發(fā)布時間：2017-03-31 09:22

  本文關(guān)鍵詞：Glare纖維金屬層合板的機(jī)械性能仿真分析及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：纖維增強(qiáng)金屬層合板是將纖維樹脂層與金屬板交替鋪排,并在一定溫度和壓力下制備的先進(jìn)復(fù)合材料,其能夠?qū)⒔饘倥c纖維樹脂復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合,具有比強(qiáng)度高、耐疲勞、耐腐蝕等突出的特點(diǎn)。纖維增強(qiáng)金屬層板作為一種新型的復(fù)合材料,其由纖維、樹脂、金屬板多種組分構(gòu)成,改變纖維的的鋪排角度、各組分的體積分?jǐn)?shù)和種類、層板的鋪排順序等參數(shù)均會對層板的機(jī)械性能產(chǎn)生影響。纖維增強(qiáng)金屬層板具有較強(qiáng)的設(shè)計(jì)性,通過系統(tǒng)地開展“纖維、樹脂、金屬板的種類、體積分?jǐn)?shù)、鋪排角度等參數(shù)與纖維增強(qiáng)金屬層板性能的關(guān)系”研究,能夠制備出具有優(yōu)異性能的纖維增強(qiáng)金屬層板,相關(guān)研究工作具有重要的理論與實(shí)際應(yīng)用意義。本研究基于有限元仿真與纖維增強(qiáng)金屬層板實(shí)驗(yàn)制備,通過改變纖維的鋪排角度、組分的體積分?jǐn)?shù)、組分的種類和混層纖維層板四個參數(shù),開展層板的拉伸性能、彎曲性能、以及殘余應(yīng)力等機(jī)械性能的理論與實(shí)驗(yàn)研究,主要研究結(jié)果如下:(1)纖維的鋪排角度:單向纖維增強(qiáng)金屬層板測試結(jié)果表明纖維鋪排角度在0°到45°之間,隨著纖維鋪排角度的增大其彈性模量、屈服強(qiáng)度和切線模量逐漸降低,層板冷卻后的平均殘余應(yīng)力逐漸減小,最大殘余應(yīng)力逐漸增大。有限元模擬結(jié)果表明在FMLs3/2 0.2-0.5 S-Un層板系列,獲得的最大彈性模量為68.25GPa,最大屈服強(qiáng)度為330.59Mpa,對應(yīng)的牌號為FMLs 3/2 0.5 0/0 S-Un;最大切線模量為16.57GPa,對應(yīng)的牌號為FMLs 3/2 0.2 0/0 S-Un。實(shí)驗(yàn)室制備了一系列的單向纖維增強(qiáng)金屬層板即FMLs3/2 0.3 S-Un系列層板,其拉伸性能的變化與有限元模擬有著相同的變化規(guī)律,獲得的最大彈性模量為29.65GPa,最大屈服強(qiáng)度為272.62MPa,最大切線模量為8.45GPa,最大拉伸強(qiáng)度為679.10MPa,對應(yīng)的牌號均為FMLs 3/2 0.3 0/0 S-Un。層板的彎曲性能測試結(jié)果表明,隨著纖維鋪排角度的增大層板的彎曲模量和彎曲強(qiáng)度逐漸降低,最大彎曲撓度逐漸升高,獲得最大彎曲模量為69.78GPa,最大彎曲強(qiáng)度為1056.11MPa,對應(yīng)的牌號為FMLs 3/2 0.3 0/0 S-Un;最大彎曲撓度為31.06mm,對應(yīng)的牌號為FMLs 3/2 0.345/-45 S-Un。為了簡化層板的制備工藝,將斜紋纖維布引入纖維金屬層板,制備了FMLs3/2 0.3 S-Tw層板,并從0°、45°、90°三個方向進(jìn)行了性能的測試,結(jié)果表明0°和90°方向性能接近,在0°方向上性能較好,其彈性模量為20.12GPa,屈服強(qiáng)度為245.58MPa,拉伸強(qiáng)度為540mpa,彎曲模量為40.84gpa和彎曲強(qiáng)度為759.94mpa,在45°方向上彈性模量是29.00gpa,拉伸強(qiáng)度是316.30mpa,表現(xiàn)較差但是變形性良好,伸長率為10.90%,最大彎曲撓度為33.99mm。(2)組分的體積分?jǐn)?shù):基本上隨著金屬體積分?jǐn)?shù)的增加,層板中彈性模量、屈服強(qiáng)度和平均殘余應(yīng)力逐漸升高,切線模量和最大殘余應(yīng)力逐漸降低。實(shí)驗(yàn)室制備了fmls3/20/900.3-0.4s-un單向?qū)影?獲得的最大彈性模量為18.42gpa,其對應(yīng)的牌號為fmls3/20/900.4/0.4/0.4s-un;最大屈服強(qiáng)度為247.16mpa,其對應(yīng)的牌號為fmls3/20/900.4/0.3/0.4s-un;最大拉伸強(qiáng)度為470.22mpa,最大切線模量為4.63gpa,其對應(yīng)的牌號為fmls3/20/900.3/0.3/0.3s-un。