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二维编织复合材料的层间断裂韧性研究

二维编织复合材料的层间断裂韧性研究

作者：付亚菲天津工业大学

学位级别：硕士

当前复合材料已在航空航天、汽车、风电叶片、公路桥梁领域广泛使用,但由于其在制备和使用过程中发生不可见的层间分层严重限制了复合材料的使用,因此如何提高复合材料的抗分层型能一直以来都是研究的重点。当前对于复合材料层间断裂韧... 详细信息

当前复合材料已在航空航天、汽车、风电叶片、公路桥梁领域广泛使用,但由于其在制备和使用过程中发生不可见的层间分层严重限制了复合材料的使用,因此如何提高复合材料的抗分层型能一直以来都是研究的重点。当前对于复合材料层间断裂韧性的研究多集中在对单向、多轴向等二维铺层织物,而在结构上具有更好整体性能的二维编织复合材料的层间断裂韧性相关研究较少,因此本文在前人研究的基础上,采用插层增韧的方法研究二维编织复合材料的层间断裂韧性。本文研究静电纺丝法制备的聚氨酯(TPU)纳米纤维膜厚度对二维铺层的单向玻璃纤维(UD-G)层间断裂韧性的影响,选出增韧效果最佳的纳米纤维膜,研究发现112.50μm厚的TPU增韧的I型能量释放率达到2.587 k J/m,相对未增韧试样提高了255.36%,II型能量释放率达到3.846 k J/m,相比于未增韧试样提高了47.19%。之后研究TPU插层对二维铺层的多轴向玻璃纤维(NCF-G)、单向碳纤维(UD-C)和缎纹碳纤维(8H-C)复合材料层间断裂韧性的影响,结果表明TPU对上述织物都有很好的增韧效果,但单向碳纤维本身的刚性不能抵抗拉伸位移的持续增加,导致能量释放率低于单向玻璃纤维复合材料;单向玻璃纤维复合材料在拉伸方向具有更多的纤维数量比多轴向玻璃纤维具有更高的能量释放率,缎纹碳纤维复合材料因纬向有长的浮长线导致复合材料试样具有比单向碳纤维更好的韧性,能抵抗长时间的I型拉伸,因此具有比单向碳纤维复合材料更高的能量释放率,但低于单向玻璃纤维复合材料。比较TPU插层和玻璃纤维毡针刺成型对单向和多轴向玻璃纤维复合材料层间断裂韧性的影响,结果表明针刺多轴向玻璃纤维复合材料的I型能量释放率最高,达到2.026 k J/m,针刺单向玻璃纤维复合材料的II型能量释放率最高,达到3.854 k J/m。最后选用TPU层间插层增韧方法,研究其对二维编织复合材料的层间断裂韧性的影响,TPU纳米纤维膜可以显著提高二维编织复合材料的层间断裂韧性,TPU插层二维三轴混编复合材料相比于TPU增韧的二维二轴玻纤编织复合材料和TPU纳米纤维膜/玻璃纤维毡共同插层增韧的复合材料具有最高的I型和II型层间断裂韧性,可见在轴向加入碳纤维轴纱的二维三轴混编复合材料具有更强的的抗分层性能;TPU纳米纤维膜/玻璃纤维表面毡协同作用,其中针刺成型对二维编织复合材料层间断裂韧性具有最大的提高作用。

关键词：二维编织复合材料纳米纤维膜层间断裂韧性

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二维编织陶瓷基复合材料疲劳分析方法研究

二维编织陶瓷基复合材料疲劳分析方法研究

作者：郑锦程南京林业大学

学位级别：硕士

二维编织陶瓷基复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀等优点,被广泛的应用于航空航天领域。二维编织陶瓷基复合材料在服役期间会受到疲劳载荷的作用,且由于具有复杂的细、微观结构和失效机理,其疲劳分析较传统材料更复杂,开... 详细信息

