不同温度下碳纤维增强复合材料力学性能研究

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碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)因其高比强度和高比模量以及良好的可设计性而被广泛应用于风力发电风扇、汽车制造和航空航天等领域。然而,无论是风力发电机叶片还是汽车车身,在正常使用的条件下都难免产生缺陷,而这些缺陷势必会对材料的整体力学性能造成影响。另一方面,诸如飞机机翼等构件,还将面临不同温度的工况环境。因此,研究碳纤维增强复合材料在不同温度和缺陷下的力学性能具有重要意义。本文以碳纤维/环氧树脂复合材料为主要对象,研究了其在不同温度和缺陷下的静动态力学性能。研究采用电子散斑干涉方法(ESPI),克服了温度对ESPI方法的限制,实现了全场振动模态的测量。相比于传统的接触式测量方法和激光多普勒测量方法,该方法实现了低成本、高精度、非接触和全场实时测量的优点,在非接触的情况下得到了待测物体共振频率和全场模态振型,并发现了材料随温度变化产生的模态耦合现象。具体的研究内容包括:(一)介绍了电子散斑干涉方法基本原理,回顾了振动测试过程中的基本理论,包括时间平均方法、减方法、振幅波动方法等。介绍了ESPI离面和面内变形测量光路,并搭建了ESPI离面振动测试系统,详细说明了振动测量的具体实验测试方法。(二)进行了高温下碳纤维增强复合材料层合板模态测量与分析的研究。首先通过对悬臂梁铝板振动模态的研究,从悬臂梁弯曲振动理论、ESPI离面振动测量以及有限元仿真模拟的角度进行了电子散斑干涉振动测试的分析。然后搭建了高温条件下振动实验的光学系统,并基于此系统进行了温度对不同偏轴角度CFRP层合板振动模态影响的研究。通过粘贴应变片的方式测试了材料的热膨胀系数。(三)基于搭建的ESPI离面振动测试系统,进行了常温下带缺陷碳纤维复合材料层合板模态测量的研究。利用ESPI实验系统测量了无缺陷CFRP薄板试件和有边缘裂缝的矩形悬臂CFRP薄板结构的振动特性,并研究了裂缝长度和裂缝分布位置对结构共振频率和振型的影响。(四)进行了高温下碳纤维增强复合材料弯曲力学性能的实验研究。对不同温度下偏轴角度的CFRP层合板进行准静态三点弯曲试验,分析了温度对CFRP层合板弯曲力学性能的影响,讨论了偏轴角度对CFRP材料在弯曲过程和极限承载能力等方面产生的影响。其中,重点探讨在不同温度下,0度偏轴CFRP梁在弯曲过程中弹性模量、破坏形式和极限承载能力产生的变化。
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