CFRP层合板低速冲击响应及损伤特性研究

为了研究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)层合板低速冲击力学性能,开展了铺层顺序为[45_4/–45_4]_(4T)的CFRP层合板落锤低速冲击试验。研究了条形冲锤冲击角度和半球形冲锤直径两个影响因素下的CFRP层合板低速冲击力学响应,同时通过凹坑深度和分层损伤面积研究了层合板低速冲击损伤特性。试验结果表明:当条形冲锤冲击角度与层合板表面纤维方向平行时以及以较小直径的半球形冲锤冲击时,最大中心位移和能量耗散较大,凹坑深度和分层面积也较大;在冲锤直径和冲击角度两个单因素变量下,凹坑深度与分层损伤面积成正相关;直径为10 mm的半球形冲锤冲击层合板时,在凹坑区域存在明显的纤维断裂;14 mm和16 mm半球形冲锤冲击时,损伤虽目视可见,但未见明显纤维断裂。     

碳纤维增强复合材料反射镜的刚度分析

用有限元法对层合板结构和蜂窝夹层结构的两种复合材料反射镜的刚度进行分析计算,分析是以Ex1522环氧树脂为基体,M60J碳为增强材料的平面反射镜为例进行的,分析包括不同铺层取向、顺序的层合板反射镜自重下的镜面变形;对蜂窝夹层结构反射镜,分别比较了以芳纶纸、玻璃布、耐久铝三种夹层材料的反射镜刚度,对比了碳纤维复合材料、铍金属、微晶玻璃为面板材料的反射镜刚度,讨论了不同蜂窝单元结构形状对反射镜刚度的影响.分析表明,对于以Ex1522环氧树脂为基体,M60J碳为增强材料的平面复合材料反射镜,要使其具有相对稳定的面形,应采用单元形状为正三角形铝蜂窝,前后面板各为12层;90/45/0/－45］3层合板的夹层结构.     

树脂基复合材料在连续激光作用下的损伤

 采用热压工艺制备了碳纤维布和高硅氧纤维布增强的环氧树脂和酚醛树脂基复合材料,研究了不同功率密度连续激光辐照下,复合材料的破坏形式及其组织结构与力学性能的变化。结果表明：当激光辐照功率密度大于0.1 kW/cm²后,树脂基体产生燃烧,碳纤维没有明显的损伤,而玻璃纤维布开始熔融,复合材料的拉伸性能降低30%~40%;当功率密度达到1 kW/cm²以后,除基体燃烧外,碳纤维复合材料产生明显的鼓泡分层,表层碳纤维有少量破断,而高硅氧纤维产生明显的熔融烧损,复合材料的拉伸性能降低80%以上。采用有限元计算方法,对碳纤维增强环氧树脂复合材料在连续激光辐照下的温度场进行了研究,计算结果与实验中复合材料的损伤行为相吻合。     

碳纤维-泡沫铝夹芯板低速冲击响应

为研究夹芯结构的低速冲击响应,以碳纤维(T700)/环氧树脂复合材料层合板为上下面板,以闭孔泡沫铝为芯层,模拟夹芯板落锤冲击时的损伤演化过程。复合材料层合板采用三维实体单元建模,基于有限元软件ABAQUS中的用户子程序VUMAT,引入三维Hashin失效准则模拟复合材料的损伤破坏;采用二次应力准则,Cohesive单元模拟黏结层的层间失效;闭孔泡沫铝芯层采用3D Voronoi细观模型建模。分析复合材料夹芯结构在落锤冲击下的损伤起始、损伤扩展和最终破坏模式,通过锤头的接触力、位移、夹芯板的内能、后面板的最大位移研究夹层结构的能量吸收情况及抗冲击特性,得出了在质量保持不变的情况下,5种芯层相对密度和厚度的耦合关系中的最优设计是芯层相对密度15.0%,厚度为10 mm,为满足实际工程中的需求提供了设计依据。     

玻璃纤维/环氧乙烯基酯树脂复合材料的湿热老化力学性能

为掌握玻璃纤维/环氧乙烯基酯树脂复合材料经湿热老化后的力学性能,采用真空辅助注射成型技术,制作玻璃纤维/环氧乙烯基酯树脂复合材料层合板,并根据复合材料压力容器在服役过程中的受力特点,利用水切割技术将层合板制成弯曲和剪切试样。考虑到压力容器的使用工况,对试样进行浸泡加速老化试验,分析了在不同温度和周期下复合材料的质量和力学性能变化。结果表明,随着浸泡时间的增加,复合材料的弯曲和剪切性能逐渐降低。相比于浸泡时间的影响,温度对复合材料性能的影响更显著,如在90℃水中浸泡6周后,复合材料的剪切强度、弯曲强度以及弯曲模量降为初始值的1/2。     

