含预埋梁铝蜂窝夹层结构,采用层合板加筋方法进行了数值仿真,设计全尺寸物理试验对结构性能进行了试验验证。通过数值仿真和试验对比,验证了层合板加筋方法模拟含预埋梁蜂窝结构的准确性,同时研究了该类结构的载荷分布和失效模式,并为同类结构设计提供了参考依据。     

碳纤维/环氧树脂复合材料L型接头拉伸失效机制

设计了单L型(LS)及双L型(LD)两种重量相近的L型接头。采用试验与数值模拟相结合的方式对两种接头的拉伸失效机制进行了研究。通过自行设计的试验夹具在伺服液压试验机上将两种L型接头准静态加载至破坏,分析其破坏机制及应变分布。研究发现,两种L型接头存在不同的失效机制,在破坏阶段单L型接头表现出更好的延展性。单L型接头加载至峰值载荷时,在靠近加载侧的内侧螺栓孔附近首先出现破坏,随后损伤向外侧螺栓孔附近扩展,直至完全失效。双L型接头加载至峰值载荷的50%左右时,L型框体和L型片之间的胶膜首先发生破坏,随后载荷继续增加至峰值载荷时,L型框螺栓孔附近发生破坏,损伤向框体边缘扩展,载荷大幅下降。此外,两种接头的应变随载荷的增加存在不同的变化趋势。采用一种新型复合材料初始失效准则及刚度折减方法,编写用户自定义子程序(UMAT),结合内聚区模型建立复合材料L型接头的渐进损伤模型。基于ABAQUS软件进行计算,得到接头的预测失效载荷及破坏形式。结果表明：有限元分析所得复合材料L型接头的损伤位置及失效模式与试验吻合,预测载荷与试验值相差较小,证明了有限元模型的适用性。     

内压和面内弯矩作用下含局部减薄弯头塑性极限载荷的有限元分析

局部减薄是一种压力管道表面常见的体积型缺陷,它不仅会降低管道的承载能力,而且还可能引起管道破坏,导致严重的事故。采用数值分析方法,对内压和面内弯矩作用下含局部减薄弯头的极限载荷进行了研究,分析了载荷组合、缺陷形状、位置、尺寸对弯头极限承载能力的影响,讨论了导致弯头破坏的典型失效模式。计算结果为含缺陷弯头的安全评定提供了一定的理论依据。     

飞机典型薄壁复合材料夹层结构整体屈曲

为了研究飞机机身无筋无框复合材料典型薄壁夹层结构在型号上应用的可行性,本文采用解析方法、有限元方法和试验方法对蜂窝夹层复合材料结构的面内压缩和剪切整体屈曲开展系统研究。基于经典层合板理论和工程解析方法推导蜂窝夹层复合材料的压缩和剪切屈曲载荷随试验件尺寸的变化规律。依据某型飞机机身典型结构分别设计压缩和剪切试验件尺寸大小、边界条件和加载方式。利用有限元商用软件ABAQUS对试验设计建立虚拟试验分析,对比验证解析方法和有限元方法的一致性。最后通过真实试验方法确定解析方法和有限元方法的有效性,并验证典型薄壁夹层结构的承载能力和破坏模式。结果显示,压缩试验结果失效模式与理论预测一致,故3种方法得到的结构整体失稳载荷相近,验证了理论方法的有效性;剪切试验结果发生局部破坏,故试验结果偏低,但有限元方法与解析方法所得结果一致,解析方法相对保守。     

缺陷对单搭胶接接头力学性能的影响

通过单向拉伸试验对比分析了两种接头的破坏模式及载荷-位移曲线, 研究了T700/TDE85复合材料单向层合板单搭接胶层内缺陷对接头破坏行为的影响。试验结果表明, 接头破坏的主导模式为界面破坏, 胶层中微小缺陷对接头强度的影响不大。为研究接头的失效机制, 采用有限元方法对两种接头失效进行数值分析, 模拟了接头搭接区界面剥离应力及剪切应力分布情况, 并分析了缺陷位置变化及面积变化对接头强度的影响。结果表明, 随着缺陷位置距接头搭接区自由端部越近, 接头强度越小, 且缺陷位置距接头搭接区自由端部2.5 mm以内, 缺陷对接头强度影响较大; 接头强度随缺陷面积的增大而减小, 并且缺陷面积占搭接区面积的比率在4.4%以内, 缺陷对接头强度的影响较小; 数值计算结果与实验结果吻合较好。     

分层对复合材料机械连接结构承载能力的影响

针对含孔边分层复合材料沉头螺栓连接结构,通过挤压试验及有限元仿真,研究了孔边分层对复合材料连接结构力学性能的影响。通过连接孔的挤压试验,得到了不同类型试验件的承载能力与破坏模式。有限元仿真中,基于ABAQUS有限元分析软件建立了复合材料机械连接的三维有限元模型,进行复合材料渐进失效损伤模拟,并采用内聚力单元来模拟预制分层。有限元计算得到载荷-位移曲线和变形模式与试验吻合较好,从而验证了有限元模型的有效性。在此基础上,分析了含孔边分层的复合材料机械连接结构的破坏机制,并研究了分层位置、分层面积大小和分层形状对该结构承载能力的影响。研究表明：复合材料的破坏始于沉头孔中的直孔区域,且当预制分层位于直孔区域时,结构的承载能力最低;分层形状为圆形和正方形时,会严重影响结构的承载能力,分层形状为椭圆形时,对承载能力影响较低。无论分层形状如何变化,分层总是从受挤压的一侧开始,以半圆弧的形状向受挤压方向进行扩展。     

