魏玉卿[1]2003年在《缝纫复合材料层合板面内力学性能研究》文中研究指明缝纫复合材料作为一种新型复合材料以其优良的层间力学性能和较低的制造成本，在航天和航空领域具有很好的应用前景。但是在缝纫过程中也造成面内的局部损伤，这些损伤都会有意无意地对面内力学性能产生不同程度的影响。为了从理论上研究缝纫对复合材料层合板面内力学性能的影响，建立了纤维弯曲模型（FDM），并且分析了缝纫参数和几何参数对层合板等效模量和拉伸强度的影响。从缝纫孔附近纤维变形的细观结构出发，建立的纤维弯曲模型，以面内纤维的弯曲变形作为缝纫影响层合板面内力学性能的主要原因，同时考虑了纤维变形区、厚度增强区以及树脂富集区的影响，得到单向板内任意一点处的纤维偏转角和纤维体积百分含量。由细观力学的知识得到单层板的刚度，不同铺层的刚度经过坐标旋转后进行迭加得到层合板的刚度。纤维弯曲模型（FDM）只有两个几何参数（最大纤维偏转角和变形区宽度）需要由实验确定。采用纤维弯曲模型分析了缝纫复合材料单层在缝纫孔附近的最大纤维偏转角、缝纫影响区以及缝纫复合材料单层及层合板工程常数的变化，发现工程常数具有很明显的区域性，能够看出各层中树脂富集区的痕迹。研究了不同的最大纤维偏转角和变形区宽度对层合板弹性常数的影响，发现随着和的增加纵向弹性模量和面内剪切模量逐渐降低，横向弹性模量和主泊松比变化不明显。建立了二维的有限元分析模型，研究了缝纫参数（缝纫针距、缝纫行距以及缝纫线直径）和几何参数（最大纤维偏转角和缝纫变形区宽度）对缝纫复合材料层合板面内等效模量和拉伸强度的影响。研究结果表明：随着缝纫密度、缝纫线直径、最大纤维偏转角和缝纫变形区宽度的增加，缝纫复合材料层合板面内等效模量逐渐降低，最大降幅一般在5%左右；缝纫复合材料层合板的拉伸强度随缝纫针距的增加而增大，随缝纫行距的增加而降低，因此缝纫密度对拉伸强度的影响程度要看具体的缝纫针距和行距。缝纫复合材料层合板拉伸强度随缝纫线直径、最大纤维偏转角和缝纫变形区宽度的增加而降低，最大降幅在10-20%之间。
魏玉卿, 张俊乾[2]2005年在《缝纫复合材料层合板面内弹性模量分析》文中研究说明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.
魏玉卿, 张俊乾, 汪海, 黄金[3]2002年在《缝纫复合材料层合板面内性能的分析模型》文中研究说明提出了一种分析缝纫复合材料层合板面内力学性能的模型即纤维弯曲模型 (FBM)。认为在缝纫孔周围纤维的弯曲变形是影响缝纫复合材料层合板面内力学性能的主要原因。从分析缝孔单胞的纤维弯曲几何特征入手 ,最终得到层合板面内的弹性应力应变关系。以缝纫复合材料层合板 [0 4 5 0 -45 90 4 5 0 - 45 ]2S为例 ,计算了缝纫复合材料层合板面内拉伸强度。计算结果表明 ,理论预测与实验结果吻合良好 ,证实了该模型的正确性。
魏玉卿, 王放, 张俊乾[4]2009年在《缝纫复合材料单向板面内力学性能的试验研究》文中认为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.
