黄涛[1]2004年在《缝纫泡沫夹层复合材料力学性能研究》文中进行了进一步梳理缝纫泡沫夹层复合材料是一种新型轻质夹层结构材料，该材料具有重量轻、强度刚度高、抗冲击性能好、抗进水性能好、制造成本低等优点。是飞机结构中对刚度要求较高的操纵面、机翼和机身蒙皮结构用较理想的材料。 缝线的引入使得缝纫泡沫夹层复合材料的结构既不同于普通复合材料层压板，也不同于泡沫夹层复合材料。对其力学性能的认识需要进行大规模试验，其损伤破坏机理与刚度强度分析模型也处于研究摸索阶段。为此，本文对缝纫泡沫夹层复合材料的力学性能进行了研究。 本文主要研究工作包括： 1．利用数学均匀化理论，讨论了缝纫层压板基本弹性性能预测的理论和方法。建立了计算缝纫复合材料层压板的等效弹性模量的有限元分析模型，初步解决了缝纫层压板刚度性能预测问题。 2．将等效夹杂理论应用于缝纫泡沫芯材刚度性能预测，利用Mori-Tanaka方法的基本公式，建立了近似计算模型，得到了缝纫泡沫芯材的等效弹性模量的解析解答。初步解决了缝纫泡沫芯材刚度性能预测的问题 3．运用前述预测理论，设计了一套缝纫泡沫夹层复合材料刚度性能预测软件。利用此软件，分析预测了某种缝纫泡沫夹层复合材料在缝纫参数和泡沫芯材性能变化情况下的刚度性能。为缝纫泡沫夹层复合材料的设计提供了理论依据。 4．通过常温／湿热环境下缝纫复合材料层压板以及缝纫泡沫夹层复合材料力学性能试验，获得了缝纫层压板和缝纫泡沫夹层结构的部分力学性能参数。 5．结合试验观察的结果，初步探讨了缝纫层压板和缝纫泡沫夹层结构的损伤破坏机理，为建立缝纫泡沫夹层结构的强度预测理论提供了分析和试验基础。
鄢冬冬[2]2016年在《基于VARTM工艺缝合泡沫夹层结构复合材料的制备及力学性能研究》文中研究指明与其他材料相比,缝合泡沫夹层结构复合材料具有较高的比刚度和比强度,整体表现为质轻高强。因此这种结构的复合材料的应用面越来越广泛,尤其是在航空航天及民用工程上。缝合泡沫夹层结构复合材料作为一种先进复合材料,其解决了传统的夹层结构复合材料在厚度方向上性能差,容易分层的缺陷。在很大程度上发挥出了夹层结构的优越性能。通过在厚度方向上引入缝线来改进夹层结构的层间性能,极大提高了复合材料在外载荷作用下的力学性能表现。正是由于这种先进性,所以越来越受到学者的广泛关注。缝合泡沫夹层结构复合材料由于其原材料昂贵、且制备工序细致繁多,故而研究成本高,目前针对其研究的主要工作,集中在材料的力学性能研究上,主要以试验为主。怎样合理有效的制备出性能优良的缝合泡沫夹层结构复合材料,如何在已知主要参数的基础上,给出最优的组合,从而获得力学性能某一指标下的最强组合,得到具体参数对力学性能的影响,已然具有相当重要的学术意义,同时也能够为实际应用中提供参考。本文中采用玻璃纤维为面板材料、PU泡沫为芯材及不饱和基聚酯树脂为原材料,在kevlar缝线的缝合下制成预制件,最后经过VARTM工艺制备成缝合泡沫夹层结构复合材料。本文主要的工作在缝合泡沫夹层结构复合材料的制备以及力学性能的研究基础上来展开的。在自行设计夹具的基础上,采用了正交试验方案来安排参数组合。主要参数选择缝合针距、缝合行距和纤维层数。同时,详细的讨论了各力学性能的试验原理、试验步骤、试验结果、载荷位移曲线及试验分析。缝合泡沫夹层结构复合材料在落锤冲击试验中,得到了其在冲击能量为60J的冲击作用下的载荷-时间-能量曲线和载荷-位移-能量曲线,并在此基础上分析了其在落锤冲击下的破坏形式,得到其破坏过程分为叁个阶段：第一阶段是上面板损伤、第二阶段是泡沫破坏、第叁阶段是下面板损伤。