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平纹编织复合材料异形结构的多尺度分析研究

复合材料科学与工程 2024年

作者：高晗尚闫南京航空航天大学航空学院航空航天结构力学及控制全国重点实验室

针对平纹编织复合材料的异形结构，研究了在铺层方向拉伸位移加载以及力加载两种工况下，采用刚度体积平均、一致应变边界条件两种计算均匀化方法所得的多尺度计算结果的差异性，并将多尺度结果与精细化结果进行了对比。此外，还研究了... 详细信息

针对平纹编织复合材料的异形结构，研究了在铺层方向拉伸位移加载以及力加载两种工况下，采用刚度体积平均、一致应变边界条件两种计算均匀化方法所得的多尺度计算结果的差异性，并将多尺度结果与精细化结果进行了对比。此外，还研究了异形区域划分数量对多尺度计算结果的影响。结果表明，在同一多尺度模型下，两种均匀化方法的σy应力分布趋势是一致的，并且均与精细化模型结果相吻合。其中位移加载下的多尺度结果与参考结果的mises、σy应力误差最大只有9.5%和3.3%，并且随着异形结构分区数量的增加，其误差值也是逐渐减小。而力加载下的结果误差值偏大，随分区数量的增加也没有减小的趋势，并且一致应变边界条件的结果整体上大于刚度体积平均的结果。最后，多尺度模型的划分方式会破坏部分结构特征，并在一定程度上影响多尺度结果。

关键词：平纹编织复合材料异形结构计算均匀化多尺度

基于渐进均匀化的平纹编织复合材料低速冲击多尺度方法

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力学学报 2019年第5期51卷 1411-1423页

作者：张洁皓段晨侯玉亮铁瑛李成郑州大学机械工程学院

针对平纹编织复合材料低速冲击响应和损伤问题,提出了一种多尺度分析方法.首先,建立微观尺度单胞模型,引入周期性边界条件,采用最大主应力失效准则和直接刚度退化模型表征纤维丝和基体的损伤起始与演化,预测了纤维束的弹性性能和强度性... 详细信息

针对平纹编织复合材料低速冲击响应和损伤问题,提出了一种多尺度分析方法.首先,建立微观尺度单胞模型,引入周期性边界条件,采用最大主应力失效准则和直接刚度退化模型表征纤维丝和基体的损伤起始与演化,预测了纤维束的弹性性能和强度性能.其次,将这些性能参数代入介观尺度单胞模型,基于Hashin和Hou的混合失效准则以及连续介质损伤模型对介观尺度单胞进行6种边界条件下的渐进损伤模拟.然后采用渐进均匀化方法,以介观尺度单胞为媒介预测了0°和90°子胞的性能参数,并建立平纹编织复合材料的子胞模型,进而扩展成为材料的宏观尺度低速冲击模型.在此基础上,研究了平纹编织复合材料低速冲击下的力学响应与损伤特征.结果表明:宏观冲击仿真和试验吻合较好,验证了多尺度方法的正确性;最大接触力、材料吸能和分层面积均随冲击能量的增大而增大,分层损伤轮廓逐渐从椭圆形向圆形转化;基体拉伸和压缩损伤的长轴方向分别与子胞材料主方向正交和一致,损伤面积前者远大于后者.

关键词：平纹编织复合材料渐进均匀化低速冲击多尺度

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平纹编织复合材料层压板低速冲击损伤特性研究

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平纹编织复合材料层压板低速冲击损伤特性研究

作者：张迎南昌大学

学位级别：硕士

平纹编织复合材料由于其高比强度、面内性能好等优点,在航空、航天、机械及军工领域得到了广泛应用。但和传统复合材料一样,在遭受低速冲击后,其材料内部会因为基体开裂、分层和纤维断裂等原因导致其某些性能的下降,影响结构的承载力和... 详细信息

