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湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料弯曲强度的宏观力学分析

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复合材料科学与工程 2022年第9期 41-47,75页

作者：赵迅鹏孙双双王洋青岛科技大学机电工程学院青岛266061

本文将复合材料单层板的刚度和强度性能表达成湿热参数的函数。基于经典层合板理论和宏观力学方法,用MATLAB编写了湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料(G/CFHC)弯曲强度的计算程序。研究了湿热环境对玻/碳纤维层间混杂复合材料和玻/碳纤维... 详细信息

本文将复合材料单层板的刚度和强度性能表达成湿热参数的函数。基于经典层合板理论和宏观力学方法,用MATLAB编写了湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料(G/CFHC)弯曲强度的计算程序。研究了湿热环境对玻/碳纤维层间混杂复合材料和玻/碳纤维夹芯混杂复合材料弯曲强度的影响。分析了湿热环境下不同混杂方式的G/CFHC层合板弯曲强度变化规律。结果表明:在湿热环境20℃~100℃温度区间内,G/CFHC层合板吸湿后,随着温度的升高其弯曲强度逐渐降低;在湿热环境下,±45°层相邻的G/CFHC层合板受层间切应力影响,其弯曲强度要低;在湿热环境20℃~110℃温度区间内,以(0°/90°)为递增单元,G/CFHC层合板的弯曲强度随着m的增加而增大。

关键词：宏观力学分析经典层合板理论湿热环境玻/碳纤维混杂复合材料弯曲强度

湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料的强度研究

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湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料的强度研究

作者：赵迅鹏青岛科技大学

学位级别：硕士

目前随着人类社会和科学技术的发展,混杂复合材料的使用范围越来越广泛,已应用于各个工业领域。为了适应社会发展,节约生产成本,有时采用碳纤维与玻璃纤维共同增强同一树脂基体,便可得到比强度、比刚度以及断裂韧性优良的玻/碳纤维混杂... 详细信息

目前随着人类社会和科学技术的发展,混杂复合材料的使用范围越来越广泛,已应用于各个工业领域。为了适应社会发展,节约生产成本,有时采用碳纤维与玻璃纤维共同增强同一树脂基体,便可得到比强度、比刚度以及断裂韧性优良的玻/碳纤维混杂复合材料。但其在工程使用中经常会受到湿热环境以及外载荷的共同作用,严重影响到复合材料强度。因此,对玻/碳纤维混杂复合材料开展湿热环境下的强度研究,具有重要的工程意义。本文从宏观力学的角度出发,将复合材料单层板的刚度和强度表达成含有湿热参数的函数,并且基于湿热环境下经典层合板理论、刚度折减修正法以及Hofmann强度失效准则,建立了玻/碳纤维混杂复合材料层合板强度模型。对湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料对称层合板和玻/碳纤维混杂复合材料非对称层合板的强度进行研究,具体研究内容及结论如下:(1)利用MATLAB软件编写了湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料对称层合板强度计算程序,研究了湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料对称层合板不同的铺层方式、铺层厚度、铺层结构对其拉伸强度的影响规律。通过计算发现,相同的湿热环境下,铺层方式为(0/90)的玻/碳纤维混杂复合材料对称层合板拉伸强度比较好;铺层设计中,在玻/碳纤维混杂复合材料对称层合板铺层总数不变的情况下,45°层或90°层分别与0°层组合时,其拉伸强度随着45°或90°铺层的质量分数的提高而逐渐下降;湿热环境下以(0/90)为递增单元层时随着m值的增大,玻/碳纤维混杂复合材料对称层合板的拉伸强度变大。(2)研究了玻/碳纤维混杂复合材料对称层合板在湿热环境下受到弯矩载荷M后,温度、铺层厚度以及铺层顺序对其弯曲强度的影响规律。研究表明:在干、湿态环境20℃～110℃温度内,玻/碳纤维混杂复合材料对称层合板伴随着环境温度的提高其弯曲强度而逐步降低,湿度对层合板弯曲强度的影响也越明显;玻/碳纤维夹芯混杂复合材料对称层合板在干湿态环境下,把碳纤维/环氧树脂单层板作为表层,玻璃纤维/环氧树脂单层板作为芯层,其弯曲强度要好;在工程厚度允许范围内,应尽量增加对称层合板中(0°/90°)或者(0°/45°)的组数,以增强玻/碳纤维混杂复合材料对称层合板的弯曲强度。(3)基于湿热环境下经典层合板理论,考虑了复合材料非对称层合板存在耦合刚度矩阵,利用MATLAB编写了玻/碳纤维混杂复合材料非对称层合板强度计算程序。对湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料非对称层合板的拉伸强度和弯曲强度进行计算,讨论了湿热环境下温度、铺层比例对玻/碳纤维混杂复合材料非对称层合板的强度影响规律。研究表明:湿热环境下随着温度的升高,玻/碳纤维混杂复合材料非对称层合板的拉伸强度与弯曲强度下降比较明显,受温度影响程度较大;湿热环境下,玻/碳纤维混杂复合材料非对称层合板中0°层的比例越高其拉伸强度和弯曲强度越大;当90°铺层连续叠加时,玻/碳纤维混杂复合材料非对称层合板受到拉伸载荷时90°层中的基体开裂将会导致其他层纤维附近的局部应力集中越来越严重,从而使玻/碳纤维混杂复合材料非对称层合板的拉伸强度逐渐降低。