激光辐照下预加载CFRC层合板断裂行为实验研究

针对激光与机械载荷联合作用下碳纤维/环氧树脂增强复合材料（CFRC）层合板失效时间的预测需求,实验研究了不同激光功率密度（70～210 W/cm2）、不同预应力水平（拉伸强度的50%和70%）、不同光斑尺寸（拉伸试件宽度的70%和100%）下2 mm厚层合板的失效机理,获取了不同影响因素对断裂时间的影响规律。结果表明:预加载层合板失效机制为迎光面环氧树脂基底材料热解、纤维氧化断裂,背光面剩余结构偏脆性断裂;在预应力一定条件下,试件断裂时间与辐照激光功率密度成指数规律;预应力水平对断裂时间影响显著。     

含有断裂缺陷的复合材料壳体的力学行为

利用湿法缠绕制备了玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料壳体,通过拉伸、双悬臂梁和三点端部开口弯曲试验对该复合材料层合板进行基本力学性能评估,得到强度和刚度参数并用于有限元模拟中。同时,在Abaqus中建立了含有不同深度断裂缺陷复合材料壳体的三维渐进损伤有限元模型,预测内压作用下壳体的力学响应。试验和模拟结果表明:复合材料主向拉伸强度为(222.7±18)MPa,弹性模量为39.39 GPa,Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧性层间强度分别为(4.67±0.24)和(4.98±0.26)kJ/m~2。随着内压增大,Mises应力也不断增大;当断裂缺陷在最深层(接近内压的第一层,深度为18 mm)时,Mises应力最大;当内压为0.3 MPa时,Mises应力高达28.8 MPa,且周向应变小于纵向应变。     

基于3D-DIC对爆炸作用下碳纤维层合板的变形研究

针对3种不同铺层的碳纤维复合材料层合板,设计了开放式爆炸加载实验,研究不同的炸药质量和爆炸距离下层合板的动态力学行为。基于两台高速相机,搭建了高速三维变形场的实验测量系统,记录层合板在爆炸作用下动态变形过程。通过三维数字图像相关方法(3D-DIC)软件计算得到层合板在冲击波作用下的动态位移场和应变场。研究发现:层合板在弱冲击波作用下只发生弹性变形,正交铺层和准均质铺层均表现出良好的抗冲击能力;在强冲击波作用下层合板会产生分层、基体开裂、纤维断裂等形式的损伤,铺层顺序对损伤形式有很大影响。     

碳纤维增强复合材料夹芯板的砰击损伤特性

复合材料高速船舶在复杂多变的海况中航行时，由于船体结构自身的大幅升沉和纵荡运动，不可避免地会与波浪产生砰击作用，可能产生结构损伤甚至失效。采用欧拉-拉格朗日方法建立了复合材料层合板砰击数值模型，将模拟结果与文献中的试验结果进行对比，验证了流固耦合渐进损伤分析方法的可靠性。在此基础上，建立了碳纤维增强复合材料夹芯板入水砰击流固耦合数值模型，编写了VUMAT子程序，研究了复合材料夹芯板渐进损伤演化特性，分析了砰击水动力载荷、射流和水压分布特性，研究了砰击速度和斜升角对夹芯板损伤特性的影响规律。结果表明，碳纤维增强复合材料夹芯板入水砰击过程经历4个阶段，即初始增长阶段、波动阶段、急剧上升阶段和迅速下降阶段。砰击载荷作用下复合材料夹芯板产生基体损伤和分层损伤，随着砰击速度提升和斜升角增大，砰击水动力载荷逐渐增加，复合材料夹芯板面板损伤范围逐渐扩大。     

拉伸载荷下含孔复合材料层合板的力学性能及失效机理

采用有限元软件ABAQUS,基于前人提出的失效准则,通过引入纤维损伤因子和基体损伤因子并编制用户材料子程序UMAT,建立了含孔复合材料层合板的三维渐进损伤破坏模型。利用该损伤破坏模型,研究了在轴向拉伸载荷作用下不同圆孔直径和铺层角度的复合材料层合板的纤维和基体的渐进损伤失效过程及规律。结果表明:不同铺层角度条件下,纤维和基体的损伤失效差别较大;圆孔直径和铺设角度对含孔复合材料层合板的失效破坏载荷的影响十分显著,而铺设顺序和开孔位置对失效破坏载荷的影响较小。建立的失效破坏模型能有效地分析层合板的渐进失效破坏过程,为层合板的工程应用和设计提供有益的参考。     