通过Minitab16.0软件对冲击性能进行正交分析,得到了以最大冲击力为指标的参数最佳组合：缝合针距为10mm、行距为20mm和纤维层数为9层。在叁点弯曲试验中,通过弯曲载荷-位移曲线,分析了材料的受力状态,得到材料最先破坏的部位。对弯曲试验的各项数据和弯曲回弹现象进行了讨论,最后通过正交分析,得到了以弯曲强度为指标的最佳参数组合：缝合针距为8mm、行距为10mm和纤维层数为9层。在平压试验中,通过平压的载荷-位移曲线,分析了受载模式及损伤形式,计算了平压强度与模量值,最后通过正交分析,得到了以平压强度为指标的最佳参数组合：缝合针距为8mm、行距为10mm和纤维层数为9层。在纵压试验中,分析纵压载荷-位移曲线,得到其损伤模式,主要有：面板的弯曲皱折、缝线树脂柱的断裂、泡沫芯材的胀大挤出。通过计算得到纵压强度及模量值。最后通过正交分析,得到以纵压强度为指标的最佳参数组合：缝合针距为10mm、行距为10mm和纤维层数为9层。本文基于四种力学性能试验,讨论了缝合参数对各力学性能的影响情况,给出了最优的参数组合方式。研究表明,此种材料具有较高的抗冲击、抗弯曲、抗平压、抗纵压性能。同时,得出了部分具有参考价值的结论和规律,为缝合泡沫夹层结构复合材料更深层次的研究做了良好的基础。
邹如荣[3]2016年在《缝合泡沫夹层复合材料低速冲击性能研究》文中指出缝合泡沫夹芯结构复合材料在工程中的应用比较晚,直到21世纪初才被提出,它是在传统泡沫夹芯结构的基础上引入厚度方向的增强纤维缝线,在保留传统泡沫夹层结构轻质、高比强度、高比刚度及优良的抗冲击、隔热、隔音等特性的同时克服了夹芯板结构易分层的缺陷,提高了层板的抗冲击性能,同时由于树脂在缝线处富集形成树脂柱使夹芯板仍具有优良的面内性能,具有更为广阔的应用前景。缝合泡沫夹层复合材料中由于缝线的引入使得夹层结构损伤形式变得更为复杂,低速冲击过程中涉及到冲击物、面板、泡沫夹芯及缝线树脂柱四者的相互作用,研究低速冲击下的冲击响应过程、破坏行为及冲击过程中各个影响因素的作用机理对于缝合泡沫夹层复合材料的结构设计具有重要的指导意义,是泡沫夹层结构复合材料在航空航天、船舶、汽车等方面进一步应用的理论基础。本文就缝合泡沫夹层复合材料低速冲击的研究主要做了下面几个方面的工作:(1)采用改进的锁式缝合方法缝制出符合要求的预成型体,并由VARTM工艺加工成型,通过仪器化落锤冲击试验装置依据ASTM D7136标准分别对缝合及未缝合泡沫夹层结构分别进行5J和10J能量的低速冲击实验。对有、无缝合泡沫夹层复合材料和不同冲击能量下的低速冲击结果差异进行了对比分析,并为后面的低速冲击数值模拟分析提供了参考依据。(2)在ABAQUS分析平台中建立了缝合泡沫夹层复合材料在低速冲击下的动力学有限元模型,采用杆单元模拟缝线树脂柱的作用,基于Hashin破坏准则模拟层板面内损伤,通过各向同性硬化本构模型利用等效塑性变形模拟泡沫夹芯损伤演化。针对相同铺层的缝合和未缝合泡沫夹层结构,模拟了相同冲击能量下的低速冲击响应过程及面板、泡沫的损伤情况,数值结果与实验结果吻合较好,证明了该方法的有效性和准确性。(3)对影响缝合泡沫夹层复合材料低速冲击损伤的各种因素进行了数值模拟,研究了冲击物质量、冲击速度、泡沫夹芯厚度、纤维面板厚度、缝合密度及缝针直径等因素对缝合泡沫夹层复合材料低速冲击损伤的影响。为进一步了解缝合泡沫夹层复合材料低速冲击作用机制和对抗冲击损伤设计提供了理论参考。
