亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        不同孔隙率碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料板的壓縮強度及其預(yù)測模型

        2021-06-30 01:38:48楊鵬飛樊俊鈴史俊偉
        機械工程材料 2021年6期
        關(guān)鍵詞:環(huán)氧樹脂碳纖維孔隙

        楊鵬飛,樊俊鈴,寧 寧,史俊偉

        (1.中國飛機強度研究所,西安 710065;2.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司,北京 101300)

        0 引 言

        樹脂基復(fù)合材料(以下簡稱復(fù)合材料)在飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用量較大[1],波音787飛機結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料的質(zhì)量達到全機總質(zhì)量的50%以上,空客A350飛機結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料的占比高達52%。在飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造過程中,固化溫度、壓力、時間等參數(shù)控制不合理會造成樹脂揮發(fā),使得樹脂未完全浸潤纖維,纖維中的空氣沒有完全排出,而產(chǎn)生孔隙。孔隙的產(chǎn)生會影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的拉伸、彎曲、層間剪切以及壓縮等性能。

        YOSHIDA等[2]研究表明,碳/環(huán)氧復(fù)合材料中的孔隙降低了層間剪切強度、拉伸強度以及壓縮強度。GüRDAL等[3]建立了AS4石墨/3501-6環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層間拉伸強度的指數(shù)型預(yù)測模型,研究了孔隙率對層間拉伸強度的影響。SUAREZ等[4]研究發(fā)現(xiàn),孔隙率為4%時,單向碳/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的壓縮強度較孔隙率為0的明顯下降。ALMEIDA等[5]在Mar-Lin方程的基礎(chǔ)上建立了衰減系數(shù)和彎曲強度的關(guān)系,得到F584碳纖維/環(huán)氧樹脂編織復(fù)合材料層壓板彎曲強度的預(yù)測模型。劉玲等[6]研究了孔隙率對T700碳纖維/TDE環(huán)氧樹脂復(fù)合材料拉伸、彎曲及層間剪切性能的影響。梁少旭[7]分析了孔隙率對T300碳纖維/BMP-316環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層壓板壓縮性能的影響。朱洪艷[8]采用GüRDAL等建立的模型預(yù)測了T300碳纖維/914環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的壓縮強度并進行了試驗驗證。程家林等[9]采用細觀力學(xué)方法研究了孔隙率對AS4石墨/3501環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板壓縮強度的影響。齊澤文等[10]基于雙尺度分析方法模擬了孔隙數(shù)量及其位置對三維四向纖維/環(huán)氧樹脂編織復(fù)合材料拉伸性能的影響,結(jié)果表明孔隙數(shù)量對復(fù)合材料拉伸性能的影響較大,孔隙位置對拉伸性能的影響不大。

        目前,通過試驗建立的含孔隙復(fù)合材料壓縮強度的理論預(yù)測模型還不夠完善和準確。作者對不同孔隙率IMA碳纖維增強M21環(huán)氧樹脂復(fù)合材料板進行了壓縮試驗,在前人研究的基礎(chǔ)上,對壓縮強度的指數(shù)型預(yù)測模型進行了改進,建立了更加精確的適用于該復(fù)合材料的壓縮強度預(yù)測理論模型,為實際工程應(yīng)用提供參考。

        1 試樣制備與試驗方法

        試驗材料為中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的IMA碳纖維增強M21環(huán)氧樹脂復(fù)合材料板,鋪層順序為[45/45/0/90/0/90]s,尺寸為300 mm×150 mm×2 mm,單向帶預(yù)浸料的力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

        表1 單向帶預(yù)浸料的力學(xué)性能參數(shù)

        基于反射法測量復(fù)合材料板的超聲衰減量,表達式為

        (1)

        式中:Vf為復(fù)合材料板單個點的上表面波幅;Vb為復(fù)合材料板單個點的背表面波幅;A為超聲衰減量。

        采用MUT-1型超聲檢測設(shè)備及5 MHz超聲檢測探頭獲得8塊復(fù)合材料板的上表面波幅和背表面波幅,每塊復(fù)合材料板測100個點取平均值。根據(jù)衰減量和孔隙率之間的關(guān)系[11]計算孔隙率,表達式為

