Glare纤维金属层合板的机械性能仿真分析及其实验验证

发布时间：2017-03-31 09:22

  本文关键词：Glare纤维金属层合板的机械性能仿真分析及其实验验证，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：纤维增强金属层合板是将纤维树脂层与金属板交替铺排,并在一定温度和压力下制备的先进复合材料,其能够将金属与纤维树脂复合材料的优点相结合,具有比强度高、耐疲劳、耐腐蚀等突出的特点。纤维增强金属层板作为一种新型的复合材料,其由纤维、树脂、金属板多种组分构成,改变纤维的的铺排角度、各组分的体积分数和种类、层板的铺排顺序等参数均会对层板的机械性能产生影响。纤维增强金属层板具有较强的设计性,通过系统地开展“纤维、树脂、金属板的种类、体积分数、铺排角度等参数与纤维增强金属层板性能的关系”研究,能够制备出具有优异性能的纤维增强金属层板,相关研究工作具有重要的理论与实际应用意义。本研究基于有限元仿真与纤维增强金属层板实验制备,通过改变纤维的铺排角度、组分的体积分数、组分的种类和混层纤维层板四个参数,开展层板的拉伸性能、弯曲性能、以及残余应力等机械性能的理论与实验研究,主要研究结果如下:(1)纤维的铺排角度:单向纤维增强金属层板测试结果表明纤维铺排角度在0°到45°之间,随着纤维铺排角度的增大其弹性模量、屈服强度和切线模量逐渐降低,层板冷却后的平均残余应力逐渐减小,最大残余应力逐渐增大。有限元模拟结果表明在FMLs3/2 0.2-0.5 S-Un层板系列,获得的最大弹性模量为68.25GPa,最大屈服强度为330.59Mpa,对应的牌号为FMLs 3/2 0.5 0/0 S-Un;最大切线模量为16.57GPa,对应的牌号为FMLs 3/2 0.2 0/0 S-Un。实验室制备了一系列的单向纤维增强金属层板即FMLs3/2 0.3 S-Un系列层板,其拉伸性能的变化与有限元模拟有着相同的变化规律,获得的最大弹性模量为29.65GPa,最大屈服强度为272.62MPa,最大切线模量为8.45GPa,最大拉伸强度为679.10MPa,对应的牌号均为FMLs 3/2 0.3 0/0 S-Un。层板的弯曲性能测试结果表明,随着纤维铺排角度的增大层板的弯曲模量和弯曲强度逐渐降低,最大弯曲挠度逐渐升高,获得最大弯曲模量为69.78GPa,最大弯曲强度为1056.11MPa,对应的牌号为FMLs 3/2 0.3 0/0 S-Un;最大弯曲挠度为31.06mm,对应的牌号为FMLs 3/2 0.345/-45 S-Un。为了简化层板的制备工艺,将斜纹纤维布引入纤维金属层板,制备了FMLs3/2 0.3 S-Tw层板,并从0°、45°、90°三个方向进行了性能的测试,结果表明0°和90°方向性能接近,在0°方向上性能较好,其弹性模量为20.12GPa,屈服强度为245.58MPa,拉伸强度为540mpa,弯曲模量为40.84gpa和弯曲强度为759.94mpa,在45°方向上弹性模量是29.00gpa,拉伸强度是316.30mpa,表现较差但是变形性良好,伸长率为10.90%,最大弯曲挠度为33.99mm。(2)组分的体积分数:基本上随着金属体积分数的增加,层板中弹性模量、屈服强度和平均残余应力逐渐升高,切线模量和最大残余应力逐渐降低。实验室制备了fmls3/20/900.3-0.4s-un单向层板,获得的最大弹性模量为18.42gpa,其对应的牌号为fmls3/20/900.4/0.4/0.4s-un;最大屈服强度为247.16mpa,其对应的牌号为fmls3/20/900.4/0.3/0.4s-un;最大拉伸强度为470.22mpa,最大切线模量为4.63gpa,其对应的牌号为fmls3/20/900.3/0.3/0.3s-un。同时fmls3/20.3-0.4s-tw层板有着相似的规律,最大弹性模量为22.13gpa,最大屈服强度是298.56mpa,对应牌号为fmls3/20.4/0.4/0.4s-tw;最大拉伸强度为540.90mpa,最大切线模量为5.96gpa,对应牌号为fmls3/20.3/0.3/0.3s-tw。