教学课程资源库 更多>>

关键词： 数字图像相关法   力学性能测试   图像插值   初值估计   单轴拉伸实验  

摘要： 数字图像相关法自从被提出以来,凭借其对实验环境要求较低、能够实现非接触测量、位移应变全场测量等优点,受到国内外学者的重视与深入研究并在一些特定场景取得了成功应用,特别是对现有材料力学性能测试方法的补充和完善。本文探讨了数字图像相关法中的关键问题,建立了一整套位移应变计算程序,开发了相应的实验装置并对业界使用广泛的两种材料开展测试实验。文章的具体研究工作如下: (1)介绍了数字图像相关法的基本原理和形变数学模型,研究了相关系数函数、像素定位算法及应变求解方法以确定算法的整体结构框架。搭建了相应的实验装置并说明了图像畸变矫正的方法。 (2)为提高数字图像相关法的计算精度与计算稳定性,对其中的关键问题展开研究。比较了三种常用的插值方案对不同亚像素位移的计算误差,结果表明双三次样条插值的均值误差小、离散程度低;研究了利用遗传算法进行初值估计的方法,从多个方面证明了该方法准确有效,并能降低亚像素搜索过程的迭代次数;对比分析了两种图像匹配策略,选择增量参考方法能保证相关系数的一致性。 (3)开展了模拟散斑实验与常温平移实验用于测试本文所实现的DIC计算程序,通过模拟散斑实验得到算法程序的位移分辨率为0.01pixel;在可测量变形的范围内,位移最大均值误差不超过2%,应变最大均值误差不超过5%。常温平移实验计算结果的最大相对误差仅为1.79%,表明DIC算法程序计算精度高。 (4)对铝合金6061和ABS板材进行拉伸试验,利用最小二乘线性拟合的方法求解得到铝合金6061的弹性模量和泊松比分别为71.44GPa、0.307,与标准值的相对误差分别为3.69%、6.97%。采用同样的方法测量得到ABS板材的弹性模量与泊松比分别为2.6GPa、0.387,同时得到ABS板材在弹性变形阶段和塑性屈服阶段的应力-应变曲线。实验结果证明本文的DIC计算程序及实验装置能够实现材料力学性能参数的准确测量,并表明数字图像相关法运用于材料力学性能测试中的可行性与优越性。

