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.      

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.     

复合材料层板损伤后刚度衰退的实验研究

对复合材料单向板进行了0°、90°、45°拉伸实验,对铺层为[0°/90°]、[±45°]的层合板进行了拉伸实验,对玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维缠绕的NOL环试样分别进行了短梁剪切实验。实验结果表明:碳纤维/环氧树脂基体复合材料单向板没有明显的非线性行为,而层合板在树脂开裂、面内及层间剪切破坏导致的刚度降低却很明显。层间剪切破坏不仅导致剪切刚度的降低,还会引起弯曲刚度的降低。玻璃纤维、芳纶纤维增强树脂基复合材料在三点弯曲实验过程中体现了较强的抗损伤能力,韧性较好;而碳纤维增强树脂基复合材料抗层间损伤能力较差。本文用标准实验方法,跟踪载荷-变形曲线,得到了用于应力分析的刚度衰减系数。用最大应力准则及实验得到的刚度衰减系数,对直径为1400mm的纤维缠绕壳体进行了变形分析,计算结果与实验值一致性较好。     

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。     

预加载复合材料层合薄板低速冲击理论分析

为更真实地揭示飞机复合材料结构抗冲击性能,开展了面内预载荷作用下的复合材料层合薄板低速冲击行为研究。根据各向异性材料弹性力学和经典薄板理论,采用Sveklo接触律描述了冲击接触刚度和冲击变形,通过面内载荷引入预载荷因素,提出了弹性球体低速冲击预载荷复合材料层合薄板的理论分析模型;并探讨了面内预载荷状态及冲击速度对结构冲击动响应的影响规律。结果表明:面内预载荷对冲击力和冲击变形均有显著影响;面内压缩载荷降低了结构抗弯刚度,使横向抗冲击性能降低,而面内拉伸载荷反之;低速冲击过程中的接触区域面积很小,分布冲击力可简化为集中力处理。作为复合材料层合薄板低速冲击过程的重要影响因素,预载荷状态必须加以考虑。     

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.     

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。     

变截面含筋夹层复合材料悬臂结构刚度特性规律研究

含筋夹层复合材料悬臂结构现已在舰船工程应用中得到关注,然而因为变量众多,在方案设计阶段对弯曲刚度特性的把握往往较为困难.对此,首先基于典型结构应用背景需求,建立了变截面含筋夹层复合材料梁弯曲刚度理论计算模型;进而制作结构模型,开展刚度特性试验研究,通过试验与计算结果的对比,验证了计算方法的有效性;最后探讨了各主要构件材料参数、面板混杂纤维含量、面腹板截面分配以及腹板铺层比例对刚度的影响规律,所得结论可为变截面含筋夹层复合材料悬臂结构方案设计提供参考.     

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。     

一种复合材料旋翼桨叶结构大变形分析方法的改进及验证

提出了一种适用于直升机旋翼复合材料桨叶大变形分析的改进方法。将旋翼桨叶变形分析分解为一维非线性分析和二维剖面特性分析,并考虑横向剪切、翘曲对剖面刚度及弹性耦合的影响;为使方法适用于旋翼气动弹性分析,将应变能中的广义应变用参考轴线处的弹性运动表示,保留所有非线性项,推导出计算复合材料桨叶大变形的公式;采用有限元法处理方程,对梁结构进行了分析,并将大变形状态下的位移计算结果与Princeton梁实验值、Minguet复合材料梁实验值以及中等变形梁理论计算结果进行了比较,验证了大变形状态下本文计算方法的正确性;此外与中等变形梁模型计算结果的对比,验证了本文方法在计算精度上的提高。