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。     

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．     

渐近均匀化理论预报缝纫复合材料弹性性能

基于缝纫复合材料的结构特征,假定其具有周期性细观结构.利用渐近均匀化方法并结合摄动技术建立一系列控制方程,考虑由于缝纫扰动造成的材料的非均匀分布,由此确定缝纫复合材料的宏观等效性能.已有的试验结果相比较,本文预报结果与试验吻合较好.研究发现,缝纫造成了层合板刚度的下降,在面内方向缝纫密度越大,刚度降低越明显.缝纫产生的纤维变形区的宽度增加对刚度有利,纤维变形区的长度对拉伸刚度影响不大.并对缝纫参数对缝合板性能的影响进行了预报,为实际工程问题提供了预测材料性能的方法.     

大开口复合材料层合板强度破坏研究

复合材料层合板的各向异性及非均质,使得复合材料层合板内部的破坏形式非常复杂.在复合材料结构的设计中,为满足制造及使用功能上的需求,在复合材料层合板承力结构件上不可避免地需要设计各种开口.然而,含大开口复合材料层合板的强度破坏问题变得更为复杂,使得现有的强度理论面临新的挑战.针对碳纤维增强复合材料大开口层合板受单向拉伸载荷作用下的强度破坏问题进行了数值分析和实验研究.首先,根据Hashin准则和刚度退化模型,对含不同圆形开口尺寸的[0]_(10)单向铺层、[0/90]_5和[±45]_5正交铺层的层合板,进行了单向拉伸载荷作用下渐进失效的数值模拟分析,获得了对应结构的极限载荷和破坏模式.在此基础上,采用数字图像相关方法,进行复合材料大开口层合板强度破坏的实验研究.研究结果表明,大开口复合材料层合板在单向拉伸加载下主要呈现脆性破坏形式,破坏起始位置处于应力集中区.此外,破坏强度和失效模式与复合材料铺层方式和开口尺寸大小密切相关.其中[±45]_5铺层的开口层合板承载能力最弱,分层破坏最严重.开口尺寸越大,结构的极限载荷值越低.同实验测试结果相比,数值模拟对复合材料层合板的损伤失效分析略显不足,往往很难全面分析复合材料层合板破坏失效过程中的各种因素的影响.     

开孔复合材料层合板强度不确定性分析

以拉伸载荷作用下AS4/3501-6开孔复合材料层合板为研究对象，采用考虑复合材料层合板就地强度效应的有限断裂力学模型和基于方差的敏感性测度分析模型相结合的方法，研究单层板宏观力学性能不确定性对具有不同孔径和铺层顺序的开孔复合材料层合板破坏强度的影响．研究结果表明：单层板力学性能对开孔板强度影响程度的大小与孔径相关，但敏感性排序与孔径无关．同时，单层板力学性能敏感性测度与层合板铺层顺序有关，层合板各向异性比越大，开孔板拉伸破坏受单层板纤维方向拉伸强度的影响越大，而且开孔板拉伸强度与单层板纤维方向拉伸强度呈正相关，与横向弹性模量呈负相关，与面内剪切模量和纵向弹性模量不具有单调关系．     

割口单向叠层板的拉伸应力集中与强度

基于剪滞理论,建立一种分层剪滞模型,分析了含割口的单向叠层板在拉伸载荷作用下的应力重新分布问题,获得了割口前缘完整纤维的应力集中因子.在此基础上,采用细观统计破坏理论,研究了割口单向叠层板的拉伸破坏强度,得到了与现有实验较吻合的结果.     

基于巴西盘试验的海冰拉伸强度研究

海冰拉伸强度是其基本力学性能之一,同时也是冰区船舶与海洋工程结构设计所需的重要参数.对于脆性材料的拉伸强度测试,巴西盘劈裂试验相比单轴拉伸试验在试样制备与加载上具有明显的优势.为研究海冰的拉伸强度特征,对渤海辽东湾沿岸的粒状冰开展了系统的巴西盘劈裂试验研究.在加载过程中与试样破坏后,分别对加载横梁的位移与加载力以及试样最终破坏模式进行了记录.同时,对试样的冰晶结构、盐度、温度以及密度进行了测量.通过改变加载速率、试样厚度与试样温度以研究不同参数对试验结果的影响.针对传统试验中试样的刚体假设,考虑了试样变形对应力状态的影响并将其引入了理论模型.试验过程中所有海冰试样均以劈裂模式破坏.试验结果表明,加载速率与试样厚度对拉伸强度的影响并不显著,但孔隙率的影响较为明显.当孔隙率由75‰降低至10‰时,拉伸强度由1.0 MPa升高至2.8 MPa.与单轴拉伸试验所测得数据对比,巴西盘劈裂试验所得到的拉伸强度随孔隙率的变化趋势相一致.但该方法所得到的粒状冰拉伸强度要高于预期结果.试验表明巴西盘劈裂试验中海冰试样的破坏模式与试验结果均较为合理,可成为海冰拉伸强度的有效测试方法.     

