平纹织物复合材料的振动有量耗散以及阻尼分析

平纹织物复合材料由编织结构的特点，对于振动有量有一定的衰减作用，交织纤维束相互间的阻滞作用以及聚合物基体的粘弹质都会耗损一部分振动能量。本文应用能量原理和阻尼分析的方法解决了平纹织物复合材料的复杂结构损耗因子的计算问题。     

碳纤维织物/环氧复合材料油润滑下摩擦学性能

采用半干法制备碳纤维织物增强环氧树脂基自润滑复合材料,研究钢背衬复合材料与45钢在环-环端面浸油润滑状态下的摩擦学特性,考查载荷、速度和碳织物类型对复合材料摩擦磨损性能的影响,并采用扫描电子显微镜对复合材料及偶件磨损表面进行观察与分析.结果表明:轻载高速启动可显著提高单向碳织物/环氧复合材料的摩擦磨损性能,边界润滑状态下的碳织物/环氧复合材料主要表现出黏着磨损特性,对偶钢环上出现的网状转移膜大大改善了材料的摩擦学性能;平纹碳织物/环氧复合材料因表面织物纹理使得润滑油能深入到摩擦表面各区域,在重载下表现出较低的摩擦系数.     

复合材料层合板在动集中力作用下的结构声强特性

本文研究了复合材料正交异性层合板在动集中力作用下的结构声强特性。应用MSC/-NASTRAN商业软件计算了复合材料正交异性层合板在动集中力作用下各单元的内力和速度,再应用MATLAB软件得出复合材料层合板的结构声强。算例表明,复合材料正交异性层合板的结构声强流线图与各向同性板存在明显不同的特性。复合材料正交异性层合板的结构声强流线图受边界条件、层合板叠层顺序和层数的影响。从结构声强向量图和流线图可获得关于能量传递路径、源位置和能量汇合点的许多信息。进一步,结构振动产生的噪声可根据上述信息加以控制。     

纺织复合材料能量吸收性能的研究进展

纺织复合材料的能量吸收性能是近年来一个十分引人注目的研究课题．本文综述了近年来对纺织复合材料能量吸收性能研究的最新进展,包括纤维纺织结构、纺织复合材料的制造及加工、材料的能量吸收机理及失效模式、能量吸收性能的测试方法等．     

基于能量准则的梁振动多模态主动控制的LQR法

选用以结构振动能量和控制信号能量作为控制目标函数的LQR算法,在单对压电元件进行梁振动主动控制的基础上,使用多对压电元件进行主动控制．运用该算法对压电层合梁的振动控制进行了分析计算．数值算例表明该方法能够有效地控制多阶模态并减小控制能量的消耗．由此,进一步验证了以结构振动能量和控制信号能量作为控制目标函数的LQR算法的正确性。     

水解／接枝处理诺梅克斯纤维织物复合材料的摩擦磨损性能研究

采用水解／接枝处理制备出Nomex纤维织物复合材料，用红外光谱仪分析处理前后纤维织物的结构，在玄武三号栓-盘式摩擦磨损试验机上评价了水解／接枝处理Nomex纤维织物复合材料的常温和高温摩擦磨损性能，用扫描电子显微镜观察Nomex纤维织物复合材料界面及其磨损表面形貌．结果表明：经过水解／接枝处理后，在Nomex纤维织物表面引入活性羧基基团，增加Nomex纤维织物的活性，使Nomex纤维织物与粘结树脂的结合力有所增加；水解／接枝处理前后Nomex纤维织物复合材料的磨损分为2个阶段，即严重磨损阶段和稳定磨损阶段，当载荷较低时，由严重磨损向稳定磨损的转化发生在摩擦前10min，当载荷较高时，复合材料一直停留于严重的磨损阶段，直到材料磨穿失效；水解／接枝处理明显提高了Nomex纤维织物复合材料的摩擦磨损性能和最大承载能力．     