        A=(1.38+1.08ν2)t+2.76

        (2)

        式中:ν為孔隙率;t為復(fù)合材料板的厚度。

        通過超聲檢測獲得各復(fù)合材料板的平均超聲衰減量分別為5.52,5.92,9.28,10.00,10.58,13.07,17.25,18.17 dB,計算得到復(fù)合材料板的平均孔隙率分別為0,0.43%,1.32%,1.44%,1.53%,1.87%,2.33%,2.42%。根據(jù)ASTM D6641,在不同孔隙率復(fù)合材料板上分別沿0°和90°纖維方向截取尺寸為140 mm×12 mm×2 mm的無缺口壓縮試樣,如圖1所示。在試樣正面和反面中心位置貼應(yīng)變片,以獲取試樣的應(yīng)變。將試樣安裝在夾具內(nèi),擰緊夾具螺栓,擰緊力矩為3 N·m。將夾具和試樣組合件放置在INSTRON 8801型壓縮試驗機的壓縮平臺上進行壓縮試驗,確保組合件的縱向軸線與試驗機的縱向軸線重合,如圖2所示,以1.3 mm·min-1的下壓速度對試樣進行壓縮,直到試樣破壞,記錄此時的應(yīng)變、位移和載荷。試驗溫度為(23±3) ℃,相對濕度為(50±10)%,每組試樣進行6次平行試驗。

        圖1 壓縮試樣尺寸Fig.1 Dimension of compression sample

        圖2 壓縮試樣放置位置示意Fig.2 Diagram of position of compression sample

        2 試驗結(jié)果與討論

        2.1 載荷-位移曲線

        由圖3可以看出:初始階段,載荷隨位移增大幾乎無變化,這是由于壓縮過程中壓頭還未完全接觸到試樣;孔隙率不大于1.87%時,試樣的最大載荷較孔隙率為0的變化不大,孔隙率為2.33%,2.42%時,試樣的最大載荷較孔隙率為0的明顯降低。

        圖3 不同孔隙率試樣沿0°纖維方向壓縮時的載荷-位移曲線Fig.3 Load-displacement curves of samples with different porosities in compression along 0° fiber direction

        2.2 壓縮強度

        壓縮強度的表達式為

        (3)

        式中:σ0為壓縮強度;Pmax為試樣破壞前的最大載荷;w為試樣實測寬度;t為試樣實測厚度。

        根據(jù)HB 7618—2013,對壓縮強度進行正則化處理,即將試樣的實測厚度修正為名義厚度得到正則化后的壓縮強度,表達式為

        (4)

        式中:σ為正則化后的壓縮強度,MPa;t為名義厚度。

        獲得正則化的壓縮強度后,計算其平均值、標準差和離散系數(shù)等統(tǒng)計特征量,表達式分別為

        (5)

        (6)

        (7)

        復(fù)合材料板的孔隙不均勻,在同一孔隙率復(fù)合材料板上截取壓縮試樣時,由于標準壓縮試樣的尺寸較小,存在壓縮試樣孔隙率與整塊板的平均孔隙率相差較大的問題,需采用最大賦范殘差法剔除與真實孔隙率相差較大的孔隙率對應(yīng)的壓縮強度數(shù)據(jù),最大賦范殘差的計算公式為

        (8)

        式中:MNR為最大賦范殘差。

        每塊復(fù)合材料板的壓縮試樣為6件,根據(jù)HB 7618—2013,取臨界值1.887,MNR值大于1.887時,剔除該壓縮強度數(shù)據(jù),同時根據(jù)HB 7618—2013,將壓縮強度的離散系數(shù)控制在10%以內(nèi),以保證數(shù)據(jù)的有效性,最終得到不同孔隙率試樣正則化后的壓縮強度平均值、標準差及離散系數(shù),如表3所示。