关键词： 助力发射   吸能装置   拉胀超材料   力学特性   冲击动力学   多目标优化  

摘要： 现代战争对火箭武器的威力和射程的要求更高,助力发射火箭武器应运而生,然而助力发射火箭武器在弹射过程中往往会受到较大的冲击,若放任这巨大的冲击能量作用,会对火箭武器系统产生极大损伤,影响发射安全性,因此需要一种可以承担并消耗这巨大冲击能量的缓冲吸能装置。近年来新结构/材料技术发展迅速,具有特殊力学特性的超材料悄然兴起,其中拉胀超材料往往展现出违反直觉的力学行为:受压时横向收缩,受拉使横向膨胀,具有优异的吸能特性,十分适合用作助力发射火箭武器的缓冲吸能结构。 本文基于十字交叉反手性(Criss-cross Anti-chiral,CAC)拉胀结构,用椭圆弧胞壁代替倾斜胞壁,构造出一种新型椭圆交叉反手性(Elliptical-cross Anti-chiral,EAC)拉胀结构,研究了EAC拉胀结构的等效弹性力学特性,准静态条件下的变形模式、抗压强度、泊松比及吸能特性,动态冲击条件下的变形机理、抗冲击强度以及吸能特性,应用EAC拉胀结构设计了适用于助力发射火箭武器系统的缓冲吸能装置,并开展多目标优化设计,以提高其耐撞性,在火箭武器发射过程中更好地保护发射系统,提高发射安全性。 本学位论文的主要工作和研究成果主要包括以下几个方面: (1)研究了CAC和EAC拉胀结构小变形弹性力学特性。在忽略边界效应的基础上,分别基于力常数法和叠加原理,建立了CAC拉胀结构和EAC拉胀结构的等效弹性力学特性理论模型,通过有限元仿真和实验方法验证了理论模型的准确性。结合理论、仿真和实验模型,研究了CAC与EAC拉胀结构的相对密度、相对等效弹性模量、等效泊松比随半轴长度比及厚度半轴长比的变化规律。 (2)研究了EAC拉胀结构大变形塑性力学特性。采用数值仿真的方法分析了在准静态压缩条件下,不同微结构参数对EAC拉胀结构的变形模式、力学特性和吸能能力的影响。根据EAC拉胀结构在准静态压缩条件下的变形机理,基于能量守恒定律和塑性铰理论模型,建立了EAC拉胀结构的大变形塑性力学特性的理论模型,该模型表明EAC拉胀结构的抗压强度仅与基体材料和结构参数相关,并采用实验的方法验证了理论模型和数值模型的准确性。此外针对EAC拉胀结构阶段性变形机理,提出了一个可定量评价EAC拉胀结构在准静态压缩下吸能特性的指标。 (3)研究了在面内不同冲击速度下,EAC拉胀结构的动态冲击力学特性,包括变形模式,抗冲击强度和吸能能力。通过数值计算分析,将EAC拉胀结构的变形模划分为刚度主导模式、过渡模式以及惯性主导模式,分别对应低速冲击、中速冲击和高速冲击,并基于临界速度区域划分方法推导出区分不同变形模式的两个临界速度的半经验公式,得到划分这几个变形模式的临界速度主要由半轴长度比决定,与数值计算结果吻合较好。同时基于系统的数值分析,推导出EAC拉胀结构抗冲击强度的经验公式,其抗冲击强度与结构相对密度和冲击速度关系紧密。 (4)研究了EAC拉胀结构的多尺度静态和动态力学特性。提出了针对EAC拉胀结构的三种多尺度设计方法:层级设计、堆砌设计和梯度设计,建立了EAC拉胀结构多尺度数值模型,并通过实验的方法验证了数值模型的准确性。分析了多尺度参数对EAC拉胀结构相对等效弹性模量、等效泊松比、变形模式和抗冲击强度的影响,结果表明:EAC拉胀结构的相对等效弹性模量和抗冲击强度随层级和堆砌阶次的增大而逐渐增大并收敛,较低的堆砌阶次会导致拉胀结构发生横向弯曲,大大降低结构强度,梯度设计的EAC拉胀结构变形次序总是由弱至强,且有助于提高结构相对等效弹性模量和压缩后期抗冲击强度。 (5)提出了一种基于EAC拉胀结构的助力发射火箭武器的缓冲吸能装置。通过数值方法分析了电磁助力发射火箭武器系统自由弹射状态下关键部位的强度,发现电磁反力会造成结构破坏,需要耗散一部分冲击力来提高发射安全性。建立了EAC拉胀结构的响应面代理模型,通过第二非支配排序遗传算法对助力发射火箭武器缓冲吸能装置进行多目标优化,在保证初始峰值撞击力满足要求的情况下,大幅提高吸能装置的比吸能和平均撞击力水平,降低火箭武器发射系统自身受力和能量耗散,提高发射安全性。 综上所述,本文研究结果对于拉胀力学超材料设计及其在助力发射火箭武器中缓冲吸能装置的应用具有重要的理论意义和工程应用价值。

关键词： 复合材料层合板   磁引导   颗粒增韧   层间剪切   断裂韧性  

摘要： 碳纤维复合材料由于其轻质高强的特性,被广泛应用于各个领域,但由于传统层合板层间性能较差这一缺点,导致其无法完全替代传统材料。本文针对层合型复合材料层间性能较差、且容易分层进而造成复合材料承载能力下降这一缺陷,设计了一种新型磁引导不锈钢颗粒增韧方法。该方法是利用马氏体不锈钢的强磁性,使该材质的圆柱体颗粒能够在磁场引导下沿特定方向排布,从而制备出颗粒在层间统一沿厚度方向排布的增韧材料。 通过试验方法、理论分析方法和有限元方法,研究了不同颗粒密度下,磁引导颗粒增韧方法对材料层间剪切强度、层间I/II型断裂韧性以及面内拉伸性能的影响。结果表明,在不降低材料面内性能的前提下,磁引导不锈钢颗粒增韧方法能够提升材料的层间剪切强度以及层间I/II型断裂韧性,且其性能提升效果明显强于随机颗粒增韧。其中,层间剪切强度最大提升率达到20.39%,且还有提升的趋势;I型断裂韧性最大提升率为81.88%,II型断裂韧性最大提升率达到87.72%。 此外,分别对层间包含了深埋型、表面型以及横向贯穿型分层裂纹的复合材料的剩余压缩性能进行了测试与分析。研究发现,对于包含深埋型分层的材料而言,提高其层间I型断裂韧性能够最有效地提高材料剩余压缩强度;对于包含表面型分层的材料则是提升其II型断裂韧性起到的强度提升作用更明显;而对包含横向贯穿型裂纹的试样,提高层间断裂韧性无法对其压缩强度起到明显的提升作用。说明,满足一定条件的初始分层在压缩时会发生第二次扩展,分层扩大从而导致压缩强度进一步降低,此时提升材料层间断裂韧性可以阻碍分层的扩展进而起到提升强度的作用。