黄涛, 矫桂琼, 徐婷婷[4]2005年在《Z向增强泡沫夹层结构复合材料》文中提出从应用领域、制造工艺及力学性能等方面论述了国内外关于Z向增强泡沫夹层结构复合材料的研究成果。研究了其开发研制和应用中的主要问题,并对此材料力学性能研究前景作出了预测。
郭书良, 赵龙, 黄峰, 段友社, 侯军生[5]2013年在《Kevlar纤维缝纫泡沫芯材复合材料力学性能研究》文中指出基于热压罐成型工艺,制备了kevlar纤维缝纫泡沫芯材复合材料夹层板,并通过扫描电镜观察了胶膜中的树脂在kevlar纤维束之间的浸润状态,为工程化应用提供参考.选取未缝纫泡沫夹芯复合材料和碳纤维预浸料缝线缝纫泡沫芯材复合材料夹层板为对比试样,实验研究了kevlar纤维缝纫泡沫芯材复合材料夹层板的平压、剪切和侧压力学性能,并考察了缝纫针距、行距的变化对其力学性能和破坏模式的影响.研究表明:在真空压力下,胶膜中的树脂与kevlar纤维浸润良好;对泡沫芯材进行kevlar纤维缝纫增强后,其力学性能显着提高,并改变了夹层板的破坏机理.实验范围内,随着缝纫密度的提高,平压强度和模量增大;夹层板剪切性能和侧压性能受缝纫密度的影响较大,在缝纫参数(缝纫行距×针距)为10 mm×10 mm时,增强效果较佳,其剪切强度和侧压强度分别提高了44%和21%,剪切模量和侧压模量分别提高了34%和127%.
薄晓莉[6]2009年在《整体中空夹层复合材料力学性能的数值分析与实验研究》文中指出整体中空夹层复合材料是利用叁维机织方法将纱线整体织造成中空织物,再与环氧树脂复合而得到的一种新型轻质夹层结构复合材料,克服了传统夹层复合材料易分层、不耐冲击的弱点,整体性能良好。本文对整体中空夹层复合材料的力学性能从理论模型、数值分析和实验方面进行了较为全面的研究,得到了一些有益的结论。选取了整体中空夹层复合材料的最小结构单元,确定了几何参数和纤维体积含量的计算方法,建立了力学模型,并在此基础上预测了整体中空夹层复合材料的面内弹性常数,同时分析了不同织造参数下弹性性能的变化;对整体中空夹层复合材料的强度进行理论预测分析,并建立有可视化界面的整体中空夹层复合材料力学性能分析软件:通过输入织物相关织造参数即可得到纤维体积含量、面板的模量、平拉、平压、侧拉、侧压强度。应用MSC.Patran/Nastran软件对整体中空夹层复合材料进行参数化建模并结合实际破坏模式,采用合适的强度准则分析了平拉、平压、侧拉、侧压强度,并研究了参数对平压、平拉性能的影响。对整体中空夹层复合材料进行性能对比实验,通过实验值和理论预测值的对比,表明力学模型的正确性;同时比较得到该材料的优势所在及织造参数对其性能的影响。
魏凯耀[7]2015年在《立体点阵增强泡沫夹层复合材料力学性能研究》文中认为传统泡沫夹层结构存在面芯粘接强度低的缺陷,抗剪切、抗剥离、抗平压性能较弱,难以满足装备轻质高强的性能要求。为此,本文开展立体点阵增强泡沫夹层结构复合材料研究,采用有限元模拟方法设计和选择工艺可行的点阵构型、增强泡沫芯材,结合实验方法研究了点阵构型、缝合结构和缝合纱线量等参数对该夹层结构复合材料压缩和弯曲性能的影响规律。主要内容如下:(1)采用有限元方法确定了新型V型构型为立体点阵增强泡沫夹层复合材料的点阵构型,该构型不仅缝合工艺可行,且弯曲性能优异。(2)采用真空导入模塑工艺(VIMP)制备立体点阵增强泡沫夹层复合材料,考察了点阵构型对该夹层结构复合材料压缩和弯曲性能的影响。