关键词：湿热环境宏观力学经典层合板理论玻/碳纤维混杂复合材料强度

湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料的阻尼特性研究

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湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料的阻尼特性研究

作者：王洋青岛科技大学

学位级别：硕士

玻/碳纤维混杂复合材料结合了碳纤维的高强度和玻璃纤维的高应变失效等优异性能而广泛应用于航空航天、汽车、海洋及军事等众多领域。科技发展与进步对玻/碳纤维混杂复合材料的设计、应用及振动控制提出了更高的要求,尤其是湿热环境对玻... 详细信息

玻/碳纤维混杂复合材料结合了碳纤维的高强度和玻璃纤维的高应变失效等优异性能而广泛应用于航空航天、汽车、海洋及军事等众多领域。科技发展与进步对玻/碳纤维混杂复合材料的设计、应用及振动控制提出了更高的要求,尤其是湿热环境对玻/碳纤维混杂复合材料的力学性能具有重要的影响。因此研究湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料的阻尼特性具有重要意义。在考虑湿热应力及湿热环境对单层板力学性能影响的基础上,按照能量耗散原理结合湿热环境下的经典层合板理论和宏观应变能法建立了湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料层合梁的宏观阻尼预测模型和细观阻尼预测模型,并利用Matlab软件编写了玻/碳纤维混杂复合材料损耗因子的求解程序,研究了湿热环境下不同的层合梁结构参数对玻/碳纤维混杂复合材料损耗因子的影响规律。具体研究内容及结论如下:(1)从复合材料宏观力学角度出发,基于宏观应变能法并结合湿热环境下复合材料单层板力学性能衰减模型,建立了湿热环境下纤维混杂复合材料的宏观阻尼预测模型。根据建立的阻尼预测理论模型以玻/碳纤维混杂复合材料对称层合梁为研究对象,基于Matlab软件编写了求解湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料损耗因子的程序。(2)根据编写的计算湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料损耗因子的Matlab程序计算了不同温度、吸湿浓度和湿热共同作用下玻璃纤维/环氧树脂单层板和碳纤维/环氧树脂单层板的工程弹性常数。结果表明,吸湿浓度对单层板工程弹性常数的影响较小,相比于温度和吸湿浓度,湿热环境显著降低了玻璃纤维和碳纤维/环氧树脂单层板的弹性模量。(3)基于复合材料细观力学研究了不同的玻璃纤维体积分数、碳纤维体积分数、铺层顺序和混杂比对玻/碳纤维混杂复合材料阻尼特性的影响。结果表明,当玻/碳纤维混杂复合材料采用0°单向纤维铺设角度时,采用较低的碳纤维体积分数并适当增加玻璃纤维的分数可以改善层合梁的阻尼特性;对于玻璃纤维增强复合材料单层板在外层的夹芯混杂方式,宜将纤维体积分数为0.45的碳纤维复合材料单层板置于芯层,并适当增加玻璃纤维的体积分数可以改善玻/碳纤维混杂复合材料的阻尼特性。增加玻璃纤维/环氧树脂单层板的数量可以改善不同铺层顺序的玻/碳纤维混杂复合材料的阻尼特性。