魏玉卿[5]2007年在《缝纫复合材料细观结构表征及面内力学性能的理论和模拟》文中研究说明传统纤维增强复合材料层合板的不足之处在于相对较低的层间断裂强度和韧性以及较低的冲击损伤容限,在横向载荷尤其是低速冲击载荷作用下很容易发生分层破坏。缝纫作为一种能有效提高复合材料层间力学性能的低成本方法一直得到人们的广泛关注。厚度方向上的纤维直接增强可以充分提高层合板层间的断裂韧性、低速冲击损伤容限和冲击后压缩强度。也就是说,对于缝纫复合材料层合板,分层破坏已不再是破坏的主要形式。一个值得关注的问题是:缝纫过程中缝纫线的加入迫使原来均匀分布的面内纤维发生弯曲变形和聚集现象,造成面内结构的严重非均匀性,并使层合板面内产生局部损伤,在一定程度上影响层合板的面内力学性能。本文旨在对缝纫诱导的局部细观结构进行参数化、定量化的表征,深入地研究缝纫造成的结构和性能的严重非均匀性,探寻缝纫复合材料在拉伸载荷作用下的面内力学行为,发展一套预测缝纫复合材料面内力学性能的理论体系和模拟方法,揭示面内宏观力学性能与缝纫引起的纤维扰动之间的内在关系,力图将缝纫复合材料层合板在拉伸载荷作用下的面内刚度和强度与材料体系、体积分数、缝纫线直径以及缝纫密度等定量地联系起来。基于对缝纫孔附近的局部细观结构的试验研究,本文将代表性单元体按材料性质的不同划分为四个不同的区域,即未变形区、纤维变形区、树脂富集区和厚度增强区。提取四个细观结构参数:包括变形区长度、变形区宽度、缝纫孔短轴和缝纫孔长轴,来表征缝纫诱导的局部细观结构。对细观结构的数字照片进行图像处理,进而对细观结构参数进行定量测量,测量结果表明细观结构参数的测量值服从正态分布。并且找到四个细观结构参数之间的定量关系,即:变形区长度约是缝纫孔短轴的12-20倍,变形区宽度和缝纫孔长轴约是缝纫孔短轴的3-4倍,缝纫孔短轴约是缝纫线直径的80%。在此基础上,发展了新型纤维弯曲模型,得到纤维偏转角和纤维体积含量的解析表达式,给出了缝纫引起的纤维偏转角和纤维体积含量在代表性单元体内的空间非均匀分布。设计了六种复合材料单向板的拉伸试验件,包含不同的缝纫密度和缝纫线直径以及未缝纫的情况。对各试验件在单向准静态载荷下进行拉伸试验,记录其破坏模式和拉伸强度。研究结果表明:中低缝纫密度的复合材料单向板的主要破坏模式为纤维断裂,面内拉伸强度较高,约为未缝纫复合材料单向板拉伸强度的85-90%。拉伸强度随缝纫密度和缝纫线直径的增加而降低。当缝纫密度过高时,相邻缝纫孔之间相互干涉造成树脂富集区之间彼此联接贯通,复合材料的破坏模式为复合材料撕裂破坏,拉伸强度较低,约为未缝纫复合材料单向板拉伸强度的70%。缝纫线的加入造成面内纤维的偏转变形,在单向拉伸载荷作用下,纤维不仅产生轴向位移,还产生横向位移。为此,采用欧拉-贝努利曲梁来描述单根纤维的力学行为,建立相互作用微曲梁模型。采用有限差分法对控制微分方程进行数值求解,得到与有限元模型相吻合的结果,表明该模型可以很好的预测缝纫诱导的局部应力集中。由于纤维拉伸强度的分散性,采用双参数韦伯分布来描述纤维强度的统计分布。考虑纤维的随机断裂及基体剪切破坏两种破坏模式,建立了统一型微曲梁相互作用模型。发展了复合材料拉伸破坏过程的模拟方法,结合蒙特卡罗模拟技术,对缝纫复合材料单向板在单向拉伸载荷作用下的破坏过程进行数值模拟,得到与试验相吻合的结果,表明该理论模型和模拟方法的正确性。研究了缝纫密度以及细观结构参数包括变形区长度、变形区宽度和缝纫孔短轴对复合材料单向板拉伸强度和弹性模量的影响。研究结果表明当纤维强度服从双参数韦伯分布时,缝纫复合材料单向板的拉伸强度也服从双参数的韦伯分布,且其形状参数与纤维强度韦伯分布的形状参数在数值上基本相当。拉伸强度随缝纫行距的增加而减小,随针距的增加而增大;拉伸强度随变形区宽度和缝纫孔短轴的增加而减小;变形区长度对拉伸强度的影响不是单调的,存在最优值。缝纫密度和细观结构参数对面内弹性模量的影响很小。