结果表明,与垂直缝合构型相比,V型构型增强泡沫夹层复合材料的芯材弹性模量和平压压缩强度分别降低了19.7%和22.6%,但弯曲刚度、弯曲破坏载荷和芯材剪切模量分别提高了26.8%、94.4%和62.7%。(3)考察了面板层数对立体点阵增强泡沫夹层复合材料压缩和弯曲性能的影响。结果表明,面板铺层由2层减为1层后,立体点阵增强泡沫夹层复合材料的芯材弹性模量、平压压缩强度、弯曲破坏载荷、弯曲刚度分别降低了19.7%、0.4%、17.5%和4.3%,说明面板厚度增加能够提高点阵增强泡沫夹层复合材料的压缩和弯曲性能。(4)考察了穿透缝合对立体点阵增强泡沫夹层复合材料压缩和弯曲性能的影响。结果表明,与穿透缝合试样相比,未穿透缝合立体点阵增强泡沫夹层复合材料的芯材弹性模量、平压压缩强度、弯曲破坏载荷和弯曲刚度分别降低了17.7%、21.2%、50.8%、13.7%,说明面板缝合纱线采用穿透缝合的连接方式有利于提高夹层结构的压缩和弯曲性能。(5)考察了缝合纱线用量对立体点阵增强泡沫夹层复合材料压缩和弯曲性能的影响。结果表明,缝合纱线用量由2束增加8束,立体点阵增强泡沫夹层复合材料Z向压缩模量、平压压缩强度、弯曲破坏载荷和弯曲刚度分别增加了42.6%、24.2%、103.8%和51.9%,说明随着缝合纱线用量的增加能够提高夹层复合材料的压缩和弯曲性能。(6)采用多工况加载整体求取刚度矩阵的方法预测等效芯材的工程常数,建立有限元模型,分析点阵增强泡沫夹层复合材料的压缩和弯曲性能。结果表明,其Z向弹性模量有限元模拟值与实验值最大偏差小于13%,弯曲刚度模拟值与实验值误差小于20%,说明该有限元分析方法具有一定的参考价值。
杜龙[8]2007年在《X-cor夹层复合材料力学性能研究》文中研究表明近年来，先进复合材料越来越广泛地应用于航空航天、船舶和公共交通等领域，作为结构材料和功能材料，极大地促进了这些领域的发展。夹层结构的出现更大程度地适应了现代工业尤其是航空和高速列车等领域中对于高强度、高刚度和超轻材料的需求。为改善蜂窝夹层复合材料本身的缺陷，Carstensen等提出了一种新型的Z-pin增强泡沫夹层复合材料——X-cor。 X-cor作为一种新兴的夹层结构形式刚刚起步，包括基本力学性能等都还有待进一步地研究。本文在考察文献资料和国内工艺设备条件的基础上，自行制备了X-cor夹层结构，包括Z-pin角度为15°、夹芯厚度为12.7mm和Z-pin角度为25°、夹芯厚度为8mm两种结构，同时，每组皆有相同批次和尺寸的未增强试件作为对比。 通过试验研究了X-cor增强泡沫夹层复合材料的基本力学性能，包括面内剪切、平面压缩和叁点弯曲试验。通过与相同批次和尺寸的未增强件进行对比，发现X-cor增强能够大幅度地提高泡沫夹层结构的基本力学性能，尤其是能够弥补由于泡沫强度和刚度较低而带来的泡沫夹层结构剪切和压缩性能较差的缺陷，从而使得该种材料能够用于飞机、潜艇和列车机车等的主承力结构，具有良好的应用前景。 通过试验观察和对试验结果进行分析，并与相同条件的未增强件进行对比，本文研究了X-cor增强泡沫夹层结构的基本力学响应和破坏机理。可以发现，Z-pin的存在优化了材料的力学性能，改变了材料的破坏模式，使得该种材料从初始裂纹的产生到结构的彻底破坏都有着与未增强件不同的变形过程。 提出了X-cor增强泡沫夹层结构的剪切模量预测单胞模型，理论值与试验值符合良好。在模型的基础上考察了该种材料结构中各参数对X-cor剪切模量的影响，X-cor的剪切模量随着Z-pin体积分数、模量和直径而增大，在体积分数一定的情况下，Z-pin角度为45°时材料的剪切模量达到最大值。