同時fmls3/20.3-0.4s-tw層板有著相似的規(guī)律,最大彈性模量為22.13gpa,最大屈服強(qiáng)度是298.56mpa,對應(yīng)牌號為fmls3/20.4/0.4/0.4s-tw;最大拉伸強(qiáng)度為540.90mpa,最大切線模量為5.96gpa,對應(yīng)牌號為fmls3/20.3/0.3/0.3s-tw。彎曲實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明層板性能除了受各組分含量影響外也受到層板的粘結(jié)強(qiáng)度影響,層板的粘結(jié)強(qiáng)度會影響層板的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量以及最大彎曲撓度。(3)組分的種類:鈦合金和碳纖維層的加入能夠極大的提高層板的拉伸力學(xué)性能,在fmls3/2al/ti/al0.2-x-0.2纖維增強(qiáng)混層金屬層板中,隨著鈦合金體積分?jǐn)?shù)的增大層板的彈性模量、屈服強(qiáng)度逐漸增大而切線模量逐漸減小,層板的平均殘余應(yīng)力逐漸增大,最大殘余應(yīng)力先減小后增大,其位置也由中間鈦層向兩側(cè)鋁層轉(zhuǎn)移。有限元結(jié)果表明最大彈性模量為83.39gpa,最大屈服強(qiáng)度是290.29mpa,其對應(yīng)的牌號為fmls3/2al/ti/al0.2/0.5/0.2s-un;最大切線模量為10.50gpa,其對應(yīng)的牌號為fmls3/2al/ti/al0.2/0.2/0.2s-un。針對纖維成分對層板性能的影響實(shí)驗(yàn)制備了fmls3/20.3e-tw,fmls3/20.3s-tw,fmls3/20.3b1-tw,fmls3/20.3c-tw系列層板,測試結(jié)果表明最大彈性模量為37.80gpa,最大切線模量為13.32gpa,最大拉伸強(qiáng)度是556.56mpa,其對應(yīng)的牌號為fmls3/20.3c-tw;最大彎曲模量為51.42gpa,其對應(yīng)的牌號為fmls3/20.3e-tw;最大彎曲強(qiáng)度為991.51mpa,其對應(yīng)的牌號為fmls3/20.3b1-tw;最大伸長率為6.68%,最大彎曲撓度為17.15mm,其對應(yīng)的牌號為fmls3/20.3s-tw。(4)混層纖維層板:碳纖維增強(qiáng)金屬層板力學(xué)性能優(yōu)異,但是價格昂貴且伸長率較低,實(shí)驗(yàn)室利用多種纖維布進(jìn)行混層鋪層研究了不同機(jī)織類型纖維布混層、不同種類纖維布混層、不同面密度纖維布混層等,結(jié)果表明相同機(jī)織類型的混層層板和面密度接近的纖維布混層層板,層間結(jié)合強(qiáng)度高,性能優(yōu)異。其中碳纖維斜紋布與玻璃纖維斜紋布混層層板粘合強(qiáng)度高力學(xué)性能優(yōu)異,相對碳纖維金屬層板提升了伸長率,并改善了受載易分層的缺陷。以碳纖維混層層板為例,獲得的最大彈性模量為28.63GPa,最大切線模量為12.55GPa,其對應(yīng)的牌號為S0/C/S90-3/2-0.3;最大拉伸強(qiáng)度為492.27MPa,其對應(yīng)的牌號為S/C/S-3/2-0.3;最大伸長率為4.54%,其對應(yīng)的牌號為B_2/C/B_2-3/2-0.3;最大的彎曲模量為60.89GPa,最大的彎曲強(qiáng)度為860.25MPa,其對應(yīng)的牌號為B1/C/B1-3/2-0.3;最大的最大彎曲撓度為9.37mm,其對應(yīng)的牌號為E/C/E-3/2-0.3。以上得出的研究結(jié)果和規(guī)律可以為以后復(fù)合層板的設(shè)計(jì)提供借鑒,根據(jù)生產(chǎn)對層板性能的實(shí)際需求選取適合的材料制備相應(yīng)的纖維金屬層板,可以節(jié)約一定的生產(chǎn)時間,降低生產(chǎn)成本。
【關(guān)鍵詞】：纖維金屬層板 層板制備 性能測試 有限元模擬 殘余應(yīng)力
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB333
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 第1章 緒論15-25
• 1.1 引言15-16
• 1.1.1 金屬基復(fù)合材料15
• 1.1.2 非金屬基復(fù)合材料15-16
• 1.2 纖維金屬層板的發(fā)展歷史16-18
• 1.2.1 芳綸纖維增強(qiáng)鋁合金層板16
• 1.2.2 玻璃纖維增強(qiáng)層板16-18
• 1.2.3 碳纖維增強(qiáng)鋁合金層板18
• 1.2.4 石墨纖維增強(qiáng)鈦合金層板18
• 1.3 纖維金屬層板的性能特點(diǎn)18-22
• 1.3.1 纖維金屬層板的拉伸性能19