基于巴西盘试验的海冰拉伸强度研究

海冰拉伸强度是其基本力学性能之一, 同时也是冰区船舶与海洋工程结构设计所需的重要参数. 对于脆性材料的拉伸强度测试, 巴西盘劈裂试验相比单轴拉伸试验在试样制备与加载上具有明显的优势. 为研究海冰的拉伸强度特征, 对渤海辽东湾沿岸的粒状冰开展了系统的巴西盘劈裂试验研究. 在加载过程中与试样破坏后, 分别对加载横梁的位移与加载力以及试样最终破坏模式进行了记录. 同时, 对试样的冰晶结构、盐度、温度以及密度进行了测量. 通过改变加载速率、试样厚度与试样温度以研究不同参数对试验结果的影响. 针对传统试验中试样的刚体假设, 考虑了试样变形对应力状态的影响并将其引入了理论模型. 试验过程中所有海冰试样均以劈裂模式破坏. 试验结果表明, 加载速率与试样厚度对拉伸强度的影响并不显著, 但孔隙率的影响较为明显. 当孔隙率由75‰降低至10‰时,拉伸强度由1.0 MPa升高至2.8 MPa. 与单轴拉伸试验所测得数据对比, 巴西盘劈裂试验所得到的拉伸强度随孔隙率的变化趋势相一致. 但该方法所得到的粒状冰拉伸强度要高于预期结果. 试验表明巴西盘劈裂试验中海冰试样的破坏模式与试验结果均较为合理, 可成为海冰拉伸强度的有效测试方法.      

高温环境下T300/BMP350拉伸力学行为研究

对不同温度下的耐高温树脂基复合材料T300/BMP350的0°和90°单向层合板进行静载拉伸实验,得到材料在不同温度下的应力-应变响应,分析了温度对材料的力学性能影响。通过高温应变片采集到材料在高温环境下的热输出和破坏时的极限应变,分析了材料的热行为。通过分析材料的应力-应变曲线和失效模式,研究了材料的损伤和失效机理。研究结果表明:T300/BMP350树脂基复合材料具有很好的耐高温性能。高温下0°方向的拉伸强度和模量保持率达到80%以上,90°方向的拉伸强度和模量保持率可以达到50%以上。高温环境对材料的极限应变影响不大,材料破坏模式均为脆性破坏。基于实验结果,对材料的强度随温度的变化进行拟合,预测了该材料在350℃时0°和90°的拉伸强度。     

三维编程复合材料拉压性能的实验研究

本文通过对三维编程T300／QY9512复合材料纵向和横向的拉伸和压缩试验，研究了三维编程复合材料的刚度和强度特性，通过试验发现纵向拉压以及横向拉压应力应变曲线几乎为直线，具有脆性破坏的特点；三维编织T300／QY9512复合材料纵向拉压强度与横向拉压强度均不同，这主要是因为其破坏模式不同的缘故；另外，声发射数据表明了纵向拉伸试验中试件损伤的发展和破坏与声发射的敲击计数和能量相关。     

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.     

缝合复合材料层板面内局部纤维弯曲模型及剪切强度预报

提出了面内局部纤维弯曲模型,基于有限元法和周期性边界条件建立了缝合层板面内剪切强度分析方法,采用桥联模型和最大应力判据分析损伤扩展并获得面内剪切强度,预报结果与试验吻合较好,探讨了缝合参数对层合板面内剪切强度的影响规律,结果表明缝合削弱了层合板的面内剪切强度,缝合针距和行距越大对面内剪切强度越有利,较细的缝合线对面内剪切强度有利.     