碳纤维复合材料制造轻质量空间光学反射镜

用碳纤维复合材料制造空间光学镜面结构是满足空间光学反射镜轻量化轻型要求的途径之一,概要介绍国际上将碳纤维复合材料用于光学镜面中的现有技术水平、发展趋势及国内现状。利用有限元法,通过对复合材料层合板铺层设计制造出小口径(260mm)反射镜加以实验验证其光学性能以及稳定性,研究碳纤维复合材料用于光学镜面有可能达到的精度以及尚需解决的问题。     

基于偏斜度、陡峭度特征的光纤布拉格光栅冲击载荷定位

针对复合材料结构上低速冲击载荷位置识别问题,通过构建分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感网络,分析了光纤布拉格光栅传感器感知的冲击响应信号时间序列的偏斜度、陡峭度与到传感器之间距离的关系。通过不同位置传感器感知的冲击响应信号的偏斜度和陡峭度对冲击载荷所在的区域和到各个传感器之间的距离进行了辨识,采用加权质心定位算法实现了冲击载荷位置的坐标定位。实验结果表明:在碳纤维复合材料板上240mm×240mm的监测区域内随机选取16个测试样本点进行低速冲击定位识别,实现了所有冲击实验点的区域辨识,坐标定位的平均误差为20.7mm。研究结果为碳纤维复合材料板的低速冲击定位提供了一种可靠的方法。     

重频激光作用下碳纤维/环氧树脂复合材料热损伤规律

 运用热化学分析、扫描电子显微技术等手段,分析了碳纤维增强环氧树脂基复合材料在ms量级重频激光辐照下的损伤形式,研究了峰值功率密度、辐照时间、重复频率和脉冲宽度等对复合材料烧蚀规律的影响。研究结果表明：在激光辐照过程中,复合材料树脂基体在300 ℃开始裂解;由于裂解气体的保护作用,碳纤维不发生氧化,而是在汽化点（3 300 ℃）汽化烧蚀;复合材料热烧蚀率随峰值功率密度和重复频率提高而增大,随辐照时间增加而减小,最终均趋于定值;增加脉冲宽度可以提高辐照区峰值温度,降低碳纤维损伤的功率密度阈值。     

聚能侵彻体作用下钢-CFRP层合板的防护性能

碳纤维增强复合材料（carbon fiber-reinforced polymer,CFRP）具有优越的抗侵彻性能，正逐渐应用于舰船抗爆抗冲击防护设计。为了研究钢-CFRP层合板在聚能侵彻体作用下的防护性能，基于任意拉格朗日-欧拉方法建立聚能装药空中爆炸对钢-CFRP层合板破坏的数值模型，探究聚能装药的空中爆炸载荷特性及其对钢-CFRP层合板的毁伤机理。采用等面密度方法，设计了CFRP作为面板、背板和夹芯层时多种钢-CFRP层合板形式，通过侵彻后侵彻体头部降速以及层合板破口大小，讨论了CFRP敷设位置对层合板防护效果的影响，给出了较优的敷设形式。在此基础上，对层合板的厚度进行优化。结果表明：CFRP-钢-CFRP夹芯结构在聚能侵彻体作用下的防护效果最佳，较佳的厚度比为4.0∶1.4∶4.0。     

复合材料表面缺陷的超声扩散场定位

传统超声检测多使用直达波进行检测,但在各向异性、非均匀的复杂结构检测中存在诸多限制。将超声波在此类多重散射介质中的传播近似为扩散过程,探索采用超声扩散场信号进行复合材料表面缺陷的检测定位。在此过程中形成的扩散场能对介质密集采样,对缺陷的出现高度敏感。针对铺层结构为[0°/90°]₁₂的碳纤维增强环氧树脂基复合材料板,基于Locadiff方法建立表面缺陷定位的理论模型,开展缺陷出现前后波形的理论不相关性计算。结合实验求解扩散系数,开展检测信号的不相关性分析。最后利用反演计算的模型给出缺陷的定位结果。结果表明,当缺陷直径为10 mm时,定位误差为6.99%;当缺陷直径为5 mm时,定位误差为9.29%,可以实现复合材料表面缺陷的定位。      