平纹编织复合材料由于其高比强度、面内性能好等优点,在航空、航天、机械及军工领域得到了广泛应用。但和传统复合材料一样,在遭受低速冲击后,其材料内部会因为基体开裂、分层和纤维断裂等原因导致其某些性能的下降,影响结构的承载力和安全使用寿命。本文对T700SC-12k-50C/#2510平纹编织复合材料层压板的低速冲击损伤问题开展了研究:通过低速冲击试验,研究三种典型铺层层压板的低速冲击特性;采用ABAQUS有限元软件对层压板冲击过程进行模拟仿真,研究其损伤特点;通过冲击后压缩试验,研究了剩余强度与冲击能量的关系及温湿度环境的影响。(1)确定了三种典型铺层层压板的临界冲击能量,超过该能量时,正面会出现不同深度的凹坑和裂纹,背面则出现纤维断裂。凹坑深度曲线会因纤维断裂出现明显的拐点,三种层压板由于厚度和铺层的不同出现拐点时对应的冲击能量也不相同,发生拐点后,基体开裂严重。(2)引入Hashin面内损伤判据和层间cohesive单元模拟了低速冲击过程对层压板内部造成的损伤。建立了只考虑层压板面内损伤和同时考虑面内、层间损伤的两种模型,前者的纤维断裂和基体开裂损伤通常发生在受冲击的中心位置处沿板宽度?45?方向,在受损伤严重时会呈现“X”形;后者损伤区域会呈现类似双叶、花生等形状,分层损伤是由层压板的冲击背面开始并向着冲击正面发展的,正面的分层损伤面积与背面相比较小,但损伤程度深。数值模拟的损伤面积与超声C扫描得到的损伤投影面积结果基本吻合。(3)确定了冲击能量与剩余强度的关系:冲击能量越大,冲击损伤越严重,剩余强度下降得越多,层压板的承受压缩载荷的能力越差。低速冲击并不影响压缩失效的模式,出现了分层扩展、屈曲等损伤扩展现象,最终发生剪切分层失效。但是其失效特征以及失效区域不同。(4)在同一冲击能量作用下,吸湿后的试件由于脆性下降,比未吸湿的试件对冲击作用更不敏感,但层压板的剩余压缩强度会明显下降。

关键词：平纹编织复合材料低速冲击损伤 ABAQUS数值模拟剩余压缩强度吸湿

平纹编织复合材料层压板低速冲击后剩余强度分析

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平纹编织复合材料层压板低速冲击后剩余强度分析

作者：刘志昌南昌大学

学位级别：硕士

平纹编织型复合材料由于具有比强度高、质量轻和稳定性能好等特性,在航空等结构中的应用越来越广泛。但平纹编织复合材料抗冲击性能差,受冲击作用后结构内部容易出现纤维断裂、基体裂纹及分层等现象,严重损害结构的承载能力,从而引发安... 详细信息

平纹编织型复合材料由于具有比强度高、质量轻和稳定性能好等特性,在航空等结构中的应用越来越广泛。但平纹编织复合材料抗冲击性能差,受冲击作用后结构内部容易出现纤维断裂、基体裂纹及分层等现象,严重损害结构的承载能力,从而引发安全事故。为了评估结构的损伤容限,因此对复合材料受冲击后的压缩性能开展研究具有重要的意义。本文基于ASTM D7136标准对三种铺层层压板进行低速冲击试验,研究了其冲击损伤特性;采用Abaqus有限元分析软件进行了低速冲击过程的动态模拟,揭示其损伤规律。为分析层压板冲击后剩余强度,进行压缩试验,得到冲击能量与剩余强度的关系;并将有限元模拟中的冲击损伤后末状态作为压缩的数值模拟的起始状态来实现层压板冲击及冲击后压缩的衔接。最后,进行了湿热环境下含冲击损伤层压板的压缩试验。(1)对三种铺层层压板进行了不同能量的冲击试验,发现三条凹坑深度-冲击能量曲线都会出现拐点;通过超声C扫描得出,在拐点前层压板内部主要出现分层损伤,拐点后冲击背面伴随有纤维断裂及基体开裂现象。建立层压板冲击模型,采用Hashin失效准则对面内损伤进行预判,引入cohesive单元模拟层间损伤,并采用Quads准则作为界面初始损伤判据。计算结果显示层压板分层损伤面积类似花生状、椭圆形等,分层损伤面积也与试验值接近。三种层压板的分层损伤都是由冲击背面向正面扩展的,模拟结果也可以发现少量的纤维断裂损伤及基体开裂损伤。(2)含冲击损伤层压板压缩过程中出现局部屈曲以及分层扩展等现象,最终发生剪切分层失效。并且剩余强度会受冲击能量的影响,冲击能量越大,剩余强度就下降的越多;相比于无损层压板,其剩余强度都不同程度的下降了30%到62.5%。在含损伤层压板数值模拟后处理中发现:压缩损伤会在冲击损伤区域逐渐向周围扩展,并且90度铺层方向扩展的最快,45度和-45度次之,0度方向最慢;模拟的压缩破坏载荷较试验值比较吻合。(3)相比常温下含冲击损伤层压板,吸湿后的层压板破坏载荷下降超过10%,说明湿热效应会使层压板结构压缩性能降低。