魏玉卿, 张俊乾[6]2005年在《缝纫复合材料层合板面内拉伸强度研究》文中研究表明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。
金春花[7]2006年在《缝合复合材料的力学性能研究》文中研究指明作为最具潜力的纺织复合材料中的一员,缝合复合材料已经受到很大的关注。缝合复合材料以其简单的工艺形式以及相对较低的成本消耗吸引了国内外众多的研究者,并被逐步应用于各种工程实践中。本文采用叁维细观有限元法对缝合复合材料的力学行为和性能进行了研究。在采用细观力学方法对缝合复合材料胞元模型进行分析时,边界条件的合理选取是获得正确结果的关键之一,本文摈弃了传统的“平面保持平面”的不正确的假设,采用了新的“周期性”边界条件以确保单胞边界上的位移和应力的连续性。通过对四种不同铺层形式的缝合复合材料的分析计算和对比前人的研究结果,验证了新边界条件的正确性,也表明了本文的研究方法可以用来有效的预测缝合复合材料的弹性常数。此外,还得到了多种不同外载下缝合复合材料内部应力的细观分布规律,并再次证明了前人的“缝合降低复合材料面内性能”的结论。针对一种实际的缝合复合材料,建立了其单胞和全厚度两种分析模型,采用细观有限元方法分析了缝合复合材料层间应力问题,得到了单胞内层间应力的分布规律和材料整体破坏的规律。同时,开展了初步的实验研究,基于实验现象和数据,提出了一种缝合复合材料的破坏失效准则。本文得到国家自然科学基金项目(10472045)和航空科学基金项目(05B52010)的资助。
徐萍[8]2010年在《平针缝纫非织造布复合材料面内力学性能的研究》文中提出从20世纪80年代初以来,将缝纫工艺用于制造先进3D复合材料已经取得了令人瞩目的成功。与传统的复合材料层合板相比,缝纫工艺大大提高了复合材料的分层阻抗和冲击损伤容限。同时,其生产成本比叁维机织或编织复合材料低得多。但是,缝纫技术在提高复合材料层间性能的同时,面内性能由于缝纫造成的纤维破损、纤维错位、纤维弯折等原因而下降。因此,对缝纫复合材料面内力学性能进行研究就显得非常重要。基于此,本文主要开展了以下工作：选用非织造布作为铺层材料,预制件由四层Kevlar纤维毡经过缝纫制得。缝纫采用了2种不同细度和品种的缝纫线、5种缝纫密度和2种缝纫方式,用真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)对缝纫后的预制件注入乙烯基酯树脂。经固化试验后,将复合材料板切割成拉伸或弯曲测试试样的尺寸。在进行拉伸性能测试的时候,试样分别采用改进锁式和平针缝纫方式,以相同的缝纫密度、相同的缝纫线进行缝纫。与改进锁式方式缝纫的复合材料相比,平针缝纫复合材料试样的拉伸强度提高了7%,拉伸弹性模量提高了2.5%,弯曲强度提高了30.58%,弯曲模量提高了13.8%,证明了平针缝纫作为一种新的缝纫方式的发展潜力。论文还研究了平针复合材料的缝纫密度、缝纫针距和行距、缝纫线的种类、缝纫线的细度等缝纫参数对复合材料弯曲性能的影响。研究结果表明,缝纫密度越大,缝纫复合材料的弯曲性能下降的越多；在缝纫密度相同的情况下,缝纫的行距比针距对弯曲性能的影响大；缝纫线的直径越大,缝纫后复合材料的弯曲性能的下降越多；而缝纫线种类对弯曲性能影响不大。采用有限元分析软件ANSYS对非缝纫和缝纫复合材料的拉伸、弯曲过程进行了模拟,比较了非缝纫和缝纫复合材料试样的的面内应力和位移分布特点,从多方面阐述了缝纫复合材料拉伸弯曲性能降低的原因。最后,通过总结本课题的不足之处,对平针缝纫设备、非织造布复合材料、缝纫复合材料全方面的力学性能测试等方面提出了展望。