超声图像中复合材料褶皱形态的Mask-RCNN识别方法

复合材料在制造和使用过程中不可避免地会产生褶皱缺陷,因其形态变化多样,形变程度较小,人工辨认存在一定障碍,容易出现错漏情况.为提高检测效率,提出利用Mask-RCNN(Mask region-based convolutional neural net works)目标检测算法对复合材料超声图像中不同形态的褶皱缺陷进行检测并分类.制备含有不同形态褶皱缺陷的碳纤维复合材料层合板,利用超声相控阵采集全矩阵数据;通过波数成像算法得到复合材料层合板纵切面图像,根据地质层中褶皱的几何学特征,将复合材料层合板中存在的不同褶皱分为三类,进而建立褶皱形态与材料损伤程度之间的关系;提出Mask-RCNN算法用于褶皱缺陷的自动检测并分类,该算法中语义分割的引入可显示褶皱缺陷的位置和形状.实验结果表明:Mask-RCNN对不同形态褶皱识别的准确率分别达到92.1%,90.9%和93.3%,褶皱分类识别准确、有效.为实现复合材料层合板数据采集-成像-缺陷判别一体化、自动化提供了理论支撑.     

基于埋入式应变片的纤维缠绕压力容器的健康监测

在玻璃纤维缠绕金属内胆复合材料压力容器的制备过程中,将应变传感器埋在金属内胆与玻璃纤维/环氧树脂复合材料层之间,得到了具有原位监测功能的纤维缠绕压力容器。对该纤维缠绕压力容器开展水压疲劳和爆破实验。疲劳压力的最大值和最小值分别为25 MPa和2 MPa,最大疲劳周次为5700;打压爆破压力为零到爆破压力,打压速率为2 MPa/s。实验过程中,利用埋入式应变传感器原位监测了压力容器的应变变化,建立了不同载荷作用下纤维缠绕压力容器的应变与受载情况之间的关联。结果表明:采用埋入式应变传感器监测纤维缠绕压力容器的健康状况具有可行性;该方法在保护应变传感器不受外载荷破坏的前提下,原位监测了压力容器在疲劳和爆破实验中的应变变化趋势。     

碳纤维增强复合材料层合板的抗冲击性能

为了研究碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合梁的抗冲击性能,应用金属泡沫弹撞击加载的方式,结合高速摄像机,对等厚度层合梁结构的动态响应和失效行为展开实验研究。研究不同冲击加载强度对层合梁的动态失效过程、变形轮廓、中点变形、失效模式及能量耗散比的影响。结果表明:随着冲击强度的增加,中点变形响应速度随之增加,层合梁变形模式由整体变形转变为局部变形,且局部化效应随之增加,并伴随严重的基体和纤维断裂失效。层合梁能量耗散比随冲击强度的增加而增加,并展现出与结构失效模式直接关联的弹性变形、中心断裂和完全失效3个不同阶段。     

纤维金属层合板的抗爆性能及失效机理

采用爆炸冲击摆锤系统,对玄武岩纤维-铝合金层合板和碳纤维-铝合金层合板进行了爆炸加载实验。实验中通过改变炸药质量获得不同的加载冲量,分析了载荷冲量、结构组合形式以及纤维类型对纤维金属层合板变形/失效模式的影响。实验中观察到分层、基质失效、金属撕裂、塑性大变形等典型的变形失效模式。实验结果表明:随着冲量的增加,纤维金属层合板中铝合金层的塑性变形以及纤维层的损伤区域不断增大;纤维金属层合板相对于单一的金属层合板具有更优异的抗冲击性能。     

GFRP增强圆钢管在低速冲击荷载作用下的应变率效应

讨论了玻璃纤维/环氧树脂复合材料(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP)增强Q235圆钢管在低速冲击荷载作用下的应变率效应。通过轴压试验和轴向低速冲击试验获得了试件在准静态和低速冲击状态下的力学响应(轴向荷载及轴向位移),为后续仿真工作提供了依据。编写了可以考虑初始失效、损伤演化及应变率效应的GFRP材料子程序(VUMAT),并基于ABAQUS对构件的轴压及轴向冲击过程进行了仿真再现。通过仿真将不考虑应变率效应、只考虑钢管应变率效应、只考虑GFRP应变率效应、考虑钢管及GFRP应变率效应4种情况下的结果进行了对比分析。