关键词：平纹编织复合材料低速冲击试验剩余强度 Abaqus有限元模拟模拟湿热环境

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平纹编织复合材料连接性能分析

平纹编织复合材料连接性能分析

作者：陈涛南昌大学

学位级别：硕士

目前编织复合材料层合板以其优良的性能被广泛用于航空航天工程设计中,而连接接头的安全可靠问题已成为复合材料实际结构设计的关键。复合材料连接主要包括:胶接、机械连接以及二者的混合连接。本文主要从试验角度出发,针对平纹编织复... 详细信息

目前编织复合材料层合板以其优良的性能被广泛用于航空航天工程设计中,而连接接头的安全可靠问题已成为复合材料实际结构设计的关键。复合材料连接主要包括:胶接、机械连接以及二者的混合连接。本文主要从试验角度出发,针对平纹编织复合材料层合板胶接中的单搭接接头性能和机械连接中的单钉双剪连接挤压性能进行分析研究。通过试验方法分析了不同胶层厚度对单搭接胶接强度的影响,结果发现试件出现多种破坏模式,且在同种破坏形式下,单搭接胶接强度随着厚度增大而减小。通过观察发现,试件切割凹槽深度的不同是影响破坏模式的主要因素,数值模拟也印证了这点。然后在本试验范围内,讨论了纯剪理论在实际工程应用中的误差。基于单钉双剪挤压试验,探究了不同铺层比例对平纹编织复合材料单钉双剪挤压强度的影响。结果表明:在本试验范围内,试件破坏应力随着0?45铺层所占比例的增加而非线性提高;单钉双剪挤压破坏过程是逐层失效的过程,在试验过程中会出现初始损伤点,且随着0?45铺层所占比例的增加,破坏的逐层失效特征会越来越不明显。通过在ABAQUS中对平纹编织复合材料层合板单钉双剪挤压进行模拟,基于二维Hashin失效准则,对单钉双剪挤压初始失效层及失效位置进行了判定。模拟结果表明在相同挤压位移作用下,越靠近层合板内部的单层越容易首先发生破坏且首先发生失效的位置是孔周0??0处。通过对平纹编织复合材料层合板单钉双剪挤压逐层孔周径向应力分布数值模拟结果分析,假设了孔周逐层失效区域,并将上限理论应用到平纹编织复合材料单钉双剪连接强度计算中去,基于二维Hashin失效准则,探究了一种能有效预测本文所用平纹编织复合材料层合板的单钉双剪挤压强度的方法。

关键词：平纹编织复合材料单搭接胶接单钉双剪挤压失效准则

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平纹编织复合材料层压板冲击损伤阻抗分析

平纹编织复合材料层压板冲击损伤阻抗分析

编织复合材料结构破坏吸能的多尺度建模与分析

第九届中国航空学会青年科技论坛

作者：宋贵宾李磊杨胜春中国飞机强度研究所

本文通过设计三种典型铺层形式的平纹编织复合材料冲击试样,开展了冲击及冲击后压缩试验研究。试验结果表明平纹编织复合材料层压板在相同冲击凹坑深度下,随着复合材料（±45）层比例的增加,冲击损伤分层面积减小,同时冲击后压缩极限应... 详细信息

