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机织复合材料力学性能的细观分析与实验研究[复制链接]

发表于:2016/08/03 16:47:44
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        在提高结构强度、损伤容限和寿命 ,降低成本和重量 ,缩短设计周期的要求下 ,纺织复合材料的研究获得了国际航空航天界的广泛重视。 美国宇航局( N ASA) 资助的研究计划即先进复合材料技术( AC T ) ,其中心目标是: 制造低成本、高损伤容限的复合材料机翼机身主结构 ,发展现有的分析方法 ,建立复合材料综合技术数据库 ,以使复合材料技术更多地应用到飞机制造中去。NASA的 Langley研究中心率先采用机织、编织、针织和缝纫等纺织工艺 ,将碳纤维束制成增强织物 ,再采用RT M ( Resi nT ra nsfer Moldi ng )或RF I ( Resi n Film Inf usion )工艺在织物中注入树脂 ,最后将预型件加温加压固化为复合材料结构件。采用纺织复合材料 ,大大减轻因铺层带来的繁琐劳动和铺层错误 ,从而有利于实现自动化 ,降低成本 ,特别是采用三维纺织复合材料具有整体性和力学结构上的合理性两大特点,从纺织、复合到成品 ,不分层 ,无损伤纤维的机械加工 ,从而保持了整体性。纺织复合材料结构在直接降低操作成本 (> 40% ) ,减轻重量 (达到 40% ),提高损伤容限以及消除腐蚀和疲劳等方面具有潜在优势 ,因而在航空航天、机械工业、铁路机车、造船工业、医疗器械、生物医疗材料和运动器材等方面具有广泛的应用前景。针对这一研究动态 ,本文作者与课题组成员在几项基金及相关研究院所资助下 ,对机织复合材料性能进行了较全面的分析与评定。

 

1 研究内容及方法
        图1给出了所研究的三种机织复合材料的细观几何结构 ,图 1(a)是由几层平纹织物增强的二维机织复合材料 ,图 1(b)和图 1(c )是三维机织复合材料 ,三维机织与二维平纹织的不同处是经向纤维束沿厚度方向与几个纬向纤维束相交织 ,从而显著地改善了层间性能并提高了沿厚度方向的强度。为沿厚度与一经纱交织的纬纱数 ,为沿机器方向与一经纱交织的纬纱数。

        1. 1 弹性性能的预估与评定
        从公开发表的论文看 ,国内外学术界对纺织复合材料细观力学的研究集中在弹性性能的预估 ,所提出的分析模型分为: 应用层合板理论和有限元分析法。
        本研究提出的二维波纹细观力学模型在以下方面与其它模型有所不同: ( 1) 建立二维和三维复合材料弹性性能与织物结构参数 -纬向和经向纤维束平均取向角间的关系; ( 2) 建立了机织复合材料弹性常数随织物结构参数 -纤维束曲屈率、相邻纤维束间间隙和纤维束的横截面尺寸的变化关系; ( 3)考虑了纬向和经向纤维束波纹对复合材料弹性性能的影响; ( 4) 探讨了纤维束之间的间隙、层合结构形式和纯树脂区内孔隙的含量对机织复合材料弹性性能的影响。
        根据显微照片确定二维复合材料的体积代表元素 (RV E) ,细观力学分析模型考虑了实际织物结构中的纬向和经向纤维的曲屈及相邻纤维束之间的间隙对机织复合材料弹性性能的影响 ,并探讨了在纤维束间纯树脂区内孔隙的含量和两种层合结构对材料弹性性能的影响。根据理论分析的结果 ,提出了优化单层结构和层合结构形式的途径。 理论计算结果与实测值的比较 ,表明所提出的细观力学模型的正确性。
        三维复合材料的弹性常数可在经 /纬向纤维复合材料刚度矩阵按体积平均的基础上确定。 运用细观力学分析由纤维和基体的性能得到单向复合材料的柔度矩阵 ,再根据纤维束倾角 ,转换单向复合材料的柔量以确定经向和纬向纤维复合材料的柔量 ,再将经向、纬向纤维复合材料和基体材料的柔度矩阵求逆 ,最后根据下式确定三维复合材料的有效刚度:

