复合材料冲击动力学文献分享:第41期

其他   2022-06-29 09:47   陕西  

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1.An experimental investigation into flexural properties of hybrid carbon-basalt triaxially braided composite lamina

-玄武岩纤维混杂的三轴编织复合材料弯曲性能的实验研究

翻译:党浩源

为了探究碳纤维和玄武岩纤维混杂对二维三轴编织复合材料弯曲性能的影响,本文共设计了四种不同混杂比的试样,并通过三点弯试验进行测试。这四种试样分别为:偏轴纱线和轴向纱线均为玄武岩纤维的试样(BB),偏轴纱线和轴向纱线均为碳纤维的试样(CC),偏轴纱线为玄武岩纤维且轴向纱线为碳纤维的试样(BC)和偏轴纱线为碳纤维且轴向纱线为玄武岩纤维的试样(CB)。试验结果表明:在轴向方向上,BC试样的弯曲性能与CC试样的弯曲性能接近;在横向方向上,CB试样的弯曲性能与CC试样的弯曲性能接近。考虑到玄武岩纤维价格低廉,因此碳纤维与玄武岩纤维混杂的复合材料在保证材料弯曲性能的同时可以显著降低材料的制造成本。但由于玄武岩纤维的密度(2.70 g/cm3)高于碳纤维的密度(1.77 g/cm3),混杂复合材料的重量会有所增加。


1.a)不同混杂比试样示意图;(b)不同混杂比试样沿轴向方向和横向方向的弯曲性能(刚度和强度)对比


Masoumi M, Mansoori H, Dastan T, Sheikhzadeh M. An experimental investigation into flexural properties of hybrid carbon-basalt triaxially braided composite lamina. Compos Struct 2022; 115231.


2. Distribution of axial yarns on the localized deformation and damage mechanism of triaxial braided composite tubes

轴向纱线分布对三轴编织复合材料管局部变形和损伤机理上的影响

翻译:刘鹏

编织复合材料管已广泛应用于工程结构,插入轴向纱线可以提高其力学性能。该文对三轴编织复材管进行了横向低速冲击实验(图2a)),研究了5种不同数量和位置的轴向纱线(图2b))对2种编织角复材管局部变形和损伤机理的影响。同时采用高速红外热像仪对瞬态热响应进行分析,并通过损伤表征进行验证。研究结果表明:复材管的弯曲刚度和峰值力均随着冲击侧轴向纱线数量的增加而提高,冲击时间和位移则反之(图2c));30°复材管能通过编织纱线将载荷传递到轴向相邻区域,故其损伤集中在冲击侧(图2d)和(e));60°复材管由于大编织角纱线,损伤会从冲击侧传递到其对面(图2d)),而在非冲击侧加入轴向纱线则能抑制该区域出现损伤,如图2e)中C60-Y4C60-Y8C60-U4D所示。


 

2.a)低速冲击试验装置;(b)试样编织结构;(c)时间-力和位移-力曲线;(d)热响应和损伤模式;(e)截面损伤区域对比


Pan ZX, Qiao F, Yu JJ, Ouyang WH, Wu ZY. Distribution of axial yarns on the localized deformation and damage mechanism of triaxial braided composite tubes. Thin Wall Struct, 2022, 177: 109389.


3.Fractographic Analysis of the Temperature Influence in the Mode I Fatigue Delamination of Carbon/Epoxy Composites

/环氧复合材料的I型疲劳分层温度效应的断面分析

翻译:曹俊超

断面分析是复合材料工程研究中可靠的分析方法,它也是理解分层断裂机制的关键,然而与各向同性材料相比,当受到环境条件或循环载荷等因素作用时复合材料的断面分析仍有待发展。该文基于对两种航空复合材料在不同环境温度下的I型疲劳分层测试结果,采用SEM扫描电镜对试样进行断面观察,以分析基体类型和温度对疲劳分层特性的影响。SEM断面分析结果获得了典型的I型断裂的微观形貌:1)一般来说,在模式I加载下,纤维被相对平坦的河谷隔开,并且观察到“河流标记”,这被认为与基体的塑性行为相关;2)随着温度的降低,这些标记逐渐让位于基体的脆性变形;3)而随着温度的升高,基体本身变形的加剧以及粘附在纤维上的树脂的数量都表明基体韧性的增加。

 

3. 断面分析得到的微观形貌图片


Coronado P, Viña J, Argüelles A, Sánchez S. Fractographic Analysis of the Temperature Influence in the Mode I Fatigue Delamination of Carbon/Epoxy Composites. Proceeding 2018; 2(3): 1477.