关键词： 微生物水泥基材料   矿化沉积作用   微观分析   力学性能   耐久性  

摘要： 土木工程材料是土木工程基础设施建设的物质基础，需要足够坚固耐用。而微生物可以进行生物矿化，诱导产生碳酸钙，加强和改善胶凝材料的性能。本研究从混凝土中提取到一株耐碱脲酶微生物——蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus），系统研究了该微生物掺入后对水泥净浆、砂浆、混凝土材料性能的影响，并分析了微生物对水泥基材料的作用机理。研究的主要内容如下：　　（1）在锥形瓶中模拟了微生物的生物矿化作用，对生物矿化产物进行检测分析。结果表明：该生物矿化产物为碳酸钙。模拟了微生物在碱性环境中存活性，发现微生物在pH为12.8的模拟水泥基材料孔隙溶液中可以存活。　　（2）研究了微生物掺量对微生物水泥净浆力学性能的影响，结果表明：OD值为1时，相较于空白对照组，28天抗压强度提高了13.7%，28天抗折强度提高了23.5%。尿素和乳酸钙共掺对微生物水泥净浆力学性能具有积极影响，最优掺量为：尿素掺量为0.3mol/L、乳酸钙掺量为0.075mol/L。　　（3）通过微观手段分析了微生物对水泥净浆的作用机理。首先通过水化热测试，发现微生物水泥净浆与复掺尿素和乳酸钙组微生物水泥净浆，水泥的早期水化均被促进， 72小时水化放热量增多，并且3d红外光谱分析结果与水化热表现出一致性。然后通过流变测试，发现加入微生物及复掺尿素和乳酸钙，都会使水泥净浆的屈服应力和表观粘度增加。通过热重及XRD对28d水泥浆体行分析，发现掺入微生物后可增加碳酸钙及水化硅酸钙含量。　　（4）在掺入适量微生物后，砂浆及混凝土力学性能得到显著提高。当微生物悬浮液OD值为0.5，且复掺0.3mol/L尿素、0.075mol/L乳酸钙时，砂浆和混凝土的力学性能均为最优。砂浆28天抗压强度和抗折强度较空白对照组，分别提高了45.8%和36.8%;混凝土28天抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度较空白对照组，分别提高了32.2%， 24.3%，32.2%。通过透射光学显微镜观察，发现微生物可吸附在砂浆颗粒表面，存活情况良好。通过扫描电镜观察发现，微生物矿化作用明显，使得混凝土更为密实。　　（5）适量添加微生物后混凝土内部和表面均更密实，致使其吸水率和渗透高度均得以降低。OD值为0.5和1的微生物混凝土组吸水率最低，比空白组下降了27.8%;当微生物悬浮液OD值为0.5，且复掺0.3mol/L尿素、0.075mol/L乳酸钙时，混凝土的吸水率，略高于OD值为0.5的混凝土组，比空白组下降了22.2%。同时，此组混凝土渗水高度最低，比空白对照组降低了29mm。微生物悬浮液的表面张力低于水的表面张力，使得使用微生物悬浮液拌制的混凝土的收缩减少。