弯曲实验测试结果表明层板性能除了受各组分含量影响外也受到层板的粘结强度影响,层板的粘结强度会影响层板的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量以及最大弯曲挠度。(3)组分的种类:钛合金和碳纤维层的加入能够极大的提高层板的拉伸力学性能,在fmls3/2al/ti/al0.2-x-0.2纤维增强混层金属层板中,随着钛合金体积分数的增大层板的弹性模量、屈服强度逐渐增大而切线模量逐渐减小,层板的平均残余应力逐渐增大,最大残余应力先减小后增大,其位置也由中间钛层向两侧铝层转移。有限元结果表明最大弹性模量为83.39gpa,最大屈服强度是290.29mpa,其对应的牌号为fmls3/2al/ti/al0.2/0.5/0.2s-un;最大切线模量为10.50gpa,其对应的牌号为fmls3/2al/ti/al0.2/0.2/0.2s-un。针对纤维成分对层板性能的影响实验制备了fmls3/20.3e-tw,fmls3/20.3s-tw,fmls3/20.3b1-tw,fmls3/20.3c-tw系列层板,测试结果表明最大弹性模量为37.80gpa,最大切线模量为13.32gpa,最大拉伸强度是556.56mpa,其对应的牌号为fmls3/20.3c-tw;最大弯曲模量为51.42gpa,其对应的牌号为fmls3/20.3e-tw;最大弯曲强度为991.51mpa,其对应的牌号为fmls3/20.3b1-tw;最大伸长率为6.68%,最大弯曲挠度为17.15mm,其对应的牌号为fmls3/20.3s-tw。(4)混层纤维层板:碳纤维增强金属层板力学性能优异,但是价格昂贵且伸长率较低,实验室利用多种纤维布进行混层铺层研究了不同机织类型纤维布混层、不同种类纤维布混层、不同面密度纤维布混层等,结果表明相同机织类型的混层层板和面密度接近的纤维布混层层板,层间结合强度高,性能优异。其中碳纤维斜纹布与玻璃纤维斜纹布混层层板粘合强度高力学性能优异,相对碳纤维金属层板提升了伸长率,并改善了受载易分层的缺陷。以碳纤维混层层板为例,获得的最大弹性模量为28.63GPa,最大切线模量为12.55GPa,其对应的牌号为S0/C/S90-3/2-0.3;最大拉伸强度为492.27MPa,其对应的牌号为S/C/S-3/2-0.3;最大伸长率为4.54%,其对应的牌号为B_2/C/B_2-3/2-0.3;最大的弯曲模量为60.89GPa,最大的弯曲强度为860.25MPa,其对应的牌号为B1/C/B1-3/2-0.3;最大的最大弯曲挠度为9.37mm,其对应的牌号为E/C/E-3/2-0.3。以上得出的研究结果和规律可以为以后复合层板的设计提供借鉴,根据生产对层板性能的实际需求选取适合的材料制备相应的纤维金属层板,可以节约一定的生产时间,降低生产成本。
【关键词】：纤维金属层板 层板制备 性能测试 有限元模拟 残余应力
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB333
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 第1章 绪论15-25
• 1.1 引言15-16
• 1.1.1 金属基复合材料15
• 1.1.2 非金属基复合材料15-16
• 1.2 纤维金属层板的发展历史16-18
• 1.2.1 芳纶纤维增强铝合金层板16
• 1.2.2 玻璃纤维增强层板16-18
• 1.2.3 碳纤维增强铝合金层板18
• 1.2.4 石墨纤维增强钛合金层板18
• 1.3 纤维金属层板的性能特点18-22
• 1.3.1 纤维金属层板的拉伸性能19
• 1.3.2 纤维金属层板的冲击性能19
• 1.3.3 纤维金属层板的疲劳性能19-20
• 1.3.4 纤维金属层板的环境耐久性20-21
• 1.3.5 纤维金属层板的回收与再利用21
• 1.3.6 纤维金属层板的铺贴成型与拼接技术21-22
• 1.4 新型纤维金属层板的研究22-23
• 1.5 本文的研究内容及方法23-25