本文通过设计三种典型铺层形式的平纹编织复合材料冲击试样,开展了冲击及冲击后压缩试验研究。试验结果表明平纹编织复合材料层压板在相同冲击凹坑深度下,随着复合材料（±45）层比例的增加,冲击损伤分层面积减小,同时冲击后压缩极限应变提高。

关键词：平纹编织复合材料铺层比例冲击冲击后压缩

来源： cnki会议评论

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编织复合材料结构破坏吸能的多尺度建模与分析

作者：宋东方中国民航大学

学位级别：硕士

编织复合材料一般由纤维束与基体两种力学性能各不相同的材料组合而成,由于具有高韧性、低密度且完整性好等特性,使其越来越多地应用于飞机发动机使用温度较低的组件中。由外来物引起的高速冲击破坏,成为了编织复合材料应用的主要关注... 详细信息

编织复合材料一般由纤维束与基体两种力学性能各不相同的材料组合而成,由于具有高韧性、低密度且完整性好等特性,使其越来越多地应用于飞机发动机使用温度较低的组件中。由外来物引起的高速冲击破坏,成为了编织复合材料应用的主要关注问题。因此本文通过试验和多尺度仿真建模相结合的方法,研究编织复合材料的破坏吸能行为及其影响因素。首先,以真空辅助树脂灌注成型技术（Vacuum Assisted Resin Infusion,VARI）制备的1000D629T/EPMOLD110国产芳纶平纹编织复合材料为研究对象,从编织复合材料组分和细观结构出发,基于平均场均质化模型,建立细观代表体积单元。通过准静态拉伸、剪切和面内压缩试验,获得材料的基础力学性能。对代表体积单元赋予渐进损伤模型,通过与试验进行对比,验证了细观结构模型本构关系的有效性。其次,进行芳纶平纹编织复合材料平板的弹道冲击试验,考察其破坏行为,包括剩余速度、吸能特性、失效形貌等相关参数,探究靶板厚度、制备工艺以及芳纶/碳纤维织物混杂铺层材料体系对平纹编织复合材料冲击破坏吸能的影响。研究表明,靶板厚度的增加可以明显提升弹道极限和临界吸能量,但是会降低临界吸能效率;制备工艺的改进能整体提高材料的抗冲击性能;混杂材料铺层对吸能特性的影响会随着碳纤维织布在铺层中的数量和位置而变化,有待进一步研究。考虑平纹编织复合材料纤维方向的力学响应和剪切响应,结合层间失效模型,基于细观模型对宏观材料本构的输入参数进行拟合标定,从而建立编织复合材料高速冲击破坏下的多尺度有限元模型。通过与试验对比验证,该有限元模型能够捕捉编织复合材料的破坏吸能行为。基于建立的有限元模型,进一步识别混杂材料铺层顺序和混杂铺层角度对材料破坏吸能的影响。研究发现,将靶板中间2/3的芳纶复合材料替换为碳纤维复合材料,可以有效提升其弹道极限和吸收能量的能力;将[0/90]3s铺层变为[0/90/45/-45/45/-45]s铺层,是一种无需增加材料厚度、混杂不同材料或改进工艺,就可以有效提升靶板临界吸能效率的简单方法,从而为工程应用提供参考。

关键词：平纹编织复合材料细观模型吸能特性多尺度有限元分析

碳纤维三维编织复合材料拉伸变形测量与渐进损伤研究

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碳纤维三维编织复合材料拉伸变形测量与渐进损伤研究

作者：张燕南河北大学

学位级别：硕士

碳纤维三维编织复合材料在航空航天、汽车和工业等工程领域实际应用过程中,不可避免的出现冲击和碰撞等损伤,进而影响复合材料力学性能及潜在安全隐患的发生率。因此,深入了解碳纤维复合材料的损伤演变过程中的发生机制,对其安全服役和... 详细信息