4.Experiments on ice ball impacting onto a rigid target

冰球撞击刚性靶板的试验研究

翻译:陈小鹏

作为冰撞问题的研究基础,刚性靶板的冰撞问题一般能获得同条件下的最严峻响应。围绕冰球撞击刚性靶板的响应特征,该文的主要工作和结论如下:(1)基于准静态压缩,开展了巴西圆盘试验,确定了-10℃和-30℃条件下成型的冰的拉伸强度;(2)基于Hopkinson杆试验系统,开展了不同成型温度(-10℃和-30℃)、不同速度(13 m/s105 m/s)、不同直径(50.8 mm44.5 mm38.1 mm31.8 mm)的冰球直接撞击刚性靶板试验,如图4a)和图4b)所示,对于撞击力峰值,其随速度和直径递增,且-30℃下成型的冰球将产生较高的撞击力峰值,对于到达峰值的时间,其试验分散性较大,整体上随速度和直径递增,且-10℃下成型的冰球将需要较长的到达峰值时间;(3)对撞击力峰值和到达峰值的时间进行了量纲分析,形成了双对数形式的经验公式。该文的主要创新点在于将冰的拉伸强度引入到经验公式中,拉伸强度能够在一定程度上反映成型温度和微观结构的影响,因此所形成的经验公式能够覆盖不同成型温度的冰球撞击响应,如图4c)和图4d)对比所示。

4.a)基于Hopkinson杆的冰球撞击刚性靶板试验示意图(b冰球撞击刚性靶板杆测应变-时间响应曲线示意图;(c冰球撞击刚性靶板撞击力峰值无量纲化经验公式示意图(不考虑拉伸强度/成型温度的影响);(d)冰球撞击刚性靶板撞击力峰值无量纲化经验公式示意图(考虑拉伸强度/成型温度的影响)


[1] Chen S, Gad E, Zhang L, Lam N, Xu S, Lu G. Experiments on an ice ball impacting onto a rigid target. Int J Impact Eng 2022; 167:104281.


5.Computational micromechanics of the transverse and shear behavior of unidirectional fiber reinforced polymers including environmental effects

考虑环境效应的单向复合材料横向和剪切行为微观数值模型研究

翻译:顾佳辉

在航空航天工业领域,复合材料在不同载荷形式作用下的性能以及湿热环境的影响评估需要耗费大量的试验成本和时间周期,而有效的数值仿真模型可以极大提高选材和实验效率。该文建立了高精度的单向复合材料微观有限元模型,实现了对于不同载荷形式下的失效包络线预测并对比室温干燥环境和70℃-85%湿热环境。通过原位纳米压痕试验,分别获取了室温干燥和湿热环境下微观纤维/基体界面和基体塑性行为的本构参数作为模型材料参数输入。该模型采用RSA算法生成纤维随机分布,施加周期性边界条件和相应载荷后,再现了试验观察到的应力应变响应和失效机制。结果表明在湿热条件下由于纤维基体间的摩擦系数的减小导致首先发生界面失效,使得横向应力和面内剪切联合加载下失效包络线范围明显减小。而通过参数化分析发现,纤维基体间的摩擦系数增大会使得界面失效向基体屈服过渡,导致对包络线以及剪切硬化现象都有明显的正面效应。此外,基体内摩擦角与基体力学行为相关,通过参数化对比发现,其低于29°时对于失效包络线影响显著,高于29°则无明显影响。该文对于复合材料多尺度仿真方法和虚拟测试研究提供了新的思路。

5.aRVE受载形式:横向拉伸(1)、横向压缩(2)、面内剪切(3)、面外剪切(4);(b)不同环境条件下AS4/8552复合材料的横向应力和面内剪切联合加载下失效包络线;(c纤维和基体摩擦系数对AS4/8552复合材料横向应力和面内剪切联合加载下失效包络线的影响;(d)基体内摩擦角对AS4/8552复合材料横向应力和面内剪切联合加载下失效包络线的影响。


Naya F, C González, Lopes C S, Van der Veen S, Pons F. Computational micromechanics of the transverse and shear behavior of unidirectional fiber reinforced polymers including environmental effects. Composites Part A 2017; 92:146-157.


6. Bending analysis of laminated plates using a refined shear deformation theory

一种预测层合板弯曲的改进的剪切变形理论

翻译:张寅枭

基于基尔霍夫假设的经典层合板理论在预测薄板时具有足够的精度,但是其在预测厚层合板时存在较大的误差。本文提出了一种改进的模型,可以有效地预测厚层合板的响应。首先,将复合材料层合板中各层的面内位移视为沿厚度方向线性分布,并忽略靶板挠度沿厚度方向的变化。之后,根据各层的位移场,可以求解出应变场的分布。根据横向剪应力在层间的连续性,假设任意两层的横向剪应变之间均为线性关系,因此可以将各层的横向剪应变表示为最上层的两个横向剪应变的线性组合,并代入位移场的表达式中,求解出线性系数。从而将整个位移场通过五个未知量表示。根据位移场与广义应力场,求解出靶板的应变能,通过最小应变能原理求解出靶板的广义应力平衡方程。最后,根据边界条件,对位移的分布进行假设,并代回平衡方程中进行求解。使用该模型对四周简支双层厚板(如图6a))进行了预测,通过将预测结果与其他理论模型预测结果对比,证明该模型具有足够的精度。使用该模型对不同长厚比的靶板的中心等效挠度与等效力矩进行预测,结果如图6b)所示。

6.a)靶板示意图;(b)理论模型预测中心等效挠度与等效力矩随长厚比变化示意图; 


Ji-Fan He, Mon Chou, Xiang Zhang. Bending analysis of laminated plates using a refined shear deformation theory. Compos Struc. 24(1993) 125-138.