织物顶出测试中纱线应力传递模型的拉曼研究

弹头侵彻织物过程中的载荷传递是冲击能量耗散的重要途径,有必要从细观尺度上研究纱线上的应力传递行为。本文使用微拉曼光谱法测量了织物离面顶出测试中的纱线应力分布,建立了相应的纱线应力传递模型。针对周边固支的Kevlar 49芳纶纤维平纹织物受中心加载实验,拉曼测试显示出织物存在十字形的高应力分布,主纱是载荷传递的主要路径,辅纱是传递主纱载荷的次要路径,理论模型预测的纱线应力分布符合实验测量趋势。上述工作有利于进一步探讨柔性防弹织物的能量吸收机制。     

热环境下复合材料壁板的振动特性分析

针对飞行器中常见的壁板结构,运用能量原理和变分方法,建立了定常温度场下复合材料壁板振动的控制方程以及相应的有限元分析模型。分析了热环境对壁板振动特性影响的机理,同时提出了一种针对热环境下复合材料壁板振动特性分析的线性化计算方法。采用这种方法,热环境的影响以一个热刚度项和一个热载荷项的形式出现在常温下的振动运动方程中,由此可以较准确地模拟热效应对结构振动特性的影响。通过对热环境下复合材料壁板振动固有特性数值分析结果的对比,验证了本文方法的可行性和计算精度。同时分析结果表明,热效应产生的诱导应力对结构刚度的影响是导致壁板固有振动频率降低的主要原因。     

HNO3/H2SO4氧化改性炭纤维织物复合材料的摩擦磨损性能研究

采用玄武三号栓-盘式摩擦磨损试验机研究了HNO3/H2SO4混合酸氧化改性炭纤维织物复合材料的摩擦磨损性能;采用傅立叶红外光谱仪、万能材料试验机和扫描电子显微镜分析了氧化改性前后炭纤维织物复合材料的化学结构、力学性能和磨损表面形貌.结果表明:HNO3/H2SO4混合酸氧化改性明显提高了炭纤维织物复合材料的减摩耐磨性能和承载能力,使炭纤维织物复合材料的承载能力提高了60%、磨损率降低了65.9%;炭纤维织物复合材料在高温下的摩擦磨损性能明显优于常温下的摩擦磨损性能,氧化改性后炭纤维织物复合材料的高温摩擦磨损性能明显优于未改性炭纤维复合材料.其原因在于混合酸氧化改性使炭纤维表面产生了活性基团,增强了炭纤维织物与胶粘剂的粘结力,从而提高了炭纤维织物复合材料的减摩抗磨性能.     

碳纳米管增强复合材料圆锥薄壳非线性自由振动

考虑碳纳米管复合材料作为功能梯度材料的不均匀性,基于连续介质理论以及哈密尔顿变分原理,建立了功能梯度碳纳米管增强复合材料开口圆锥薄壳结构的非线性运动偏微分控制方程,然后利用Galerkin法,将非线性偏微分控制方程转化为常微分控制方程,进而采用谐波平衡法求解了开口圆锥壳的非线性自由振动问题,并探讨了圆锥薄壳几何参数、碳纳米管参数对结构非线性自由振动的影响．数值研究表明结构的无量纲非线性自由振动频率与线性自由振动频率的比值随圆锥薄壳长厚比的增大而变小、并随圆锥角的增大而变大．     

Micromechanics of fabric reinforced composites with periodic microstructure

A model to predict the effective stiffness of woven fabric composite materials is presented. Taking advantage of the inherent periodicity of woven fabric architecture, periodic microstructure theory is used at the mesoscale for the case of a two-phase heterogeneous material with multiple periodic inclusions. For plain weave fabrics, the representative volume element (RVE) is discretized into fiber/matrix bundles and the pure matrix regions that surround them. The surfaces of the fiber/matrix bundles are fit with sinusoidal equations using two approaches. The first is based on measurements taken from photomicrographs of composite specimens and the second is based on an idealized representation of the plain weave structure. Three-dimensional sinusoidal surfaces are generated from the face equations and weave shape for the real and idealized cases in order to mathematically describe the fiber/matrix bundle regions, which are treated as unidirectional composites. Model results from the idealized geometry are compared to experimental data from the literature and show good agreement, including interlaminar material properties. From a comparison of the real and idealized geometry results for similar material RVE dimensions, it is seen that the model is capable of predicting significant changes in the in-plane material properties from slight mismatch in the fiber/matrix bundle shape and crimp, which can be captured using the geometric surfaces generated from photomicrograph measurements.     