二维编织陶瓷基复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀等优点,被广泛的应用于航空航天领域。二维编织陶瓷基复合材料在服役期间会受到疲劳载荷的作用,且由于具有复杂的细、微观结构和失效机理,其疲劳分析较传统材料更复杂,开展二维编织陶瓷基复合材料的疲劳分析方法研究具有重要意义。本文开展的研究工作如下:首先,开展二维编织陶瓷基复合材料常、高温疲劳行为研究。提出了一种基于子模型的二维编织陶瓷复合材料多尺度常温疲劳寿命分析方法。将有限元形函数作为插值函数,实现了宏观尺度有限元模型和细观尺度有限元模型之间的耦合分析。基于剪滞理论的陶瓷基复合材料疲劳失效判据实现了细观尺度与微观尺度的耦合分析。以2D Si C/Si C陶瓷基复合材料为研究对象,建立了细观单胞有限元子模型并分析其疲劳寿命,分析结果与实验结果吻合较好。开展了2D Si C/Si C加筋板的疲劳寿命分析和不同子模型在宏观单元中的位置对计算结果的影响分析。分析结果表明,本文所提出的基于子模型的多尺度疲劳寿命分析方法对二维编织复合材料结构具有较好的适用性,且不同子模型在宏观单元中的位置影响较小。针对二维编织陶瓷基复合材料服役条件下的疲劳问题,开展了高温疲劳试验研究,试验以升温-恒温疲劳加载-降温为一个大加载周期进行。基于试验结果得到二维编织陶瓷基复合材料高温疲劳寿命曲线(S-N曲线),并分析了高温疲劳剩余刚度和滞回曲线面积的变化规律,研究结果表明,剩余刚度在失效前的大循环中近似线性下降,滞回曲线面积变化有明显的周期性。其次,针对细观力学模型的细观参数难以获取、宏观唯象模型需要大量实验数据等问题,提出了一种基于神经网络的二维编织陶瓷基复合材料疲劳寿命分析方法。基于二维编织陶瓷基复合材料多尺度仿真疲劳寿命数据,以加载参数和材料参数作为输入,疲劳寿命作为输出,采用GRNN网络(General Regression Neural Network)、Elman和CNN网络(Convolutional Neural Networks)进行训练。研究了不同神经网络在小样本条件下的二维编织陶瓷基复合材料疲劳寿命预测中的适用性。研究结果表明,Elman神经网络和CNN神经网络能在仅使用15条S-N曲线的条件下获得较高精度的预测结果。以相关文献中的试验数据作为数据集,采用Elman网络和CNN神经网络训练,在仅使用4条S-N曲线作为训练集的条件下获得了较好的预测结果。最后,本文提出了一种基于β-变分自编码器(β-Variational Auto-encoder,β-VAE)和神经网络常微分方程(Ordinary Differential Equation,ODE)的疲劳剩余刚度预测方法。β-VAE用于提取和分离潜在疲劳行为的潜在特征,神经网络常微分方程ODE用于学习与疲劳剩余刚度演化机制对应的潜在动态。开展了2D C/Si C陶瓷基复合材料常温疲劳剩余刚度预测。提出了基于潜在变量插值的疲劳剩余刚度预测方法,预测结果与唯象模型计算结果吻合较好。提出了基于部分数据重训练的疲劳剩余刚度预测方法,采用初始10%的疲劳剩余刚度数据就能得到较高精度的后续剩余刚度预测结果。同时开展了2D C/Si C陶瓷基复合材料高温疲劳剩余刚度预测,神经网络能够从高温疲劳剩余刚度数据中学习到刚度退化规律,并实现高温疲劳剩余刚度高精度重建。基于部分数据再训练的方法仅采用前30%的剩余刚度数据就能较好的预测后续的剩余刚度。

关键词：疲劳分析二维编织陶瓷基复合材料多尺度分析神经网络

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二维编织C/SiC复合材料板疲劳损伤分析

北京航空航天大学学报 2019年第1期45卷 192-199页

作者：陈天雄张铮王奇志林彗星北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100083

为探索复合材料损伤的基本规律,首先,基于损伤力学,结合Tsai-Hill强度理论,提出了表征二维编织C/SiC复合材料损伤各向异性的损伤演化方程;然后,在商业有限元软件ANSYS环境中进行了二次开发,形成了考虑材料刚度随损伤折减的损伤模拟程序... 详细信息