关键词：湿热环境玻/碳纤维混杂复合材料宏观应变能法损耗因子

玻/碳纤维混杂复合材料层合板结构的屈曲和后屈曲分析

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玻/碳纤维混杂复合材料层合板结构的屈曲和后屈曲分析

作者：王修刚青岛科技大学

学位级别：硕士

玻/碳纤维混杂复合材料是由玻璃纤维和碳纤维增强同一种树脂基体而制成,它不仅具有两种纤维的优点,还可以实现两者的刚度、强度和韧性的协同作用,具有良好的综合力学性能,比传统的单一纤维复合材料有更好的设计性,在航空、航天等各种领... 详细信息

玻/碳纤维混杂复合材料是由玻璃纤维和碳纤维增强同一种树脂基体而制成,它不仅具有两种纤维的优点,还可以实现两者的刚度、强度和韧性的协同作用,具有良好的综合力学性能,比传统的单一纤维复合材料有更好的设计性,在航空、航天等各种领域得到了广泛的应用。对于玻/碳纤维混杂复合材料层合板结构,在实际应用过程中会受到压缩载荷的作用,常见的失效形式为屈曲,在发生屈曲失稳后层合板结构通常还有较大的后屈曲承载能力。因此,在保证层合板结构使用安全的前提下,提高结构的材料利用率和抗屈曲能力具有重要的工程意义。本文基于有限元法对玻/碳纤维混杂复合材料层合板结构进行了特征值屈曲和后屈曲分析,具体研究内容和结论如下:(1)在有限元分析软件中建立了玻/碳纤维混杂复合材料层合板的有限元模型,对其进行了特征值屈曲分析,研究了不同温度、纤维铺设角度、铺层方式、边界条件、混杂比等因素对于结构临界屈曲载荷的影响,并将文献解与matlab中计算的解析解相比较,验证了本文模型的可靠性和有效性。研究发现随着温度的升高,结构的屈曲载荷不断下降;结构屈曲载荷随着纤维铺设角度的不断增大呈下降趋势,纤维单向铺设角度为0°时,结构的屈曲载荷最大;结构屈曲载荷随着碳纤维单层板从外层逐渐向中间层移动的过程中逐渐降低;随着边界条件中固支边的增加,屈曲载荷呈上升趋势;在厚度和层合板层数一定时,C:G混杂比为1:7时,材料利用率最高;相同铺设顺序下,混杂方式为夹芯混杂时的屈曲载荷值大于层间混杂,且将碳纤维单层板放置于表层,玻璃纤维单层板放置于芯层,结构的屈曲载荷最大(2)为提高玻/碳纤维混杂复合材料层合板的抗屈曲能力,在原有层合板的基础上增加筋条,建立了玻/碳纤维混杂复合材料加筋板模型,对其进行特征值屈曲分析,研究了筋条的截面形式、筋条数量,工字型筋条的结构参数、铺层方式对于玻/碳纤维混杂复合材料加筋板屈曲载荷的影响。分析过程中发现T型、J型和工字型三种加筋形式均可大幅提高玻/碳纤维混杂复合材料层合板的抗屈曲能力,其中工字型筋条提升效率最高,且随着筋条数量的不断增加,结构的屈曲载荷不断提高,筋条数目为3时材料利用率最大,筋条的位置与蒙皮的形心更近,能够更有效的发挥筋条的承载能力;筋条高度对于加筋板结构屈曲载荷影响较大,筋条高度为10mm时对于结构抗屈曲能力的提高效率最高;对于筋条的铺设方式,增加0°铺设层数,减少90°铺设层数可以有效的提高结构的抗屈曲能力。(3)在上述对结构进行特征值屈曲分析的基础上,进而对玻/碳纤维混杂复合材料和加筋板的后屈曲过程和渐近损伤进行了分析。将特征值屈曲分析的一阶屈曲模态作为结构的初始缺陷加入至后屈曲分析过程中,并引入二维Hashin准则建立结构的刚度退化模型,跟踪后屈曲平衡路径,进而求得结构的极限载荷以及损伤演化过程。研究过程中发现层合板和加筋板在发生屈曲后均有较大的后屈曲强度,当铺设方式相同时,C:G混杂比为1:1的玻/碳纤维混杂复合材料层合板屈曲载荷值达到了单一碳纤维复合材料层合板的92.72%,为单一玻璃纤维复合材料层合板的2.37倍,后屈曲极限承载能力达到了单一碳纤维复合材料层合板的84.6%,为单一玻璃纤维复合材料层合板的1.93倍;在对玻/碳纤维混杂复合材料层合板和加筋板渐近损伤分析过程中,发现层合板主要的失效模式为基体的拉伸损伤失效和纤维的压缩损伤失效,损伤的区域和趋势主要与纤维的铺设角度和铺设顺序有关,损伤较为严重的区域为表层和底层,损伤趋势为沿板的四个角向中心扩展;加筋板主要的失效模式为蒙皮的基体拉伸损伤失效、纤维的压缩损伤失效,筋条的纤维拉伸损伤和基体拉伸损伤。