• 1.3.2 纖維金屬層板的沖擊性能19
• 1.3.3 纖維金屬層板的疲勞性能19-20
• 1.3.4 纖維金屬層板的環(huán)境耐久性20-21
• 1.3.5 纖維金屬層板的回收與再利用21
• 1.3.6 纖維金屬層板的鋪貼成型與拼接技術(shù)21-22
• 1.4 新型纖維金屬層板的研究22-23
• 1.5 本文的研究內(nèi)容及方法23-25
• 第2章 單向纖維金屬層板的制備與性能的有限元研究25-49
• 2.1 單向FMLs層板二維有限元拉伸25-29
• 2.1.1 纖維對層板性能的影響25-27
• 2.1.2 單向FMLs 3/20.20/0 與 0/90截面X-方向拉伸模擬27-28
• 2.1.3 單向FMLs 3/20.20/0 與 0/90截面Z-方向拉伸模擬28-29
• 2.2 單向FMLs層板的設(shè)計(jì)與性能預(yù)測29-38
• 2.2.1 有限元建模29-31
• 2.2.2 變纖維角度31-34
• 2.2.3 變金屬層厚度34-35
• 2.2.4 變金屬種類35-36
• 2.2.5 混層纖維金屬層板與混層金屬層板的拉伸力學(xué)性能對比36-37
• 2.2.6 變纖維種類37-38
• 2.3 單向FMLs層板的制備與性能研究38-47
• 2.3.1 實(shí)驗(yàn)室制備Glare 3/20.3 層板39-41
• 2.3.2 變角度層板的性能測試41-44
• 2.3.3 變金屬層厚度44-47
• 2.4 本章小結(jié)47-49
• 第3章 單向纖維金屬層板殘余應(yīng)力的有限元研究49-65
• 3.1 復(fù)合材料殘余應(yīng)力49-50
• 3.1.1 殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因和分類49
• 3.1.2 殘余應(yīng)力的危害和消除49
• 3.1.3 殘余應(yīng)力的檢測49-50
• 3.2 解析法與有限元法的應(yīng)用50-56
• 3.2.1 解析法計(jì)算層板殘余應(yīng)力50-51
• 3.2.2 有限元模擬層板殘余應(yīng)力51-52
• 3.2.3 解析法結(jié)果處理52
• 3.2.4 有限元結(jié)果處理52-53
• 3.2.5 Glare 2A 0.2 殘余應(yīng)力分析53-56
• 3.3 纖維鋪向角對層板殘余應(yīng)力的影響56-57
• 3.4 金屬層厚度對FMLs層板的影響57-60
• 3.4.1 均一金屬層厚度57-59
• 3.4.2 變厚度金屬層59-60
• 3.5 變金屬種類對層板的影響60-63
• 3.6 本章小結(jié)63-65
• 第4章 FMLs層板的實(shí)驗(yàn)制備與性能研究65-87
• 4.1 纖維布的選擇和機(jī)織方法65-66
• 4.2 纖維樹脂復(fù)合材料的性能研究66-71
• 4.2.1 纖維種類的影響66-68
• 4.2.2 編織類型的影響68-71
• 4.3 纖維金屬層板的命名規(guī)則71
• 4.4 纖維金屬層板的性能研究71-84
• 4.4.1 纖維布的機(jī)織方式對層板性能的影響71-74
• 4.4.2 纖維鋪排變角度對層板性能的影響74-77
• 4.4.3 金屬層厚度對層板性能的影響77-79
• 4.4.4 纖維層厚度對層板性能的影響79-82
• 4.4.5 纖維種類對層板性能的研究82-84
• 4.5 本章小結(jié)84-87
• 第5章 混層纖維金屬層板性能研究87-109
• 5.1 混層纖維金屬層板的制備87-88
• 5.1.1 混層纖維金屬的命名87
• 5.1.2 混層纖維金屬的制備工藝87-88
• 5.2 S型玻纖基混層纖維金屬層板88-92
• 5.2.1 S單向纖維布混層S型斜紋纖維布混層層板88-90
• 5.2.2 B_2玄武巖纖維混層S型斜紋纖維布混層層板90-92
• 5.3 玄武巖纖維基混層纖維金屬層板92-96
• 5.3.1 單向S型玻纖混層B_2玄武巖斜紋布混層層板92-94
• 5.3.2 S型斜紋玻纖混層B_2玄武巖斜紋布混層層板94-96
• 5.4 碳纖維基混層纖維金屬層板96-107
• 5.4.1 E型玻纖混層碳纖維布混層層板96-98
• 5.4.2 S型玻纖單向布混層碳纖維布混層層板98-100
• 5.4.3 S型玻纖斜紋布混層碳纖維布混層層板100-102
• 5.4.4 B_1玄武巖混層碳纖維布混層層板102-105
• 5.4.5 B_2玄武巖混層碳纖維布混層層板105-107
• 5.5 本章小結(jié)107-109
• 第6章 結(jié)論和展望109-113
• 參考文獻(xiàn)113-119
• 致謝119

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本文編號：279309