为探索复合材料损伤的基本规律,首先,基于损伤力学,结合Tsai-Hill强度理论,提出了表征二维编织C/SiC复合材料损伤各向异性的损伤演化方程;然后,在商业有限元软件ANSYS环境中进行了二次开发,形成了考虑材料刚度随损伤折减的损伤模拟程序;其次,对二维编织C/SiC复合材料板模型进行了损伤模拟分析,结果表明材料损伤过程中应力与损伤度对单元破坏起共同作用;最后,对损伤演化方程的形式提出了讨论与改进,并通过模拟计算揭示了复合材料在损伤驱动力及材料特性作用下损伤呈现各向异性演化的特征,说明材料各向异性损伤是其材料特性及受载形式产生的必然结果。

关键词：复合材料二维编织损伤各向异性有限元

二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料宏观弹性常数预测及模态试验研究

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推进技术 2018年第2期39卷 465-472页

作者：胡殿印曾雨琪张龙梅文斌申秀丽王荣桥北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 航空发动机结构强度北京市重点实验室北京100191 先进航空发动机协同创新中心北京100191

为了研究二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料振动特性,建立了宏观等效弹性常数预测方法,并在此基础上开展了复合材料平板件的模态分析及试验验证。首先,根据二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料结构特点,建立了基于3次B样条曲线和正弦曲线的单胞... 详细信息

为了研究二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料振动特性,建立了宏观等效弹性常数预测方法,并在此基础上开展了复合材料平板件的模态分析及试验验证。首先,根据二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料结构特点,建立了基于3次B样条曲线和正弦曲线的单胞模型;然后,利用细观力学有限元法预测了复合材料的宏观等效弹性常数,弹性模量预测结果与文献试验数据的相对误差小于3%;最后,开展了二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料平板件的锤击法模态测试试验,有限元预测的前五阶模态频率与测试结果相比,相对误差均小于4%。

关键词：陶瓷基复合材料二维编织单胞模型细观力学有限元法模态试验

二维编织C/SiC复合材料非线性损伤本构模型与应用

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复合材料学报 2013年第1期30卷 165-171页

作者：李俊矫桂琼王波王刚西北工业大学工程力学系西安710129

基于二维编织C/SiC复合材料的基本力学性能试验,建立了该材料的宏观正交各向异性非线性损伤本构模型。模型中以可检测的应变作为变量,采用形式简单的函数分别描述了单轴拉伸和剪切加载下的材料损伤演变下的应力-应变关系,以及卸载状态... 详细信息

基于二维编织C/SiC复合材料的基本力学性能试验,建立了该材料的宏观正交各向异性非线性损伤本构模型。模型中以可检测的应变作为变量,采用形式简单的函数分别描述了单轴拉伸和剪切加载下的材料损伤演变下的应力-应变关系,以及卸载状态的刚度变化规律。同时,考虑了材料的单边效应以及拉压应力状态转换时的损伤钝化行为。将此本构模型编写成UMAT子程序并引入ABAQUS有限元软件,可以完整描述该材料的加载非线性和卸载线性的应力-应变关系特征,及其加卸载历史。通过对带孔板的拉伸模拟,孔边应变分布与试验结果吻合较好,验证了本构模型的有效性。

关键词： C SiC复合材料二维编织非线性损伤本构关系

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二维管状编织机设计及编织工艺研究

二维管状编织机设计及编织工艺研究

作者：杨旺旺武汉纺织大学

学位级别：硕士

高性能纤维及其复合材料的编织物具有良好的综合性能,已经被广泛的应用于航空航天、交通运输、消防医疗等领域。高性能纤维编织物的快速发展离不开性能优异的编织设备,与其他国家相比较,我们对编织技术的研究起步较晚,所以我们的编织机... 详细信息