关键词： 芳纶纤维   三维编织复合材料   力学性能   纤维改性  

摘要： 芳纶纤维具有高模量、高强度和低密度等性能特点,因其优异的力学性能,其复合材料广泛应用于航空航天和军事防护等领域。三维编织复合材料具有高强度、高刚度和较强的能量吸收性能等优异性能,广泛应用于航空和轨道交通等行业。由于芳纶纤维表面光滑,缺少活性基团,限制了其复合材料的发展与应用。本文对芳纶纤维及其三维编织物进行表面改性处理,同时对环氧树脂进行改性,以提高三维编织复合材料力学性能,通过VARTM工艺制备了三维编织复合材料,探究了改性处理对三维编织复合材料力学性能的影响,并通过有限元模拟对实验结果进行了验证。 首先,采用邻苯二酚/邻苯三酚多胺对芳纶纤维及其三维编织物进行改性,探究了不同质量分数比的邻苯二酚/邻苯三酚多胺以及不同的反应温度对芳纶纤维表面性能和三维编织复合材料力学性能的影响。结果表明,邻苯二酚/邻苯三酚多胺改性后,纤维表面粗糙度增加,接触角减小,含氧基团增加,纤维强力提高,界面剪切强度提高。当AF-CAPG-Ⅱ-40℃时,力学性能显著提高,与未改性的相比,三维编织复合材料的弯曲模量提高了70%,剪切强度提高了55.7%,压缩模量提高了124%。 在第一步纤维改性方案的基础上进行环氧树脂改性,利用ANF/G(芳纶纳米纤维/石墨烯)改性环氧树脂,采用AF-CAPG-Ⅱ-40℃改性三维编织物,探究不同质量分数的ANF/G对复合材料力学性能的影响。结果表明,当ANF/G质量分数为0.7 wt%时,与AF-CAPG-Ⅱ-40℃相比,改性后三维复合材料的弯曲模量、剪切强度和压缩模量分别提高了15.3%、23.3%和25.7%。 综合以上实验结果,采用改性芳纶纤维和改性环氧树脂结合的方式,三维编织复合材料的力学性能提高显著,与未改性的相比,三维编织复合材料的弯曲模量提高了85.3%,剪切强度提高了79%,压缩模量提高了149.7%。 最后,采用CATIA软件创建三维四向编织模型,用有限元软件ABAQUS分析模拟了三维四向编织复合材料的弯曲性能。通过对比实验测试结果与模拟结果,发现模拟结果误差为7.52%,小于10%,证明了该模型的准确性,为三维编织复合材料弯曲性能的进一步研究做了铺垫。

关键词： 微波加热   温度控制   模糊PID   加热系统  

摘要： 微波加热凭借着加热高效以及加热均匀等优势,被众多工程领域所使用。同时由于国内外对材料测试等相关研究的持续深入,研究人员对材料力学性能测量装置有了更高的要求,即在对材料进行力学性能测试的同时可以对测试温度进行控制,以获得更贴近应用场景的材料力学性能数据。因此本文设计开发了一种微波加热温度控制系统,使用模糊PID算法来对加热系统的加热温度进行控制。该加热系统可以与实验室已有材料力学性能测量装置联合使用,实现材料的热力耦合加载,最后通过相关测试实验验证了该微波加热系统设计的可行性。本文主要研究工作如下: 首先对该微波加热系统进行了相关硬件设计,确定了微波加热系统的总体结构和加热系统主控制器的选型,构建了以红外测温技术为基础的温度测量方案,同时对微波加热系统的相关硬件电路进行了设计。本文还对微波加热系统的机械结构进行了设计,分别确定了微波加热谐振腔和微波传输系统的结构尺寸,完成了微波发生装置的选型,并对微波加热系统进行了三维建模。 其次针对微波加热系统的软件程序进行了设计,使用Free RTOS操作系统作为本文微波加热系统的软件操作系统,完成了微波加热系统其他子程序模块的程序设计。通过对微波加热系统的软件设计,本文微波加热系统可实现多种加热功能,以满足测试实验的不同加热需求。本文利用Qt开发框架开发了温度信息监控平台上位机,用于实时监控加热系统的加热进程,并对获得的温度数据进行存储和分析。 然后对微波加热系统相关温度控制算法展开了研究,就传统PID、模糊PID以及BP神经网络PID算法分别进行了探讨,并进行了仿真分析。结果表明,针对本文所搭建的仿真系统和控制对象,模糊PID算法的控制效果最好,BP神经网络PID算法其次,传统PID算法的控制效果最差,验证了本文温控算法选择的合理性,为微波加热系统温控算法的选取提供了参考。 最后结合对微波加热系统的软硬件设计数据,搭建了微波加热系统实验平台,通过加热测试实验对加热系统的相关加热功能分别进行了测试。测试实验结果表明,所设计的微波加热系统可以正常实现所要求的加热功能,具有较好的控温精度和控制品质,符合预期设计要求。