平面织物复合材料机械性能的数值细观力学分析

本文根据应变能等效原理,利用有限元分析方法,处理了单层平面织物复合材料弹性性质的细观力学估算问题.建立了平面织物增强树脂的单方向波纹模型,对于织物的结构,组分性质与复合材料的宏观性能的关系作了系统处理.给出了一组较完整的平面织物复合材料单层弹性常数的估算结果,数值予告与实验结果比较,表明文中所提出的方法是有效的,并且可以进一步用它来考虑更为完善的平面织物复合材料二维波纹模型的分析.     

基于渐进均匀化的平纹编织复合材料低速冲击多尺度方法

针对平纹编织复合材料低速冲击响应和损伤问题,提出了一种多尺度分析方法. 首先, 建立微观尺度单胞模型,引入周期性边界条件,采用最大主应力失效准则和直接刚度退化模型表征纤维丝和基体的损伤起始与演化,预测了纤维束的弹性性能和强度性能. 其次,将这些性能参数代入介观尺度单胞模型,基于Hashin和Hou的混合失效准则以及连续介质损伤模型对介观尺度单胞进行6种边界条件下的渐进损伤模拟.然后采用渐进均匀化方法,以介观尺度单胞为媒介预测了0$^\circ$和90$^\circ$子胞的性能参数,并建立平纹编织复合材料的子胞模型,进而扩展成为材料的宏观尺度低速冲击模型. 在此基础上,研究了平纹编织复合材料低速冲击下的力学响应与损伤特征.结果表明:宏观冲击仿真和试验吻合较好, 验证了多尺度方法的正确性;最大接触力、材料吸能和分层面积均随冲击能量的增大而增大,分层损伤轮廓逐渐从椭圆形向圆形转化;基体拉伸和压缩损伤的长轴方向分别与子胞材料主方向正交和一致,损伤面积前者远大于后者.      

含孔平面编织混杂铺层层合板压缩破坏仿真

对ANSYS软件平台进行了二次开发，建立了平面编织混杂铺层层合板损伤累积有限元模 型，对含孔平面编织混杂铺层层合板的压缩破坏行为进行了仿真计算. 研究结果表明，所建 模型能够较好地仿真含孔平面编织层合板的损伤破坏过程，并能准确预测层合板的 损伤类型、损伤扩展以及破坏强度；同时提出并验证了适合该类型层合板的损伤判 据和衰减准则. 该模型所给结果形象直观，适合工程应用.     

一种碳纤维织物增强复合材料应变率相关的各向异性强度准则

为了获得一种碳纤维二维正交平纹机织布增强树脂基复合材料在一维应变状态下的强度准则,在已完成的准静态和动态压缩实验的基础上,拟合出了单轴压缩下三个主方向上的计及应变率的应力-应变关系式,进而得到初始屈服应力和压缩破坏强度与应变率相关性表达式。依据该表达式,得到了该复合材料在一维应变下考虑应变率效应的Tsai-Hill屈服强度和破坏强度准则方程。通过计算,考察了Tsai-Hill屈服强度和破坏强度准则随应变率的变化规律。结果表明,本文中研究的复合材料的强度性能,不但存在应变率效应,而且这种效应是各向异性的。     

平纹机织碳纤维复合材料的多尺度随机力学性能预测研究

平纹机织碳纤维复合材料在结构上具有多尺度特性和空间随机性. 同时, 组分材料会因存储条件和组成相成分、批次的不同导致力学性能有所差异. 当考虑各尺度结构和组分性能参数不确定性进行随机力学性能预测时, 存在以下两个难点: 一是随机变量众多, 使得对不确定性传递方法的精度和效率提出了要求; 二是由于随机参数之间存在高维相关性, 需要建立高精度的相关性模型. 针对以上问题, 本文提出了基于混沌多项式展开和Vine Copula的平纹机织复合材料多尺度随机力学性能预测方法, 综合考虑了平纹机织碳纤维复合材料微观及介观尺度的材料、结构随机参数, 基于自下而上层级传递的策略逐尺度地研究力学性能不确定性. 该方法采用Vine Copula理论构造相关随机变量的高维联合概率分布, 并运用非嵌入式混沌多项式展开法实现不确定性传递. 结果显示, 本方法构造的相关性模型几乎与原模型一致, 且能够高效准确地实现各尺度力学性能的随机预测.      

