缝合复合材料泡沫夹层结构层间剪切性能研究

复合材料泡沫夹层结构在飞机结构上的应用日益广泛,面板与芯子的全厚度缝合是提高泡沫夹层结构层间剪切性能的重要途径。本文通过层间剪切试验,研究不同缝合密度下单向带面板和织物面板复合材料泡沫夹层结构的层间剪切强度及其变化规律。研究结果表明:面板为单向带的缝合泡沫夹层结构最大剪切载荷和层间剪切强度均优于未缝合泡沫夹层结构的,且层间剪切性能随着缝合密度的增加而增加;面板为织物的缝合泡沫夹层结构缝合密度超过4000针/m2左右后,最大剪切载荷和层间剪切强度均优于未缝合泡沫夹层结构,且层间剪切性能随着缝合密度的增加而增加。     

缝纫复合材料层合板面内拉伸强度研究

旨在研究由缝纫引起的材料弹性性质的变化并对缝纫复合材料层合板面内拉伸强度进行理论预测。认为缝纫引起的面内纤维偏转是缝纫影响复合材料面内力学性能的主要原因，引入最大纤维偏转角和变形区宽度两个结构参数，提出了描述材料非均匀性的纤维弯曲模型。采用多层次多尺度模拟的方法得到层合板非均匀的材料性质。通过二维有限元分析对单向拉伸载荷作用下的面内强度进行理论预测，得到与试验数据相吻合的结果，进而分析了缝纫密度对拉伸强度的影响。     

多层氧化石墨烯的三维弹性常数及氧化度对力学性能的影响

宏观氧化石墨烯膜由多层石墨烯组成,其法向拉伸和层间剪切性能远比面内性能低。本文视多层氧化石墨烯为一种特殊的三维正交各向异性材料——横观各向同性材料,通过建立羟基和环氧基在石墨烯表面随机分布的多层氧化石墨烯三维模型,采用分子动力学方法模拟多层氧化石墨烯的面内拉伸、法向拉伸和层间剪切行为,分别得到了多层氧化石墨烯材料的全部五个独立弹性常数E2、E3、μ12、μ32和G23,进而确定了三维弹性矩阵（柔度矩阵和刚度矩阵）,并进一步分析了氧化度对弹性常数和强度的影响规律。结果表明：随着氧化度R逐步增大,多层氧化石墨烯面内杨氏模量E2和拉伸强度σ2max逐步降低,法向杨氏模量E3和拉伸强度σ3max、层间剪切模量G23和剪切强度τ23max均逐步增大,而对泊松比的影响较小;拉伸和剪切断裂破坏位置由氧化基团(羟基和羧基)与碳原子结合键能大小所决定。     

缝合复合材料制备工艺和力学性能研究

从缝合复合材料的工程实际应用、工艺、力学性能、分析方法等方面对缝合复合材料的制备工艺和力学性能研究发展状况进行了比较全面系统的阐述与分析,重点介绍了缝合复合材料的各种力学性能及其强度分析模型.在强度分析模型中, 介绍了弹性矩阵场函数和缝合复合材料强度场的概念.缝合复合材料在结构整体性、层间性能以及低速冲击损伤阻抗等方面具有明显的优势,克服了普通层合板层间性能以及低速冲击后压缩性能低的弱点. 但是,缝合复合材料的工艺相对比较复杂,缝合对层合板的部分面内力学性能存在一定的负面影响,而且在湿热环境条件下其层间强度高的优势无法发挥.在选用缝合时,应根据所用层合板的铺层顺序及其使用的环境条件,同时还应兼顾缝合对铺层面内力学性能的影响, 决定是否使用缝合结构.在湿热性能要求不高的结构中, 如导弹结构,缝合复合材料已经得到了很好的应用.      

岩土材料的非线性统一强度模型

将材料的破坏归结为剪切破坏,每种材料对应于特定的剪切滑动面,抗剪强度为滑动面上正应力的函数,基于不同材料的强度特性将一系列的剪切滑动面统一起来,建立了岩土材料的非线性统一强度模型.非线性统一强度模型的滑动面为β应力空间内的等倾面,在β应力空间内的强度面为圆锥面;在普通应力空间内的强度面为一系列连续光滑、外凸的锥面,在偏平面上强度曲线涵盖了从下限Matsuoka-Nakai曲线到上限Drucker-Prager圆之间的所有区域,子午面上强度线为直线.非线性统一强度模型只有3个材料参数,参数都具有明确的物理意义,通过与国内外学者已取得的岩土类材料真三轴强度试验结果的比较,表明模型可适用于多种类型的材料,并合理描述其非线性强度特性.      