        由表2可以看出,孔隙率不大于1.87%時,壓縮強度較孔隙率為0的下降不明顯;孔隙率大于1.87%時,壓縮強度較孔隙率為0的明顯降低??紫堵蕿?~1.53%試樣的壓縮強度相差最大為79 MPa,推測這是制造工藝存在差異造成的,此時孔隙率對壓縮強度的影響不大;孔隙率達到1.87%及以上時,試樣的壓縮強度相差最大為297 MPa,此時孔隙率的增加是導(dǎo)致壓縮強度大幅下降的主要原因。

        表2 不同孔隙率試樣壓縮強度的統(tǒng)計特征量

        3 壓縮強度的預(yù)測模型

        孔隙率達到臨界值(1.87%)前,壓縮強度隨孔隙率的增大變化不大,達到臨界值后,壓縮強度迅速下降。壓縮強度隨孔隙率的變化趨勢和Logistic曲線模型相似,在該模型基礎(chǔ)上,作者提出了孔隙率和壓縮強度的非線性關(guān)系模型,表達式為

        (9)

        式中:σ0(0)為孔隙率為0時試樣的實測壓縮強度;σpre(ν)為孔隙率為ν時試樣的預(yù)測壓縮強度;a1和b為常數(shù),與材料有關(guān)。

        預(yù)測壓縮強度和孔隙率之間關(guān)系的經(jīng)典Gürdal模型的表達式為

        σpre(ν)=σ0(0)e-a2ν

        (10)

        式中:a2為與材料相關(guān)的常數(shù)。

        采用最小二乘法確定式(9)和式(10)中的參數(shù)a1,b,a2,通過使目標函數(shù)值達到最小,獲得各參數(shù)值,目標函數(shù)Q的表達式為

        (11)

        式中:Q為σpre(ν)與σ之間的均方差。

        采用MATLAB中nlinfit函數(shù)自帶的Levenberg-Marquardt算法確定目標函數(shù)的最小值,以孔隙率為輸入值,正則化后的壓縮強度為輸出值。對于Gürdal模型,擬合得到0°纖維方向時,a2=0.093 7,90°纖維方向時,a2=0.075 4。同理,獲得非線性模型中的a1,b參數(shù)值。隨著孔隙率增加,壓縮強度減小。為了保證孔隙率較大時,非線性模型預(yù)測得到的壓縮強度與實際相符,不會出現(xiàn)負值,需要增加一組孔隙率為10%的壓縮強度預(yù)測值。根據(jù)Gürdal模型預(yù)測孔隙率為10%時的壓縮強度,基于該預(yù)測壓縮強度,采用MATLAB編程,得到0°纖維方向時,a1=0.998 1,b=2.626 5,90°纖維方向時,a1=0.997 6,b=2.455 4。

        由圖4和圖5可以看出,與Gürdal模型相比,試驗數(shù)據(jù)點在非線性模型曲線附近的集中程度更高,說明非線性模型對壓縮強度預(yù)測的準確性更好。試驗結(jié)果與非線性模型曲線存在相差較大的數(shù)據(jù)點是由于制造的復(fù)合材料板孔隙不均勻,試樣的取樣部位不同,這些相差較大的數(shù)據(jù)點是該壓縮試樣孔隙率與整塊復(fù)合材料板平均孔隙率存在差距但在最大賦范殘差范圍內(nèi)對應(yīng)的壓縮強度,同時超聲衰減法測量計算得到的孔隙率存在一定的人為誤差,測量不夠準確,此時得到的壓縮強度與真實孔隙率對應(yīng)的壓縮強度也有差別,對擬合結(jié)果也會有一定的影響。

        圖4 沿0°纖維方向壓縮時不同孔隙率試樣的不同模型預(yù)測和實測壓縮強度Fig.4 Predicted by different models and measured compressive strength of sample with different porosities compressed along 0° fiber direction