关键词： 车轮多边形磨耗   轴重   磨耗损伤   硬度   本构关系  

摘要： 轨道交通包括轻轨、地铁、高铁和重载铁路等,不同类型列车车轮均有多边形磨耗问题产生。车轮多边形磨耗会引起车辆和轨道之间的强烈振动,导致车辆―轨道零部件疲劳断裂,严重影响列车运行的安全性和舒适性。近年来,对车轮多边形产生与发展的研究成为热点,而过去关于车轮多边形的研究多集中在从振动和摩擦磨损的角度认识车轮多边形的产生,对车轮多边形产生过程中车轮材料的演变和损伤规律,特别是车轮材料在多边形磨耗波峰波谷处材料非均匀变化的研究较少。列车轴重覆盖范围广,对不同轴重列车车轮多边形磨耗形成过程认识不深入,以及对不同轴重多边形车轮材料力学性能认识的缺乏,一定程度制约了对车轮多边形产生及发展的全面深入认识和数值模拟的准确性。 本文利用轮轨周期性摩擦磨损实验台获得了不同轴重下多边形磨耗车轮试样,对不同轴重下多边形磨耗波形发展、波峰波谷位置的表层材料磨耗损伤形式及力学性能展开研究,主要工作和结论如下: (1)通过对不同轴重下多边形磨耗波长及波深发展的测量,发现轴重的增加加快了多边形磨耗的发展进程。在车轮多边形磨耗发展后期,频率相对较低的实验台固有频率更容易被激发,多边形磨耗中较长的波长逐渐发展为主波长。多边形磨耗发展由缓慢到快速并最终进入稳定发展阶段。 (2)利用不同的表征方式对多边形磨耗宏微观形貌进行观察,试样滚动到12万转时,随轴重的增加,波谷的磨损形式由轻微疲劳发展到严重疲劳磨损,波峰的磨损形式由黏着发展到严重疲劳磨损,在有黏着块和破碎块的位置发生了严重的氧化磨损现象。随着轴重增加,裂纹与表面所呈夹角范围增大,裂纹形式复杂,剥落坑明显,剧烈变形层、严重变形层及平缓变形层的范围也随之增加。在相同轴重下,波谷的疲劳裂纹现象及变形层厚度要比波峰严重。多边形磨耗波峰波谷表面前期、中期、后期的周向残余应力值基本一致,均为压应力,且波峰的压应力均值比波谷大7%。 (3)对多边形车轮磨耗表层材料进行纳米压痕技术测试,并结合Oliver-Pharr方法得到其硬度和弹性模量。多边形磨耗车轮波谷剧烈变形层的材料弹性模量和硬度随着轴重的增加而增加,波峰处剧烈变形层的材料弹性模量和硬度在16 t时不再随着轴重的增加而发生显著变化,同一轴重下,波谷的值均大于波峰。在21 t轴重下,多边形磨耗车轮波峰波谷表层材料弹性模量和硬度随着层深的增加而减小,且同一层深下,波谷处材料的弹性模量和硬度均比波峰大。波谷剧烈变形层的弹性模量和硬度比基体高15%和107%。 (4)采用有限元结合量纲函数的反演分析法,得到材料的本构关系。多边形磨耗车轮试样波谷剧烈变形层的材料屈服应力和抵抗弹塑性变形能力随着轴重的增加而增加,而波峰处在16 t时不再随轴重的增加而发生显著变化。在21 t轴重下,多边形磨耗车轮波峰波谷表层材料抵抗弹塑性变形的能力随着层深的增加而增加。屈服应力随着层深的增加而减小,且同一层深下,波谷处材料的屈服应力均比波峰大。波谷剧烈变形层的屈服应力比基体增加160%。