高性能纤维及其复合材料的编织物具有良好的综合性能,已经被广泛的应用于航空航天、交通运输、消防医疗等领域。高性能纤维编织物的快速发展离不开性能优异的编织设备,与其他国家相比较,我们对编织技术的研究起步较晚,所以我们的编织机自动化程度较低、稳定性较差、适用范围较窄。因此,展开对二维管状编织机及编织工艺的研究对提高编织机的自动化程度和扩大编织物的使用范围具有重要的意义。本文基于二维编织原理,从通用性和稳定性的角度出发,按照模块化的思想对二维管状编织机的整体结构进行设计,并对各个关键机构及零部件进行设计和分析,完成了一种运行稳定、原料适用性广泛的二维管状编织机的设计。针对脆性纤维在编织过程中容易起毛以及断裂的问题,对传统的携纱器进行了优化与改进,变滑动摩擦为滚动摩擦,大大降低了编织过程中纤维与携纱器之间的摩擦,减少了对脆性纤维的损伤,便于后期的编织。为了实现二维管状编织机的自动化控制与运行,结合二维管状编织机的结构和工艺要求,对其控制及检测部分进行了设计;综合比较几种常见的控制方式,决定采用变频器来控制编织机的电动机,以实现高精度、高效率的控制;设计了在线检测机构以及急停机构,以便编织机在编织的过程中出现无纱、断纱的特殊情况和其它突发状况时可以迅速停止,为二维管状编织机的高效、稳定运行提供了可能。搭建了二维管状编织机及其控制柜,并对编织机进行调试与实验。通过正交实验探究不同的编织节距、编织速度以及编织夹角对绳索力学性能的影响,找出最佳的编织工艺研制出符合航天要求的高性能绳索。本课题主要完成了二维管状编织机的设计以及编织工艺的研究,为高性能脆性纤维编织物的后续开发与利用提供了研究基础。

关键词：高性能纤维二维编织编织机编织工艺

二维编织层压板湿热环境下冲击后压缩性能的实验研究

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航空材料学报 2005年第4期25卷 40-44页

作者：潘文革矫桂琼熊伟管欣杨杰赵谋周西北工业大学工程力学系西安710072 中国航空研究院603所西安710089

实验研究了二维编织环氧树脂基玻璃纤维复合材料层压板在室温和湿热条件下的冲击后压缩性能。结果表明,该体系复合材料平衡吸湿量平均达到2.2%。吸湿过程中材料性能发生退化,退化程度与试件厚度有关。材料达到平衡吸湿后,室温环境下的... 详细信息

实验研究了二维编织环氧树脂基玻璃纤维复合材料层压板在室温和湿热条件下的冲击后压缩性能。结果表明,该体系复合材料平衡吸湿量平均达到2.2%。吸湿过程中材料性能发生退化,退化程度与试件厚度有关。材料达到平衡吸湿后,室温环境下的冲击能量平均下降19.2%。摄氏70℃,相对湿度85%环境下,冲击后压缩破坏应力平均下降54.3%。

关键词：复合材料二维编织湿热冲击后压缩

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二维编织SiC/SiC复合材料的剪切性能

机械强度 2014年第5期36卷 691-693页

作者：李潘王波甄文强矫桂琼西北工业大学力学与土木建筑学院西安710129

通过单向以及循环加卸载面内剪切试验,结合试件失效分析,研究了二维编织SiC/SiC复合材料的面内剪切特性。将试件剪切响应分为弹性部分和非弹性部分,分别由卸载模量和残余应变表征,由此得到剪切应力-应变关系表达式。试验结果表明,卸载... 详细信息

通过单向以及循环加卸载面内剪切试验,结合试件失效分析,研究了二维编织SiC/SiC复合材料的面内剪切特性。将试件剪切响应分为弹性部分和非弹性部分,分别由卸载模量和残余应变表征,由此得到剪切应力-应变关系表达式。试验结果表明,卸载模量随应力以指数形式衰减,残余应变随应力以指数形式增大。预测剪切应力-应变曲线与试验曲线吻合很好。

关键词：陶瓷基复合材料面内剪切性能二维编织失效模式

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二维编织理论研究进展

玻璃钢／复合材料 2017年第8期 102-109,52页

作者：张爽吴晓青程勇天津工业大学纺织学院天津300387 成都飞机工业公司复合材料加工厂成都610091

一方面从运动学法和有限元法两个角度综述了二维编织工艺理论的研究进展,另一方面总结了纤维束假设截面椭圆形、透镜形、扁平六边形的研究过程,对各种方法建立的二维二轴编织结构和三轴编织结构的单胞研究进行了综述。最后对研究建立单... 详细信息

一方面从运动学法和有限元法两个角度综述了二维编织工艺理论的研究进展,另一方面总结了纤维束假设截面椭圆形、透镜形、扁平六边形的研究过程,对各种方法建立的二维二轴编织结构和三轴编织结构的单胞研究进行了综述。最后对研究建立单胞时需要考虑的问题提出了建议。

关键词：二维编织编织工艺理论几何模型