切口类型变化对复合材料双切口层间剪切强度的影响规律研究

利用三维有限元模型和试验对复合材料双切口试件层间剪切强度进行了研究,通过改变双切口试件的切口类型(标准双切口、半V型切口和V型切口),对比分析切口类型变化对试件剪切面应力水平、破坏模式和剪切强度的影响,对侧面夹具为Hopkinson金属棒的半V型切口试件剪切面应力水平进行了分析。结果表明,三种切口类型的试验都不是单纯、均匀的剪切强度试验:标准双切口(DNS)试件剪切面剪应力分布不均匀,横向压应力较大,它仅能得到复合材料的表观层间剪切强度;半V型切口(0.5DVS)试件剪切面剪应力分布最不均匀,横向压应力较小,所得剪切强度偏小;V型切口(DVS)试件剪切面剪应力分布最均匀,但横向压应力较大。DNS试件和0.5DVS试件破坏模式为单纯剪切破坏,两者所测剪切强度离散性相对较小,而DVS试件破坏时初始失效点不在剪切面上,存在二次失效,所测剪切强度离散性较大。综上所述,DNS试件最适合静态层间剪切强度测试。与含Hopkinson金属棒的试件相比,改变切口类型的试件之所以不能改善剪切面的应力水平,是由输入输出区刚度偏小造成的。     

缝合复合材料层板面内局部纤维弯曲模型及刚度预报

提出了缝合层板面内局部纤维弯曲模型,假设缝合线受挤压后横截面为椭圆形,指出当纤维弯曲幅度较小时,缝合仅造成单胞内局部纤维弯曲,纤维弯曲角为特定值,由纤维种类决定;当纤维弯曲幅度较大时,缝合造成单胞内整体纤维弯曲,纤维弯曲角大于特定值,由纤维弯曲幅度和单胞尺寸决定。采用有限元法建立了缝合层板刚度分析方法,使缝合层板单胞满足周期性边界条件,预报结果与试验吻合较好,详细探讨了缝合参数对层板刚度的影响规律,结果表明缝合后层板刚度降低,缝合参数变化对层板刚度有较大影响。     

石英纤维布氰酸酯树脂基复合材料的环境试验性能研究

对石英纤维布增强氰酸酯树脂基复合材料进行了常温、低温和湿热三种环境下的拉伸、压缩、面内剪切、层间剪切和钉孔挤压等试验研究,得到了该复合材料的拉伸压缩面内剪切的强度和弹性模量以及层间剪切强度和钉孔挤压强度等力学性能参数。结果表明:石英纤维布增强氰酸酯树脂基复合材料的力学性能参数具有温度相关性。在低温环境下,力学性能参数不同程度地增强,最大增长量达40%;而在高温环境下,力学性能参数则明显下降,最高下降量达到56%。另外,由于复合材料的层间性能主要由基体决定,所以湿热环境对复合材料层间性能的影响很大,在工程实际中应特别关注。     

NONLINEAR UNIFIED STRENGTH MODEL OF GEOMATERIALS

将材料的破坏归结为剪切破坏,每种材料对应于特定的剪切滑动面,抗剪强度为滑动面上正应力的函数,基于不同材料的强度特性将一系列的剪切滑动面统一起来,建立了岩土材料的非线性统一强度模型.非线性统一强度模型的滑动面为β应力空间内的等倾面,在β应力空间内的强度面为圆锥面;在普通应力空间内的强度面为一系列连续光滑、外凸的锥面,在偏平面上强度曲线涵盖了从下限Matsuoka-Nakai曲线到上限Drucker-Prager圆之间的所有区域,子午面上强度线为直线.非线性统一强度模型只有3个材料参数,参数都具有明确的物理意义,通过与国内外学者已取得的岩土类材料真三轴强度试验结果的比较,表明模型可适用于多种类型的材料,并合理描述其非线性强度特性.     

缝合复合材料泡沫夹芯结构剪切刚度预报

针对复合材料泡沫夹芯结构的缝合工艺采用代表体元法,通过建立有限元模型,对这种新型复合材料结构的剪切刚度性能进行了预测.考察了缝合对材料弹性常数的影响,给出了弹性常数的计算方法,并着重探讨了纤维弯曲、富树脂区以及缝线刚度、缝线等效直径对结构剪切刚度的影响.对比发现:结构的面内剪切刚度与缝线直径成反比,与缝线的剪切刚度成正比;面外剪切刚度与缝线直径成正比,与缝线的剪切刚度成正比.数值分析结果与试验结果比较吻合.     