可以看出，X-cor增强泡沫夹层结构具有良好的可设计性，可以通过改变材料各参数来达到优化其力学性能的目的。 根据试验结果并结合文献资料，本文也对X-cor的强度预测模型进行了初步的研究和讨论。通过引进约束修正系数改进了Cartie’等提出的基于弹性基础上压杆屈曲的压缩强度模型，所得理论预测值与试验值更加接近。同时，根据不同的假设讨论了X-cor的剪切强度预测模型，比较了它们之间的差异，为进一步建立更符合实际的理论模型打下基础。
郑莹莹[9]2013年在《K-cor增强泡沫夹层结构制备与力学性能研究》文中进行了进一步梳理K-cor增强泡沫夹层结构是采用Z-pin技术对传统泡沫夹层结构进行纵向增强的一种新型复合材料，具有比蜂窝夹层结构及传统X-cor夹层结构更优越的性能。K-cor夹层结构作为新型泡沫夹层结构，目前在国外的研究刚刚起步且国内几乎没有相关文献报道，故其制备工艺及力学性能研究均处于探索阶段。在查阅国外相关文献的基础上，本文重点研究了环氧K-cor夹层结构中不完全固化Z-pin的拉挤成型工艺及其压弯工艺；结合差示扫描量热法及通过显微镜观察固化成型后K-cor内部Z-pin受损情况，较好地确定了不完全固化碳纤维/环氧Z-pin拉挤工艺参数；通过Z-pin与面板的交联结合程度测试，成功制备环氧K-cor增强泡沫夹层结构。首先对同一Z-pin植入参数、相同树脂体系K-cor、X-cor及空白泡沫夹层结构进行滚筒剥离测试，结果显示K-cor滚筒剥离强度远远大于X-cor及空白泡沫夹层结构。进而制备了多种规格的环氧K-cor夹层结构和相应的空白泡沫夹层结构试样，分别研究了相同直径下不同Z-pin植入角度及Z-pin植入密度对K-cor夹层结构平面拉伸、压缩及剪切性能的影响。测试结果表明，在相同Z-pin直径和植入角度下，植入密度越大，其拉伸，压缩及剪切强度越大，拉伸及剪切模量越大，拉伸强度主要取决于Z-pin与蒙皮的胶接强度；当Z-pin的体积含量增加，芯材与蒙皮的胶接程度增加，拉伸强度增大；在相同植入密度下，随着植入角度的增加，平拉强度、平压强度和模量增加，剪切强度和模量均降低，压缩过程中载荷主要由Z-pin承担，Z-pin植入角度越大，抵抗变形能力变大，压缩强度增加。通过失效模型观察分析，夹层结构强度主要取决于Z-pin端部与蒙皮的结合强度。X-cor夹层结构中Z-pin与面板有效接触长度为1mm，由于Z-pin高度固化，其与面板的结合强度主要取决于机械嵌合，而K-cor夹层结构中Z-pin折弯在泡沫与面板之间部分长5mm，不完全固化的Z-pin与面板主要发生交联结合。加热固化时，有效长度为5mm的交联结合强度将比1mm的机械结合大大提高。此外，实验附加制备了双马树脂体系的K-cor夹层结构，同样展开了与X-cor及空白泡沫夹层结构比较其平面拉伸及压缩性能。研究结果表明，在相同Z-pin植入参数下，平拉及平压试验中K-cor夹层结构强度和模量均显着大于X-cor夹层结构及空白泡沫夹层结构。