关键词： 分子动力学   黑磷   力学性能   摩擦学性能   应变工程  

摘要： 二维材料因其优异的力学、电学、光学等物理化学性质在医疗、新能源、航空航天、环境保护等多个领域得到应用。黑磷是一种具有褶皱结构的新型二维层状材料,研究表明,其具有异于其他二维材料的力学性质和润滑特性。但目前对其力学和层间摩擦行为的调控研究相对较少。了解二维材料的力学及摩擦学性能是实现应力调控、发展柔性电子器件的基础,也影响着器件的使用寿命和可靠性。本文采用了分子动力学模拟的方法探究了二维层状材料黑磷各个方向的力学性能,对比研究了黑磷力学性能的各向异性与影响因素。在研究了力学性能的基础上,进一步探究了层间摩擦的各向异性,以及施加载荷对层间滑动摩擦的影响,并提出了黑磷摩擦行为的应变调控方法。主要得出以下结论: (1)单层黑磷不同方向的力学性能具有各向异性,从0°(Armchair方向)到90°(Zigzag方向)呈单调变化,极限应力由3.934 GPa增加到7.811 GPa,强度增加了98.55%,但在Zigzag方向表现的更脆;温度对单层黑磷具有显著的弱化作用,当温度从1 K上升到400 K,45°方向的强度降低最显著,极限应力由7.034 GPa下降到2.458GPa,降低了65.06%,且温度升高减弱了单层黑磷的力学性能各向异性; (2)黑磷片层的层间摩擦行为具有各向异性,当滑片沿基底表面45°方向滑动时,不同载荷下均具有最小摩擦力与摩擦系数,且沿Armchair方向和Zigzag方向滑动时具有明显的粘滑特征,但其他方向的粘滑特征不明显;增大载荷会导致层间摩擦力和摩擦能耗的增加,沿Armchair方向滑动时,法向载荷从0.1 GPa增加到2.0 GPa,会导致层间平均摩擦力由216.12 n N增加到383.15 n N,发生77.29%的增幅,但摩擦系数从0.44降低到0.24,降低了45.45%; (3)黑磷片层的面内应变对层间摩擦润滑具有调控作用,基底在ε=0.00到ε=0.06的应变范围内,黑磷层间的平均摩擦力由11.17 n N降低为0.58 n N,降低了94.81%,而摩擦系数则由0.131降低到了0.008的超润滑状态;增加法向载荷对应变调控摩擦性能具有不利影响,载荷从0.1 GPa增加到2.0 GPa,会导致层间摩擦力与摩擦系数的调控作用显著降低。 本文以黑磷材料的力学性能与层间摩擦行为的探究为基础,通过两者的耦合作用实现了二维黑磷片层的摩擦调控,为通过应变工程高效调控黑磷的潜在性能提供参考。

关键词： 温度作用   玄武岩纤维网格   纤维复合水泥基材料   配网率   微观结构  

摘要： 玄武岩编织网-纤维复合水泥基材料(Basalt fabric reinforced polymer-fiber reinforced cementitious matrix,简称BFRP-FRCM)具有耐腐蚀、轻质高强、耐疲劳等特性,被广泛应用于各类结构加固中,其温度作用后的力学性能开始引起国内外学者的广泛关注。高温作用对于玄武岩纤维影响较小,但对于聚乙烯醇纤维(PVA)有一定影响,因此针对BFRP-FRCM复合层的温度作用机理有待进一步深入研究。本文以玄武岩纤维网格增强纤维复合水泥基材料(BFRP-FRCM)复合层为研究对象,通过室内试验、理论研究等方法探究不同目标温度和配网率对BFRP-FRCM复合层单轴拉伸力学性能和整体弯曲力学性能的影响规律,根据试验数据建立了温度-强度关系式。结合SEM扫描电镜试验,探究复合层在不同目标温度下的微观形貌,建立了微观-宏观反应之间的关系,以解释试件宏观力学性能的变化。主要研究内容与结论如下:(1)设计制作共160个不同配网率的单掺PVA纤维BFRP-FRCM复合层试件。开展不同目标温度(20℃、200℃、400℃、600℃)的加温试验,探究各组试件的外观形貌和质量损失随温度的变化规律。研究表明:随着温度的升高,试件颜色逐渐加深再变浅,表面劣化逐渐严重并出现沿网格方向的裂缝且质量损失率逐渐提高。(2)对加温试验后的BFRP-FRCM复合层开展单轴拉伸力学试验,探究配网率及目标温度对复合层拉伸性能的影响。研究表明:同一温度作用下,随着配网率的提高,复合层拉伸力学性能得到改善。高温作用后复合层拉伸力学性能的衰减并未因配网率的变化而减缓。(3)对加温试验后的BFRP-FRCM复合层开展四点弯曲力学试验,探究配网率及目标温度对复合层整体弯曲力学性能的影响规律,包括荷载-位移曲线、抗弯强度、最大跨中挠度、抗弯刚度、弯曲韧性系数等指标。研究表明:同一温度作用下,随着配网率的提高,复合层整体弯曲力学性能得到改善。复合层在高温作用后的整体弯曲力学性能衰减并未因配网率的变化而减缓。(4)针对BFRP-FRCM复合层,开展扫描电镜试验,探究不同目标温度作用后试件的微观形貌变化,并阐述了微观结构变化与宏观力学性能的联系。研究表明:常温和200℃时,BFRP-FRCM复合层内部结构密实,水化生成物排列整齐,PVA纤维、玄武岩纤维网格、基材三者粘结性较好,复合层力学性能有所提高;400℃时,基材密实度大幅降低,结构疏松,PVA纤维已完全熔解,其残留孔道降低了复合层高温爆裂概率,此时玄武岩纤维网格轻微脱粘,导致复合层力学性能降低;600℃时,玄武岩纤维网格已严重脱粘,导致BFRP-FRCM复合层力学性能急剧降低。