关键词：玻/碳纤维混杂复合材料层合板加筋板稳定性渐近损伤

热-机载荷作用下玻/碳纤维混杂复合材料层合板的屈曲分析

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复合材料科学与工程 2023年第12期 88-95页

作者：王修刚孙双双张胜旗马佳宾青岛科技大学机电工程学院青岛266061

本文以玻/碳纤维混杂复合材料(G/CFHC)层合板为研究对象,在考虑温度引起复合材料性能退化及热应力双重影响的基础上,借助有限元软件ABAQUS对G/CFHC层合板的屈曲载荷进行计算,讨论了环境温度、铺层顺序、铺层厚度、纤维混杂比对G/CFHC层... 详细信息

本文以玻/碳纤维混杂复合材料(G/CFHC)层合板为研究对象,在考虑温度引起复合材料性能退化及热应力双重影响的基础上,借助有限元软件ABAQUS对G/CFHC层合板的屈曲载荷进行计算,讨论了环境温度、铺层顺序、铺层厚度、纤维混杂比对G/CFHC层合板屈曲特性的影响。结果表明:在20~120℃环境条件下,温度对G/CFHC层合板影响较大,随着温度的升高,层合板的屈曲载荷不断下降,在达到一定温度后,屈曲载荷的下降趋势趋于平缓;在铺层角度相同的前提下,屈曲载荷会随着碳纤维单层板位置的变化而发生变化,碳纤维单层板从外层逐渐向中间层移动的过程中,屈曲载荷呈降低趋势;铺层厚度对层合板的屈曲载荷影响很大,随着层合板厚度的增加,屈曲载荷呈现出持续上升的趋势。此外,纤维混杂比对G/CFHC层合板屈曲载荷有显著影响。在层合板厚度和层数一定时,增加碳纤维单层板的数量可以有效提高G/CFHC层合板的抗屈曲能力,增加其稳定性。

关键词：玻/碳纤维混杂复合材料热-机载荷有限元法屈曲载荷

玻/碳纤维混杂复合材料层合板的振动特性研究

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合成纤维 2021年第1期50卷 48-55页

作者：曾令旗孙双双王永哲张玉发青岛科技大学机电工程学院山东青岛266061

为了获取玻/碳纤维混杂复合材料层合板的振动特性,以玻/碳纤维混杂复合材料层合板为研究对象,基于有限元分析软件ANSYS Workbench分析了夹芯混杂、层间混杂两种混杂方式下的复合材料层合板的振动特性,得到了层合板的混杂类型、铺设厚度... 详细信息

为了获取玻/碳纤维混杂复合材料层合板的振动特性,以玻/碳纤维混杂复合材料层合板为研究对象,基于有限元分析软件ANSYS Workbench分析了夹芯混杂、层间混杂两种混杂方式下的复合材料层合板的振动特性,得到了层合板的混杂类型、铺设厚度、长宽比、铺设角度对玻/碳纤维混杂复合材料层合板固有频率的影响规律。结果表明:夹芯混杂方式的前五阶固有频率高于层间混杂方式;两种混杂方式的前5阶固有频率随着铺设厚度的增加而增大;固有频率随着长宽比的增大而减小,且第四、五阶固有频率随长宽比的变化最为显著;不同的玻璃纤维铺设角度对两种混杂方式下的固有频率影响显著。

关键词：玻/碳纤维混杂复合材料层合板 ANSYS 固有频率