An analytical model for high velocity impacts on thin CFRPs woven laminated plates

An analytical model to study the impact process of a spherical projectile penetrating at high velocity into a carbon/epoxy plain woven laminate is developed in this work. The model is based on an energy balance, where the kinetic energy of the projectile is absorbed by the laminate by three different mechanisms: laminate crushing, linear momentum transfer and tensile fiber failure. A non-homogeneous differential equation is obtained. A subsequent simplification using regular perturbation analysis gives a closed-form solution that allows the approximative calculation of the residual velocity and hence the ballistic limit. The model is validated with the results of experimental tests in which the residual velocity is measured by means of high speed cameras.     

DEFORMATION ANALYSIS AND FAILURE MODELLING OF WOVEN COMPOSITE PREFORM IN GENERAL BIAS EXTENSION

A series of bias extension tests was carried out on balanced plain woven composite preforms with various aspect ratios, disclosing that different aspect ratios may result in different initial failures. An energy method is adopted to quantify several deformation modes. By the competition of the required energies, the initial failure is predicted, showing a good accordance with the experimental observation. The results of the present research are valuable for the further understanding of the material’s behaviour in bias extension test. It also provides an effective way for modelling the material’s formability in other more complicated forming processes.     

PAN炭纤维预制体对C/C复合材料滑动摩擦磨损行为的影响

以二维平纹编织叠层炭纤维坯体(2D)、二维无纬布/炭毡混合叠层针刺毡坯体(2DN)、三维正交编织炭纤维坯体(3D)为预制体,采用化学气相渗透结合树脂浸渍炭化技术进行增密,制备了4种C/C复合材料.在室温干态条件下测试4种C/C复合材料与表面镀Cr的40Cr钢配副时的滑动摩擦行为.结果表明:在试验载荷下,采用2D坯体增强的C/C复合材料摩擦系数最高;随载荷增加,其摩擦系数和磨损体积的波动幅度最大,分别为0.17和1.22mm3;采用2DN坯体的2种C/C复合材料摩擦系数较低,在0.13～0.17之间,且随时间延长呈下降趋势;其余2种坯体的C/C复合材料摩擦系数则上升.4种材料摩擦系数的波动幅度均逐渐降低.SEM观察表明:采用2D坯体C/C复合材料在低载荷下的摩擦表面粗糙,充满磨屑,高载荷下能形成了较松散的摩擦膜.而采用2DN、3D坯体的C/C复合材料摩擦表面部分形成了较完整、致密的摩擦膜,部分呈现显著的纤维磨损和摩擦膜大块剥落形貌.     

Local elastodynamic stresses in the unit cell of a woven fabric composite

Summary A theoretical study of the local elastodynamic stresses of woven fabric composites under dynamic loadings is presented in this article. The analysis focuses on the unit cell of an orthogonal woven fabric composite, which is composed of two sets of mutually orthogonal yarns of either the same fiber (nonhybrid fabric) or different fibers (hybrid fabric) in a matrix material. Using the mosaic model for simplifying woven fabric composites and a shear lag approach to account for the inter-yarn deformation, a one-dimensional analysis has been developed to predict the local elastodynamic and elastostatic behavior. The initial and boundary value problems are formulated and then solved using Laplace transforms. Closed form solutions of the dynamic displacements and stresses in each yarn and the bond shearing stresses at the interfaces between adjacent yarns are obtained in the time domain for any type of in-plane impact loadings. When time tends to infinity, the dynamic solutions approach to their corresponding static solutions, which are also developed in this article. Solutions of certain special cases are identical to those reported in the literature. Lastly, the dynamic stresses and bond shearing stresses of plain weave composites subjected to step uniform impacts are presented and discussed as an example of the general analytical model. Received 3 May 1999; accepted for publication 22 September 1999