        

        其中 和 V分别表示刚度和纤维体积分数 ,上标 c、 w、 f和 m分别表示三维复合材料、经向纤维复合材料、纬向纤维复合材料和基体材料。 最后 ,对三维复合材料的刚度矩阵求逆即可得到柔度矩阵


        1. 2 拉伸强度估算
        从广泛收集到的资料看: 国外对纺织复合材料强度性能的研究主要是实验数据 ,纺织复合材料强度的分析方法是一个空白。 本研究中所提出分析方法的最大特点是易被工程界接受 ,适用于不同的纺织复合材料。
        沿受载方向纤维的曲屈程度对纺织复合材料的承传力能力起着决定性的作用 ,用曲屈系数来表征纤维的曲屈程度 ,并通过测量织物的长度及相应所用纤维长度来确定 ,下面是计算纤维曲屈系数的公式:

        

        其中 q代表纤维曲屈系数; 分别表示纤维长度和织物长度。
        纤维束相对织物受载方向的取向用角度 θ来表征 ,平均代表性的纤维取向角 θ的余弦与纤维束的曲屈系数之间的关系用下式表示:

        

        纺织复合材料的强度 ec由下式预测:

        

        其中 为纤维束的强度 ,为树脂的强度 ,表示纤维束的横截面积 ,为织物的横截面积 ,是在整个织物横截面上的纤维束的数目 , 为纤维的体积百分数。

        1. 3 冲击性能的评定

        国外的研究工作都是针对纺织复合材料冲击性能的实验测试 ,对纺织复合材料冲击性能评定和损伤、破坏分析的研究进展仍是一个空白。
        本研究提出了在不同的冲击能下最大接触力和接触区域半径的计算公式 ,建立了基于有限元分析和失效准则预测冲击能门槛值的方法,冲击能门槛值是表征冲击阻抗的参数 ,体现了复合材料经受损伤而无强度降低的能力 ,冲击剩余强度由下式求得:

        

        其中 表示剩余拉伸或压缩强度 ,为无损伤时材料的拉伸或压缩强度 ,为拉伸或压缩冲击能门槛值 ,U代表冲击能 ,参数 T确定了在冲击能高于门槛值时强度衰减的程度 ,是表征冲击损伤容限的参数。 实验测试了机织复合材料冲击后的拉伸与压缩强度,分析结果与实验值的比较证明了分析方法的正确性。

        1. 4 剩余疲劳强度和疲劳寿命
        评定材料在不同应力水平下的剩余疲劳强度的实验过程是: 在事先确定的几个不同循环数下终止疲劳加载 ,在静载下测出剩余疲劳强度 ,应力水平选为其静强度的 75% 、60%和 50% 。

        利用下式预估疲劳寿命

        其中 D= E( 0) /Q, E( 0)为初始弹性模量 , Q和v 是依赖应力大小的材料性能参数 , r 为外加应力与强度 的比值。

 

2 结果与分析
        考查了由二维和三维碳纤维机织物增强环氧树脂复合材料的拉伸强度性能 ,实测数据与计算结果的比较 (表 1)验证了理论公式的可适用性。

 

        从图 2的二维和三维复合材料的应力 -应变曲线看出二维复合材料的应力 -应变曲线直到断裂基本是呈线性关系 ,弹性模量基本保持为一常量。三维复合材料的弹性模量和所受的应力有关,它的应力 -应变曲线分为两个区段 ,最初弹性模量区到应变值为0. 27% 左右 ,然后改变到第二弹性模量区并保持固定值直到断裂。 二维复合材料比三维复合材料显示出较好的面内性质 ,它的拉伸强度比三维复合材料高出 18% ,最初弹性模量也要高出 9. 7% ,这是由于二维复合材料沿面内受载方向纤维束的弯曲程度低于三维复合材料 ,因而有更高比例的纤维沿面内受载方向。三维复合材料因具有沿厚度方向的纤维 ,从而可提高它的层间剪切性能 ,抗冲击性能及沿厚度方向的性能 ,但却不得不损失部分面内性能。通过参数分析预测了结构和几何参数对机织复合材料弹性性能的影响 ,对具有中等间隙 (纤维束厚度 /相邻纤维束之间的间隙= 1, 即 ty /gy= 1) 细观结构的二维机织复合材料 ,弹性模量随纤维体积含量的增加而增大;对具有小间隙 (纤维束厚度 相/邻纤维束之间的间隙= 10)细观结构的机织复合材料 ,弹性模量随纤维体积含量的增加而减小 ,如图 3所示 ,具有中等间隙细观结构的材料比具有小间隙细观结构的材料更为合理 ,复合材料叠层结构为同相状 态 ( IPM) 时所 具有的 刚度 比无规 则相 状态( RPM )时要高些 ;