A PREDICTIVE APPROACH TO THE IN-PLANE MECHANICAL PROPERTIES OF STITCHED COMPOSITE LAMINATES

This contribution attempts to model the alteration of the in-plane elastic properties in laminates caused by stitching,and to predict the in-plane effective tensile strength of the stitched composite laminates.The distortion of in-plane fibers is considered to be the main cause that affects the in-plane mechanical properties.A fiber distortion model is proposed to characterize the fiber misalignment and the fiber content concentration due to stitching.The undistorted region,the fiber distortion region,the resin-rich pocket and the through-thickness reinforcement section are taken into account.The fiber misalignment and inhomogeneous fiber content due to stitching have been formulated by introducing two parameters,the distortion width and maximum misalignment.It has been found that the ply stress concentration in stitched laminates is influenced by the two concurrent factors,the stitch hole and inhomogeneous fiber content.The stitch hole brings about the stress concentration whereas the higher fiber content at the local region induced by stitching restrains the local deformation of the composite.The model is used to predict the tensile strength of the [0/45/0/-45/90/45/0/-45]_(2s) T300/QY9512 composite laminate stitched by Kevlar 29 yarn with different stitching configurations,showing an acceptable agreement with experimental data.     

缝纫复合材料单向板面内力学性能的试验研究

对缝纫复合材料单向板在单向拉伸载荷作用下的面内力学性能进行试验研究,给出了缝纫密度、缝纫线直径对复合材料单向板面内拉伸强度的影响规律.研究发现复合材料的破坏模式与缝纫密度有关,对于中低密度缝纫的单向板其破坏模式为纤维断裂,而对于高密度缝纫的单向板其破坏模式为复合材料撕裂破坏.并从复合材料细观结构层次上揭示了破坏模式和拉伸强度与缝纫密度之间的内在关系.     

缝纫复合材料层合板面内弹性模量分析

基于对缝纫孔附近局部细观结构的分析，提出了一种预测缝纫复合材料层合板面内力学性能的理论模型．从分析缝孔单胞的纤维弯曲几何特征入手，最终得到单向板及层合板的弹性常数．通过有限元分析研究了缝纫参数对复合材料层合板面内等效模量的影响．研究结果表明，缝纫造成单向板及层合板面内材料性质的不均匀，随着缝纫密度和缝纫线直径的增加，层合板的等效模量逐渐降低．     

缝合复合材料层板刚度预报

提出了缝合复合材料层板的刚度预报模型,该模型考虑了缝合针脚处的孔洞对刚度的影响,描述了缝合孔洞的几何形态,建立了孔洞形态与纤维弯曲的关系,采用平均刚度法和经典层合板理论进行了刚度预报,获得了与试验数据相吻合的预报结果,表明了该模型的有效性,详细探讨了缝合孔洞对缝合层板刚度的影响规律,得到一些有益结论。     

缝合复合材料层板低速冲击损伤研究

通过三维动力学有限元法,以空间杆单元模拟缝线的增强作用,建立了缝合复合材料层板在横向低速冲击载荷作用下的渐近损伤分析模型。该模型考虑了缝合层板受低速冲击时的纤维断裂、基体开裂及分层等五种典型损伤形式,采用基于应变描述的Hashin失效准则和Yeh分层失效准则,并将其嵌入ABAQUS/Explicit用户子程序以实现相应损伤类型的判断及其材料性能退化。针对相同铺层的缝合与未缝合层板,模拟了低速冲击作用下的冲击响应和渐进损伤过程,数值结果与试验吻合较好,证明了该方法的合理有效性。同时探讨了冲击速度、缝合密度等对缝合层板冲击响应和损伤的影响。结果表明：有、无缝合层板的低速冲击响应具有类似的变化规律,缝合能够有效减小冲击损伤面积。随着缝合密度和缝线强度的增大,缝合对冲击损伤的抑制作用更为明显。     

缝合复合材料层间开裂的试验和数值研究

缝合复合材料层合板中贯穿厚度方向的缝线,能有效增强层合板的抗分层能力。本文对一种碳纤/环氧缝合复合材料层板进行了短梁三点弯试验,测得了压头的载荷-位移曲线,并观察了层间裂纹的扩展,证实了缝线对层间裂纹的阻滞作用。建立了三维有限元模型模拟了上述试验,模型中相邻的铺层之间布置了一层初始无厚度的界面单元,界面单元的失效自然模拟层间开裂,而缝线简化为面积等效的梁单元,数值结果与试验观测吻合。     

缝合复合材料层合板拉伸疲劳损伤及其机理

对有、无缝合复合材料层合板的拉伸疲劳性能进行了试验研究,考察了0^\circ缝合对复合材料光滑板拉伸疲劳损伤扩展规律的影响. 通过有限元素法分析了有、无缝合复合材料层合板的应力状态分布情况,对缝合复合材料层合板的拉伸疲劳损伤及其扩展机理进行了分析. 研究表明,缝合改变了复合材料层合板拉伸疲劳损伤起始与扩展的机理,针脚附近的面内正应力\sigma_{x}与层间剪应力的集中对层合板拉伸疲劳损伤的发生与扩展有着重要的作用,自由边界处的层间集中应力对缝合板的疲劳性能也有影响. 自由边界处的层间集中应力是导致无缝合层合板疲劳损伤及其扩展的主要原因.