关键词： 三维机织间隔复合材料   力学性能   构效关系   有限元分析  

摘要： 三维机织间隔复合材料具有轻质，抗分层，高强耐压，隔热等优异的性能，被广泛应用于航空航天、交通等领域。现阶段对于三维机织间隔复合材料的研究主要集中在其隔热及电磁屏蔽性能，而对于结构设计与力学性能的对应关系研究尚待完善。因此三维机织间隔复合材料的构效关系成为研究热点。　　本文的主要研究内容包括:　　(1)设计织造了两种尺寸的矩形截面(R3、R5)和一种梯形截面(T3,5)的三维机织间隔织物，利用真空辅助树脂传递模塑工艺固化成型，得到了三种不同结构的三维机织间隔复合材料。　　(2)测试了不同结构的三维机织间隔复合材料的三点弯曲和压缩性能，探究了不同织物组织结构对复合材料力学性能的影响规律。　　(3)建立了不同结构三维机织间隔复合材料的全尺寸细观结构模型。结合显示求解器ABAQUS/Explicit,模拟了其三点弯曲和压缩过程，与实验结果相互印证，并揭示其失效机理。　　论文主要结论:　　(1)在三点弯曲测试中，矩形截面三维机织间隔复合材料的芯柱间距越小，其弯曲强度越高;正梯形结构复合材料弯曲强度最高，优于两种矩形结构，而倒梯形结构的弯曲强度最低。　　(2)在压缩测试中，芯柱为其主要承力结构，矩形截面三维机织间隔复合材料的芯柱间距越小，其压缩强度越高;两种矩形结构复合材料的压缩强度均高于梯形。　　(3)三维机织间隔复合材料三点弯曲模拟结果与实验结果吻合较好，验证了模型的正确性。从模拟结果可以看出，三维机织间隔复合材料上面板为材料的主要承力结构。对于矩形结构，R3矩形复合材料的上面板承力面积大于R5矩形复合材料，故而三点弯曲强度优于R5矩形结构。对于正梯形结构，其上、下面板均有更大的承力面积，故而弯曲强度优于矩形结构;对于倒梯形结构，其下面板承力面积较小且较为分散,下面板经纱承力很小，故而弯曲强度不如矩形结构。当复合材料上面板断裂时，其下面板为材料的主要承力结构。　　(4)三维机织间隔复合材料压缩模拟结果与实验结果吻合较好，验证了模型的正确性。从模拟结果可以看出，三维机织间隔复合材料的芯柱结构为其主要承力结构。相同规格试样下,R3矩形复合材料比R5矩形复合材料承力芯柱多,故其压缩强度高。矩形结构三维机织间隔复合材料芯柱方向与压缩载荷方向一致，而梯形结构的芯柱方向与压缩载荷方向不一致，故梯形结构三维机织间隔复合材料压缩强度不如矩形结构。