        弹性模量随着间隙的增加而降低 ,纤维束之间的间隙的影响是两方面的 ,随着间隙的增大 ,很明显纤维的体积含量将降低 ,因而弹性模量也将降低;另一方面 ,间隙的存在将减小纤维束的曲屈程度而使弹性模量增加。 从这个分析知 ,通过织物结构设计 ,选取合理的间隙值 ,可使弹性模量取最大值。另外 ,具有间隙的织物 ,有较好的浸润性 ,因而易获得较好性能的纺织复合材料。
        对三维复合材料的弹性性能 ,结构参数如沿厚度与一经纱交织的纬纱数Nft增加时 ,因为经纱在厚度方向上与多层纬纱交织 ,在几何参数相同的情况下 ,纤维体积分数有相应增加 ,因而提高了复合材料的弹性模量。 经 /纬纱横截面形状 ,沿纬向两经纱间的距离及沿厚度方向上两纬纱间的距离都是影响三维复合材料弹性性能的关键参数。

        比较二维和三维复合材料疲劳剩余强度得出;三维复合材料因有沿厚度方向的增强纤维 ,疲劳性能比二维复合材料好 ,在同一应力水平下 ,由于二维复合材料的分层破坏 ,使其剩余强度的下降率大于三维复合材料。 图 4给出了在可对比的应力水平下二维和三维复合材料强度下降的比较 ,结果表明三维复合材料的疲劳性能显著胜过二维复合材料。 当循环数为 4×,应力水平为其拉伸强度的 50 %时 ,二 维 复合 材 料的 剩余 强 度降 为 其强 度 的87. 1% ; 而在循环数为 4× ,应力水平为其拉伸强度的 75%时 ,三维复合材料的剩余强度降为其强度的 89. 4%。

        从图 5二维和三维碳纤维复合材料 S-N曲线的比较可以看出: 具有可以穿越厚度方向纤维的增强结构可显著地降低材料对疲劳的敏感性 ,在含有相等纤维体积分数的条件下 ,三维复合材料比二维复合材料的静态拉伸强度低 ,这是由于纤维束的波纹而使三维复合材料的纵向性能降低 , 但对疲劳性能沿厚度方向的纤维束作为裂纹扩展的抑制器 ,有效地减小或阻止了三维复合材料内的分层损伤。

        三维复合材料的拉伸疲劳寿命大于二维复合材料 ,特别是在较低的应力水平下。在应力水平为其静拉伸强度的 60% 时 ,三维复合材料的疲劳寿命比二维复合材料长出 1. 47× 个循环数。 寿命预测值与实验数据间有良好的一致性 ,证明了预估方法的可用性。


3 结 论

        ( 1) 在机织复合材料力学分析方面 ,建立了以考虑细观结构为基本原则的预测弹性性能和强度的方法;

        ( 2) 系统地研究了织物几何和结构参数对机织复合材料性能的影响 ,建立了织物结构参数与机织复合材料性能之间的定量关系;

        ( 3) 完成了机织复合材料弹性性能分析和设计的软件;

        ( 4) 评定了机织复合材料冲击后的拉伸与压缩性能 ,建立了基于有限元分析和失效准则预测冲击能门槛值和冲击剩余强度的方法 ,且实验验证了分析方法的正确性。

        ( 5) 给出了预估疲劳寿命的理论公式 ,疲劳剩余强度和寿命的实验结果表明: 三维复合材料因具有沿厚度方向的增强纤维而使疲劳性能大大提高。

 

 

 

 

 

 

 

 

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