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。     

三维机织复合材料细观几何建模研究

论文提出一种简化的纱线变形方法建立三维机织复合材料细观几何模型，考虑了纱线截面形状、纱线截面扭转、纱线弯曲系数等模型参数，建立了模型参数可灵活调整的建模方法.采用该方法分析了纱线的层数、模型尺寸、纱线的弯曲系数对材料性能的影响.结果表明，当纱线层数较小时，表层的边界效应对材料性能影响较大，厚度方向不建议采用周期性边界条件；在自由边界条件下，模型长度约为2倍单胞、宽度约为1.5倍单胞尺寸时，可以实现刚度测试误差范围控制在2%以内.此外，纱线弯曲系数对复合材料单胞刚度计算结果有较大影响，适当的纱线弯曲系数能够使刚度计算误差控制在7%以内.     

基于铺层参数的铺层方式与纤维分布协同优化的层合板最大刚度设计

纤维增强复合材料层合板的弹性性质依赖于单层板的纤维含量(体分比)以及铺层方式(总层数、各单层的厚度与铺设方向)。本文研究在给定材料用量条件下层合板的最大刚度设计问题,采用铺层参数作为铺层方式的描述参数、以铺层参数和单层板纤维含量体分比在层合板面内的分布的描述参数为设计变量,以层合板的柔顺性最小为目标,建立了铺层方式和纤维分布协同优化的层合板最大刚度设计问题的提法和求解方法,给出了具有最大刚度的层合板最优铺层方式和纤维含量的分布规律的设计实例。     

三维编织复合材料弯曲性能分析

根据三维四向编织复合材料的结构特点,提出了用刚度合成法来预测复合材料的弯曲模量,并对三维编织T300／QY9512复合材料的弯曲模量进行了预测,分析结果表明,由于试件的表面单胞和内部单胞的结构不同,得到试件的弯曲模量略高于拉伸模量,该结果与试验值相符,另外,当试件尺寸较大、内部单胞数较多时,可以不考虑表面单胞和内部单胞性能差异的影响,而认为三维编织复合材料的弯曲模量只与内部单胞的性能有关,这对工程分析和试件制作具有指导意义。     

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.     

柔性纤维简单剪切流场中的运动特性研究

基于杆链模型,对简单剪切流场中柔性纤维进行模化;通过对有效刚度较大的纤维进行数值模拟,所得结果满足Jeffery轨迹,从而验证了模型的正确性;本文还对半稀相条件下不同浓度对柔性纤维的运动特性的影响机制进行了数值模拟研究。结果表明:纤维在运动过程中发生不同程度的弯曲扭转等变形,形态上呈现出弹簧形、蛇形、缠绕形等;纤维的碰撞摩擦对纤维弯曲角有着显著的影响,但对纤维的扭转影响不大;碰撞摩擦次数增大时,纤维弯曲程度和波动幅度依次增大;半稀相条件下,纤维间的碰撞摩擦和纤维的弯曲扭转变形开始取代水动力作用,并对纤维的运动特性有着决定性的作用,使得纤维取向分布趋于随机状态。     

三维编织复合材料几何建模及数值分析

论文根据三维编织复合材料的结构特点,把整体结构分为内部单胞、表面单胞和角单胞三种类型的子单胞,考虑空间纤维束的相互扭结和挤压所造成的纤维束的弯曲和截面变形,针对每种类型的子单胞,建立了相应的几何分析模型.引入周期性位移边界条件,建立了材料的弹性性能预报模型,得到了三维编织复合材料的工程弹性常数.通过数值比较可以看出,论文所给出的数值计算结果与实验结果吻合较好,从而验证了本文模型的有效性.     

三维编织复合材料剪切性能分析

根据三维四向编织复合材料的结构特点，提出了刚度合成法预测编织复合材料剪切弹性模量，比较了整体编织试件和裁剪所得试件理论剪切性能差别，分析了三维编织T300／QY9512复合材料的剪切性能随试件沿宽度和厚度两个方向内部单胞数目的变化规律。结果表明，三维编织复合材料剪切弹性模量是与试件尺寸相关的，只有当试件尺寸较大、沿宽度和厚度两个方向内部单胞数目较多时，试件尺寸的影响可以忽略。当沿宽度方向单胞数目较大时，整体编织试件和裁剪所得试件的剪切模量相近。本文还得到了在复合材料板的纤维体积含量不变的情况下，剪切模量随编织角的变化规律。     

纺织复合材料和结构多尺度耦合的数值分析

研究了纺织复合材料和结构多尺度耦合的数值分析模型。建立了微、细观单胞,给出了纺织复合材料平均弹性常数的逐级分析方法,着重研究了由宏观结构、到细观纤维束、再到微观纤维三个尺度耦合的应力分析方案。对于常用的板壳状纺织复合材料结构,在面内载荷下,假设每层细观单胞的平均面内应变是一致的,在弯曲、横向剪切及扭曲等非面内载荷下,在内力等效条件下将沿厚度方向连续分布的宏观应力简化为阶梯状分布,忽略了每层细观单胞范围内宏观应力沿厚度方向的梯度变化,由此利用细观单胞模型实现宏观应力与细观应力之间的传递,再利用微观单胞可得到纤维尺度的微观应力。最后以一种三维机织复合材料为例,用上述多尺度耦合的模型逐级分析了材料的平均弹性常数,并沿相反方向,由宏观结构分析逐级计算出纤维束尺度和纤维尺度的细、微观应力的局部波动。     

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.     

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．     

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.      

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.