        圖5 沿90°纖維方向壓縮時不同孔隙率試樣的不同模型預(yù)測和實測壓縮強度Fig.5 Predicted by different models and measured compressive strength of sample with different porosities compressed along 90° fiber direction

        通過決定系數(shù)對模型預(yù)測的準確性進行評價,決定系數(shù)的計算公式為

        (12)

        式中:R2為決定系數(shù)。

        R2的值位于0~1,越接近1,說明預(yù)測結(jié)果越準確,越接近0,說明預(yù)測結(jié)果的準確性越差。由表3可以看出,非線性關(guān)系模型的決定系數(shù)相比于Gürdal模型更接近1,說明在試驗復(fù)合材料板中,采用非線性關(guān)系模型預(yù)測的壓縮強度較Gürdal模型具有更高的準確性。

        表3 非線性模型和Gürdal模型的決定系數(shù)

        4 結(jié) 論

        (1) 孔隙率不大于1.87%時,IMA碳纖維增強M21環(huán)氧樹脂復(fù)合材料板的壓縮強度較孔隙率為0的變化較小,孔隙率對壓縮強度的影響較小,孔隙率大于1.87%時,復(fù)合材料板的壓縮強度較孔隙率為0的明顯降低,此時孔隙率對壓縮強度的影響較大。

        (2) 建立的孔隙率和壓縮強度的非線性關(guān)系模型的決定系數(shù)相比于Gürdal模型更接近于1,預(yù)測結(jié)果更準確。

        猜你喜歡
        環(huán)氧樹脂碳纖維孔隙
        二氧化碳在高嶺石孔隙中吸附的分子模擬
        一種碳纖維加固用浸漬膠的研究
        上海建材(2019年4期)2019-05-21 03:13:02
        HP-RTM碳纖維復(fù)合材料中通道加強板研究
        中間相瀝青基碳纖維及其在飛機上的應(yīng)用
        Preparation of bimodal grain size 7075 aviation aluminum alloys and the ir corrosion properties
        粉末涂料用環(huán)氧樹脂的合成研究
        上海建材(2017年2期)2017-07-21 14:02:10
        碳纖維增強PBT/ABS—g—MAH復(fù)合材料的力學(xué)性能和流變行為
        中國塑料(2016年6期)2016-06-27 06:34:16
        碳納米管陣列/環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能
        頁巖孔隙結(jié)構(gòu)研究進展
        可膨脹石墨對環(huán)氧樹脂的阻燃改性
        伊人精品久久久久中文字幕| 偷拍av一区二区三区| 国产在线不卡视频| 国产一区二区三区经典| 国产成人一区二区三区乱| 在线成人爽a毛片免费软件| 日韩AV不卡六区七区| 日本经典中文字幕人妻| 国产精品国产三级农村妇女| 国99精品无码一区二区三区| 18禁黄网站禁片免费观看女女| 无码专区久久综合久中文字幕| 无码专区亚洲avl| 99青青草视频在线观看| 亚洲最大水蜜桃在线观看| 欧美黑人性暴力猛交喷水黑人巨大| 国产日产精品久久久久久| 国产精品欧美视频另类专区| 丝袜美腿制服诱惑一区二区| 国产放荡对白视频在线观看| 五十路熟女一区二区三区| 中国老太老肥熟女视频| 亚洲第一网站免费视频| 西西大胆午夜人体视频| 国产成人精品午夜福利免费APP| 最新中文字幕乱码在线| 伊人久久大香线蕉av波多野结衣| 98久9在线 | 免费| 中文字幕有码在线视频| 黄色影院不卡一区二区| 性无码免费一区二区三区在线| 免费AV一区二区三区无码| 免费人成网站在线播放| 人人爽久久久噜人人看| 丰满五十六十老熟女hd| 视频一区视频二区亚洲免费观看| 国产成人一区二区三区乱| 无遮挡又爽又刺激的视频| 成人无码网www在线观看| 中文字幕乱码亚洲一区二区三区| 忘忧草社区www日本高清|