谢顺利, 张俊乾[9]2009年在《渐近均匀化理论预报缝纫复合材料弹性性能》文中研究指明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。
王毅[10]2006年在《复合材料开口补强实验研究和设计分析》文中指出由于飞行器结构设计的需要,复合材料开口补强问题,一直受到人们的重视,而且国内外已经开展了许多积极有效的工作。但是对于实际应用中出现的一些新情况,研究还存在一定的局限性。研究的内容多集中于复合材料薄板、小开口以及一些传统的补强工艺。本文旨在从力学与材料科学相结合角度针对复合材料开口问题的特点,采用理论分析、计算模型、实验考核与验证相结合的方法,开展了两种传统补强工艺在大开口、中厚板情况下的静力学性能分析,以及一种新补强方式的试验研究、有限元模拟、理论分析和参数设计等方面的工作。主要的工作总结如下: 1.为了对飞机中厚蒙皮设计中开口补强后的静力学性能进行研究,本文对复合材料开口问题的两种传统补强工艺翻边补强和二次共固化补强作用下中厚板的大开口问题进行了实验研究及有限元的模拟。结果发现,在这两种非对称补强工艺下,由于结构的几何不对称引起的偏心弯矩是结构失效的主要原因。 2.本文对一种新的补强方式--缝合补强进行了无缝合及五种不同的缝纫参数情况下缝合补强带孔板的静力学拉伸试验。结果发现,缝合前后试件的最终破坏载荷都很接近。并对其中的两组结果进行了有限元的模拟,缝纫的数值模拟是通过Ansys软件所提供的Link单元来实现的,通过对比发现,与实验结果吻合的很好。 3.为了给缝纫参数的设计提供依据,本文参照边界层理论以及最小余能原理,给出了孔边层间、面内应力的解析解。计算结果与他人的工作进行了对比,具有很高的可信性。 4.依照解析解的结果,并参照层合板的层间强度、缝线的相关弹性常数、孔边应力分析的平均应力准则以及缝线的拉伸强度等参数,本文提出了一种关于孔边距、缝线半径、针距这些补强设计所需要的缝纫参数的设计方法。并对其补强效果进行了有限元的校核,发现缝纫后孔边的层间应力分布有了明显改善。
参考文献：
[1]. 缝纫复合材料层合板面内力学性能研究[D]. 魏玉卿. 重庆大学. 2003
[2]. 缝纫复合材料层合板面内弹性模量分析[J]. 魏玉卿, 张俊乾. 力学与实践. 2005
[3]. 缝纫复合材料层合板面内性能的分析模型[J]. 魏玉卿, 张俊乾, 汪海, 黄金. 重庆大学学报(自然科学版). 2002
[4]. 缝纫复合材料单向板面内力学性能的试验研究[J]. 魏玉卿, 王放, 张俊乾. 固体力学学报. 2009
[5]. 缝纫复合材料细观结构表征及面内力学性能的理论和模拟[D]. 魏玉卿. 上海大学. 2007
[6]. 缝纫复合材料层合板面内拉伸强度研究[J]. 魏玉卿, 张俊乾. 力学季刊. 2005
[7]. 缝合复合材料的力学性能研究[D]. 金春花. 南京航空航天大学. 2006
[8]. 平针缝纫非织造布复合材料面内力学性能的研究[D]. 徐萍. 东华大学. 2010
[9]. 渐近均匀化理论预报缝纫复合材料弹性性能[J]. 谢顺利, 张俊乾. 应用力学学报. 2009
[10]. 复合材料开口补强实验研究和设计分析[D]. 王毅. 西北工业大学. 2006