陈海欢[10]2010年在《X-cor增强泡沫夹层复合材料结构力学行为研究》文中研究指明X-cor泡沫夹层结构是z-pin技术在泡沫夹层结构上的应用成果,具有比蜂窝夹层结构更优越的力学性能,同时,X-cor泡沫夹层结构还克服了一般泡沫夹层结构的压缩与剪切性能低、面板与芯材容易发生脱粘和分层等缺点。作为一种新型结构,X-cor泡沫夹层结构通过选取不同泡沫型号、不同pin材料、直径、间距及其植入密度和角度等参数,可实现具有优越结构性能的设计。因此,X-cor泡沫夹层结构在飞机结构中具有很好的应用前景。目前,国外对X-cor泡沫夹层结构的研究已取得一定成果,而国内对该结构的工艺和性能的研究正处于起步阶段。本文结合对国内外相关文献的调研,采用试验、理论和有限元等方法对其拉伸、压缩和剪切性能进行了研究。首先,采用试验方法研究了pin直径、植入角、植入密度、端部斜切角、植入深度以及pin空间布局等参数对X-cor泡沫夹层结构拉伸、压缩和剪切性能的影响。研究结果表明,pin组成的X-cor使泡沫夹层结构的这叁种性能显着提高。Pin植入角、直径以及植入密度是压缩和剪切性能的主要影响因素,而端部斜切角及空间布局的影响可忽略。此外,横向面内pin对剪切性能的贡献较小。随pin植入密度、直径或端部植入深度的提高,X-cor泡沫夹层结构的面外拉伸性能显着得到增强;芯-面界面存在胶层时,泡沫对拉伸强度的影响较大,对拉伸刚度的影响较小。其次,通过对试验现象的观察和分析,本文重点研究了X-cor泡沫夹层结构的变形和破坏机理。1)压缩。压缩破坏机理为pin发生弹性屈曲,考虑横向剪力和端部约束对pin临界载荷的影响后,完善了压缩强度模型,并利用混合率建立了面外压缩刚度模型。2)剪切。Pin大规模被拔出以及泡沫受剪发生断裂是导致夹层结构剪切破坏的主要原因,在考虑了芯-面界面胶层的影响后,建立了剪切强度模型,对pin端部所受约束进行了细节分析,完善了已有的剪切刚度模型,并建立了X-cor剪切刚度有限元模型。3)拉伸。拉伸破坏机理为pin从面板被拔出和泡沫断裂,在此基础上考虑了芯-面界面是否存在胶层,建立了拉伸强度模型。在以上试验研究与理论研究基础之上,本文将各模型计算结果和试验结果进行了对比,验证了模型的准确性并指出其中不足,以作进一步分析。最后,本文综合讨论了pin各参数对叁种力学性能的影响。1)当Pin的植入角约为22°,端部斜切角约为30°时,如果适当增加植入深度,可获得效率较优的X-cor泡沫夹层结构。2)如果保留芯材中的泡沫或芯-面间采用胶接,不仅可以提高结构韧性,而且可以优化X-cor泡沫夹层结构。3)在X-cor泡沫夹层结构中,pin的轴向优越性能否得到充分发挥,将直接影响夹层结构性能的提高。
参考文献：
[1]. 缝纫泡沫夹层复合材料力学性能研究[D]. 黄涛. 西北工业大学. 2004
[2]. 基于VARTM工艺缝合泡沫夹层结构复合材料的制备及力学性能研究[D]. 鄢冬冬. 南昌大学. 2016
[3]. 缝合泡沫夹层复合材料低速冲击性能研究[D]. 邹如荣. 南昌大学. 2016
[4]. Z向增强泡沫夹层结构复合材料[J]. 黄涛, 矫桂琼, 徐婷婷. 纤维复合材料. 2005
[5]. Kevlar纤维缝纫泡沫芯材复合材料力学性能研究[J]. 郭书良, 赵龙, 黄峰, 段友社, 侯军生. 材料科学与工艺. 2013
[6]. 整体中空夹层复合材料力学性能的数值分析与实验研究[D]. 薄晓莉. 南京航空航天大学. 2009
[7]. 立体点阵增强泡沫夹层复合材料力学性能研究[D]. 魏凯耀. 国防科学技术大学. 2015
[8]. X-cor夹层复合材料力学性能研究[D]. 杜龙. 西北工业大学. 2007
[9]. K-cor增强泡沫夹层结构制备与力学性能研究[D]. 郑莹莹. 南京航空航天大学. 2013
[10]. X-cor增强泡沫夹层复合材料结构力学行为研究[D]. 陈海欢. 上海交通大学. 2010