玻璃纤维增强型复合材料圆筒高温高压动态冲击断口形貌分析

为了探究埋头弹火炮所用的玻璃纤维增强型(GFR)复合材料药筒在高温高压瞬态冲击条件下的结构强度,分别开展了圆筒静态整体拉伸和动态高温高压冲击实验,从拉伸/瞬态超高压破坏试样断口部分截取断口样品,在扫描电子显微镜下观察断口形貌,得到GFR复合材料在两种不同受力情况下的失效模式。结果表明:室温整体单轴拉伸断裂时,GFR复合材料的断面与轴线夹角接近45°, 失效模式为环氧树脂基体破坏和纤维拔出;在高压瞬态冲击作用下,试样主要失效模式为纤维的脆性断裂,同时由于火药燃烧产生的高温燃气使部分环氧树脂基体碳化,纤维与基体界面结合力降低,少数纤维熔融或软化附着在断口上,部分软化的纤维因瞬态超高压被拉细。     

Characterization of the Orthotropic Elastic Constants of a Micronic Woven Wire Mesh via Digital Image Correlation

Woven structures are steadily emerging as excellent reinforcing components in dual-phase composite materials subjected to multiaxial loads, thermal shock, and aggressive reactants in the environment. Metallic woven wire mesh materials in particular display good ductility and relatively high specific strength and specific resilience. While use of this class of materials is rapidly expanding, a significant gap in property characterization remains. This research classifies the homogenized, orthotropic material properties of a representative twill dutch woven wire mesh through the use of in-plane uniaxial tensile experiments incorporating a Digital Image Correlation (DIC) strain measurement technique. Values for elastic modulus and Poisson’s ratio are calculated from the experimental data, and shear modulus values are identified by means of constitutive modeling. This approach establishes a reproducible method for characterizing the in-plane elastic response of micronic metallic woven materials via macro-scale uniaxial tensile tests, and shows that a homogenous orthotropic constitutive model may be employed to describe the macro-scale elasticity of this class of materials with reasonable accuracy.     

类岩石材料力学特性的试验及数值模拟研究

在进行多组不同配比类岩石材料单轴压缩试验和巴西试验的基础上,详细分析了石膏水泥比和石英砂含量对类岩石材料的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量等力学参数的影响规律,力图找到适合模拟现场砂质泥岩的类岩石材料及配合比。利用颗粒流程序(PFC)模拟,进一步研究了高径比和围压对类岩石材料力学特性的影响。结果表明:随着石膏水泥比的增大,抗压强度和弹性模量均逐渐减小,而抗拉强度逐渐增大;随着石英粉含量的增大,抗压强度和弹性模量均先增大后减小,而抗拉强度则为先减小后增大。结合单轴压缩过程的声发射特征,揭示了裂纹扩展与声发射有密切的关系。PFC2D模拟获得的力学参数与室内试验相近,破裂模式也与实际情况相似。通过尺寸效应的研究可知试样的高径比在2.0~2.5较合理。随着围压的增大,试样的峰值强度、残余强度、峰值应变及弹性模量等力学参数均增大,且围压会改变试样的破裂模式。     

脆性土石混合体单轴压缩特性的影响因素研究

土石混合体在我国分布广泛且力学性质差异极大,研究其单轴压缩特性的影响因素至关重要。借助量纲分析,阐明了土石混合体单轴压缩特性与各影响因素间的无量纲关系。提出了一种块石随机生成技术,可产生指定级配的随机块石系统。借助连续-非连续数值模拟方法CDEM（Continuum Discontinuum Element Method）,探讨了具有一定结构性的脆性土石混合体材料的宏观力学特性及其影响规律,并重点分析了该类土石混合体的含石量、土石交界面强度与其宏观本构曲线、单轴抗压强度以及破坏模式的对应关系。研究结果表明,随着含石量的增加,脆性土石混合体的宏观单轴抗压强度迅速减小,含石量超过15%之后,单轴抗压强度基本不变。相同含石量及块石分布的情况下,随着交界面比强度的增大,宏观单轴抗压强度逐渐增大;当交界面比强度大于20时,单轴抗压强度基本不变;当交界面比强度小于1时,主要出现贯穿整个试样的裂缝;当交界面比强度大于1时,主要在试样中上部出现局部的压剪破碎。     

考虑纤维断裂特征的Nb3Sn股线统计拉伸强度和失效概率

Nb₃Sn 超导复合股线在强磁场工程中有着重要的应用,其拉伸强度为保证和评估其长期服役安全的一个关键参数。本文从 “剪滞”理论出发,利用基于Weibull/Possion统计理论的复合材料纤维断裂的Curtin-Zhou模型,较好地描述复合股线中Nb₃Sn超导纤维碎片化过程,建立了分析超导复合股线统计拉伸强度和失效概率的模型。计算结果表明,青铜法Nb₃Sn超导复合股线的拉伸强度随着初始损伤参数的增大而迅速减小;在4.2K服役温度下,当Weibull模量为8时,随着初始损伤参数的增加,股线的拉伸强度约从900MPa衰减至480MPa,与已有实验结果吻合良好;初始损伤参数约为1时,正规化方差最大。初始损伤和Weibull模量对Nb₃Sn复合股线统计拉伸强度和失效概率函数的分布有着显著影响。