• 第2章 单向纤维金属层板的制备与性能的有限元研究25-49
• 2.1 单向FMLs层板二维有限元拉伸25-29
• 2.1.1 纤维对层板性能的影响25-27
• 2.1.2 单向FMLs 3/20.20/0 与 0/90截面X-方向拉伸模拟27-28
• 2.1.3 单向FMLs 3/20.20/0 与 0/90截面Z-方向拉伸模拟28-29
• 2.2 单向FMLs层板的设计与性能预测29-38
• 2.2.1 有限元建模29-31
• 2.2.2 变纤维角度31-34
• 2.2.3 变金属层厚度34-35
• 2.2.4 变金属种类35-36
• 2.2.5 混层纤维金属层板与混层金属层板的拉伸力学性能对比36-37
• 2.2.6 变纤维种类37-38
• 2.3 单向FMLs层板的制备与性能研究38-47
• 2.3.1 实验室制备Glare 3/20.3 层板39-41
• 2.3.2 变角度层板的性能测试41-44
• 2.3.3 变金属层厚度44-47
• 2.4 本章小结47-49
• 第3章 单向纤维金属层板残余应力的有限元研究49-65
• 3.1 复合材料残余应力49-50
• 3.1.1 残余应力产生的原因和分类49
• 3.1.2 残余应力的危害和消除49
• 3.1.3 残余应力的检测49-50
• 3.2 解析法与有限元法的应用50-56
• 3.2.1 解析法计算层板残余应力50-51
• 3.2.2 有限元模拟层板残余应力51-52
• 3.2.3 解析法结果处理52
• 3.2.4 有限元结果处理52-53
• 3.2.5 Glare 2A 0.2 残余应力分析53-56
• 3.3 纤维铺向角对层板残余应力的影响56-57
• 3.4 金属层厚度对FMLs层板的影响57-60
• 3.4.1 均一金属层厚度57-59
• 3.4.2 变厚度金属层59-60
• 3.5 变金属种类对层板的影响60-63
• 3.6 本章小结63-65
• 第4章 FMLs层板的实验制备与性能研究65-87
• 4.1 纤维布的选择和机织方法65-66
• 4.2 纤维树脂复合材料的性能研究66-71
• 4.2.1 纤维种类的影响66-68
• 4.2.2 编织类型的影响68-71
• 4.3 纤维金属层板的命名规则71
• 4.4 纤维金属层板的性能研究71-84
• 4.4.1 纤维布的机织方式对层板性能的影响71-74
• 4.4.2 纤维铺排变角度对层板性能的影响74-77
• 4.4.3 金属层厚度对层板性能的影响77-79
• 4.4.4 纤维层厚度对层板性能的影响79-82
• 4.4.5 纤维种类对层板性能的研究82-84
• 4.5 本章小结84-87
• 第5章 混层纤维金属层板性能研究87-109
• 5.1 混层纤维金属层板的制备87-88
• 5.1.1 混层纤维金属的命名87
• 5.1.2 混层纤维金属的制备工艺87-88
• 5.2 S型玻纤基混层纤维金属层板88-92
• 5.2.1 S单向纤维布混层S型斜纹纤维布混层层板88-90
• 5.2.2 B_2玄武岩纤维混层S型斜纹纤维布混层层板90-92
• 5.3 玄武岩纤维基混层纤维金属层板92-96
• 5.3.1 单向S型玻纤混层B_2玄武岩斜纹布混层层板92-94
• 5.3.2 S型斜纹玻纤混层B_2玄武岩斜纹布混层层板94-96
• 5.4 碳纤维基混层纤维金属层板96-107
• 5.4.1 E型玻纤混层碳纤维布混层层板96-98
• 5.4.2 S型玻纤单向布混层碳纤维布混层层板98-100
• 5.4.3 S型玻纤斜纹布混层碳纤维布混层层板100-102
• 5.4.4 B_1玄武岩混层碳纤维布混层层板102-105
• 5.4.5 B_2玄武岩混层碳纤维布混层层板105-107
• 5.5 本章小结107-109
• 第6章 结论和展望109-113
• 参考文献113-119
• 致谢119

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本文编号：279309