碳纤维三维编织复合材料在航空航天、汽车和工业等工程领域实际应用过程中,不可避免的出现冲击和碰撞等损伤,进而影响复合材料力学性能及潜在安全隐患的发生率。因此,深入了解碳纤维复合材料的损伤演变过程中的发生机制,对其安全服役和延长使用寿命具有较为重要的意义,同时也能够为结构优化设计和高性能复合材料生产的提供需求。为此,本文采用数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法与声发射(Acoustic Emission,AE)技术,结合K-means聚类算法,在碳纤维平纹编织复合材料的拉伸、压痕和压缩损伤演变规律的基础上,深入探讨三维机织和三维四向编织复合材料拉伸损伤过程中AE行为特征、K-means聚类结果和局部微变形场的变化;依据复合材料破坏过程中宏观、微观形态变化和本领域研究成果,建立了特定故障AE信号与损伤机制之间的相关性;此外,根据复合材料破坏过程中的AE特征信号时域特征,采用哨兵函数及AE信号b值处理方法,分别对其损伤历程进行分析,深入研究了复合材料破坏过程中的动态演变过程。实验结果表明:(1)碳纤维复合材料损伤过程中的AE相对能量、撞击累积数及幅度等特征参数反映了复合材料内部损伤演化过程;在复合材料临界失效点附近,出现较多高持续时间、高幅度AE信号,并且撞击累积数明显增加。(2)在准静态压痕载荷较小时,平纹编织复合材料表面损伤面积较小,并对其残余压缩强度影响不大;当压痕载荷达到40 kN时,压痕损伤导致复合材料出现大量分层、纤维断裂和局部区域的损伤穿透,而实际损伤状况导致复合材料残余压缩强度明显下降,并且断裂形式由复合形破坏模式转变为脆性断裂。(3)平纹编织复合材料、三维机织复合材料和三维编织复合材料的AE损伤演变规律上存在差异,但是AE信号的聚类结果相似。相对于AE峰值幅度,频率分布对复合材料损伤源的特征识别展现出较好的优越性,并基于该领域研究成果,建立不同损伤模式的频率分布范围:0-50 kHz的低频AE信号对应基体开裂;50-150 kHz的中频AE信号对应纤维/基体脱粘;250-600 kHz的高频AE信号对应纤维断裂。(4)根据复合材料瞬时机械能和AE能量之间的动态关系,可以有效获取不同载荷水平下损伤模式演变信息,简化了对复合材料损伤演化规律探究的信号处理方式;AE信号的b值时域分布变化,可以有效的提取试样内部裂纹出现的扩展状态和判定其即将失稳扩展的载荷水平。(5)平纹编织复合材料和三维机织复合材料,在低应变水平下,试样表面应变场变化较均匀,并随着平均应变水平的提高,出现随机局部应变集中点;针对三维编织复合材料的表面应变场,在低平均应变水平下,应变集中点首先出现在纱线交织区域,并随着平均应变水平的提高,高应变区域沿纱线的横向和纵向发展,最终形成以编织纱线为受载主体的锯齿状应变集中带。

关键词：平纹编织复合材料三维机织复合材料三维编织复合材料数字图像相关方法声发射

碳纤维增强复合材料铣削过程中切削力系数的建模

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装备制造技术 2017年第8期 198-201页

作者：苏飞孙富建湖南科技大学机电工程学院难加工材料高效精密加工湖南省重点实验室湖南湘潭411201

基于瞬时刚性力模型,对平纹编织碳纤维增强复合材料(C FR P)铣削加工中的切削力系数进行试验研究,运用偏最小二乘回归方法(PLS)建立切削力系数预测模型。结果表明:该方法具有一定可行性,适用于不同工况条件下方便、快速地获得切削力系... 详细信息

基于瞬时刚性力模型,对平纹编织碳纤维增强复合材料(C FR P)铣削加工中的切削力系数进行试验研究,运用偏最小二乘回归方法(PLS)建立切削力系数预测模型。结果表明:该方法具有一定可行性,适用于不同工况条件下方便、快速地获得切削力系数预测模型,且基于此模型所获得的铣削力能较好地反映实际铣削力的变化规律,能较准确、有效地预测铣削力的最大均值,为平纹编织碳纤维增强复合材料(C FR P)在实际加工中切削力的预测与控制提供参考。

关键词：平纹编织复合材料 C FR P 铣削力偏最小二乘法(PLS)

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