7.Delamination analysis of 3D-printed nylon reinforced with continuous carbon fibers 3D

基于3D打印的连续碳纤维增强尼龙的分层分析

翻译:党志龙

由于3D打印材料界面结合的不稳定性,本文基于连续碳纤维增强的尼龙3D打印试样进行了I型双悬臂梁DCBII型端部加载劈裂ELS)实验。在DCB实验中观测到了明显的纤维桥接现象,采用标准中提出的解析方法和数值模型对试样的断裂韧性进行了计算。结果表明,DCB测试中过度的纤维桥接导致实验和数值模拟在裂纹扩展区域有显著的误差,而ELS测试结果均在可接受的误差范围内。为考虑数据的不确定性,基于PCEpolynomial chaos expansion)技术进行高精度的不确定性量化建模,除纤维桥接的影响外,随机模型结果与实验结果的吻合证明了使用随机技术与线性断裂力学相结合进行3D打印复合材料的分层分析的可行性。

7. 随机解析和数值模型的平均值和标准偏差的载荷与位移曲线与DCB测试的实验数据的比较


Epa B , Aka B , Dvh A , et al. Delamination analysis of 3D-printed nylon reinforced with continuous carbon fibers. Addit. Manuf., 2021:102144.



8. Effective properties of 0–3, 1–3, and 2–2 composites based on unified unit-cell micromechanics model

基于统一单胞微观力学模型的0–3、1–3和2–2复合材料的有效性能

翻译:魏海涛

本文提出了一种细观力学方法,用于预测不同复合材料的有效弹性常数,文中0-3复合材料指代颗粒增强复合材料,1-3复合材料指代单向复合材料,2-2复合材料指代层合板。分析时,一个代表性的体积元素可以被识别为一个单胞,该单元又被唯一地划分为四个子单元。与现有的基于单元的微观力学模型相比,这种新的单元结构通过使用最小数量的子单元,实现了0–3、1–3和2–2复合材料的并行建模。有效性质由浓度因子张量表示,浓度因子张量通过基于单位细胞及其子细胞之间连续性条件的微观力学关系确定。该公式保留了对有效性质的明确预测。给出了颗粒、纤维和层压复合材料的数值结果,以证明所提出的模型与Mori-Tanaka模型的相似性,并根据0-3复合材料的现有实验数据对模型进行了比较

 

8.  0–3a)和1–3

b)复合材料的统一单元模型

         

Chien-hong Lin, Effective properties of 0–3, 1–3, and 2–2 composites based on unified unit-cell micromechanics model, Mechanics Research Communications, Volume 119,2022,103807,ISSN 0093-6413



9.Experiments on an ice ball impacting onto a rigid target

关于冰球冲击刚性靶板的试验研究

翻译:夏荣柱

本文研究了冰球撞击刚性目标时产生的峰值力和峰值时间。冰块的直径从31.8mm50.8mm,分别在-10-30摄氏度的温度下制备。本文中共进行了149冰球冲击铝杆试验,其中冲击速度从13105/秒不等,同时进行巴西圆盘试验来获取冰在不同温度下的抗拉强度。试验结果表明,随着冰的尺寸和冲击速度的增加,冲击力峰值显著增加,峰值时间仅略有增加;温度降低导致峰值力升高,峰值时间降低;冰的抗拉强度随着温度的降低而升高。采用量纲分析法对试验数据进行处理,推导了冲击速度、试样半径、冰的抗拉强度、冰的密度和冰的弹性波速的函数关系,同时也研究了测量的冲量与冲击产生的动量之比,发现其值0.81.12的范围内。本文所得的经验关系式和试验数据将为进一步研究冰球撞击时的结构响应提供指导。

 

图9. (a) 冲击试验的试验设备;图(b) 巴西试验的准静态压缩图以及试验后的试样的典型破坏形貌;(c) 直径为50.8毫米的冰球以不同的速度撞击而产生的冲击力历程图;图(d) 直径为50.8 mm冰球以68.5 m/s的速度撞击破碎过程。


Chen SY, Gad E, Zhang LH, et al. Experiments on an ice ball impacting onto a rigid target, Int J Impact Eng, Volume 167, 2022, 104281,





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