碳/碳蜂窝制备工艺及压缩与剪切行为

为了满足高分辨率航天器承载平台对尺寸稳定性、轻量化和高承载空间结构的多重需求，采用热压成型和树脂浸渍-碳化组合工艺制备了4种不同规格的碳/碳(C/C)蜂窝。以碳纤维预浸料为原料，通过热压工艺成型波纹片，用无机胶粘剂粘合片材形成蜂窝，经过浸渍-碳化工艺成型C/C蜂窝。对不同规格C/C蜂窝在不同加载方式下的力学行为进行了研究。结果表明，采用所提出组合工艺制备的C/C蜂窝未发生节点脱粘。边长5 mm蜂窝的压缩强度为8.2 MPa。在面外压缩、L向与W向剪切载荷下，C/C蜂窝的主要失效模式是双层壁脱粘分层。C/C蜂窝结构具有较高的抗压强度和良好可设计性，可能满足未来轻质高强航天器承载平台结构要求。     

钻孔分层损伤对复合材料层合孔板压缩力学行为的影响

钻孔分层损伤对复合材料层合孔板的承载能力和失效模式有着显著的影响。通过实验和仿真相结合的方式,开展单一预制分层缺陷下、双分层缺陷同侧耦合及双分层缺陷异侧耦合作用下复合材料层合孔板的压缩承载能力及失效模式的研究。通过预埋聚四氟乙烯薄膜,制备了含单一圆形预制分层缺陷的碳纤维增强树脂复合材料开孔板试件,采用浸没式超声C扫和数字图像DIC技术分别对复合材料层合板损伤和法向变形进行检测,研究含不同尺寸预制分层开孔层合板在压缩载荷下的分层扩展及失效变形特征,进而揭示分层缺陷大小对其承载能力的影响机制。构建基于内聚力单元方法的含孔复合材料层合板数值模型,对比实验修正模型,探索了单一预制分层缺陷下碳纤维增强树脂复合材料开孔板的损伤扩展机制,并在此模型基础上开展双分层缺陷耦合作用下复合材料开孔板在压缩载荷作用下的屈曲变形、分层扩展和承载能力的数值预测和分析。实验结果表明：含单一圆形预制分层缺陷的碳纤维增强环氧树脂复合材料开孔层合板试件呈现出初始受压、局部屈曲、整体屈曲后破坏的失效模式,预制分层缺陷对复合材料孔板压缩力学性能有显著影响,随着缺陷的增大压缩承载能力逐渐下降。双分层缺陷耦合作用数值分析表明：双...     

孔洞形状对砂岩强度及破坏特征的影响

岩石内部富含形态各异的缺陷,对其力学特性有影响显著。通过对含单一预制孔洞砂岩试样进行单轴压缩试验,分析了孔洞几何形状对砂岩试样强度特征及破坏模式的影响规律,并利用RFPA2D数值模拟软件,对试样强度变化特征的力学机制进行探讨。研究表明:含孔洞砂岩试样的承载能力和弹性模量较完整岩样发生显著劣化,其中含正方形孔洞岩样的承载能力最弱,而含菱形孔洞岩样承载能力最强;试样最终失稳破坏主要由拉应力引起,且最大拉应力随孔洞几何形状不同而各异,其最终破坏模式主要有剪切破坏、张拉破坏和拉剪混合破坏3种;孔洞缺陷的结构效应对砂岩试样峰值强度和裂纹扩展特征也有影响。     

RTM成型非对称复合材料T型接头的拉伸失效机制

采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备了结构对称和非对称两种复合材料T型接头试样,并对其进行了静态拉伸力学试验,对比分析了两种结构的拉伸破坏模式、结构刚度及破坏载荷。同时基于T接头内聚力模型(CZM),研究了两种不同结构T型接头的拉伸破坏过程及失效机制,并对比分析了不同偏转角下T接头的层间应力。结果表明：不同结构T型接头的拉伸破坏模式不同,偏转角的存在使结构非对称T型接头夹角大侧圆弧受力明显高于小侧圆弧,导致接头首先在大侧夹角圆弧与三角区界面定向萌生初始裂纹,随后裂纹主要沿大侧腹板翻边与蒙皮的界面扩展,进而导致接头最终破坏,最终失效载荷较对称T型接头提高了15.3%,且结构刚度更大。有限元结果表明T型接头三角区的初始失效主要由层间正应力及剪应力引起,有限元分析的失效模式与试验一致,结构对称及非对称T型接头最终失效载荷与试验值均吻合较好;且随着偏转角的增加,腹板圆弧处层间应力逐渐减小,初始失效载荷将随之增大;初始破坏位置将转移至大侧夹角圆弧末端。     

复合材料帽型加筋壁板的失效机制分析与改进设计

为了准确预测复合材料帽型加筋壁板的后屈曲承载能力,针对压缩载荷下筋条端头斜削的复合材料帽型加筋壁板结构的失效机制及失效载荷进行了研究。首先利用物理试验,研究了端头斜削的复合材料帽型加筋壁板失效过程,然后构建了考虑蒙皮/缘条胶接界面以及复合材料层板失效的非线性损伤分析模型,详细地研究了损伤起始、扩展和失效的全过程。在此基础上,提出了包覆层对蒙皮/缘条界面进行增强的设计方案,并基于数值仿真和试验研究了包覆层对复合材料帽型壁板的破坏模式和承载能力的影响。数值分析和试验结果表明,包覆层设计能够明显提高结构的屈曲载荷和后屈曲承载能力,分析结果与试验值吻合良好,且预测的破坏模式也与试验结果一致。