復合材料壓縮的案例
ASTM D6641復合材料壓縮試驗方法分享
復合材料因其卓越的比強度、比剛度和可設計性，在航空航天、軌道交通、汽車工業等高端裝備領域獲得了廣泛應用。其中，壓縮性能是評價復合材料結構承載能力的關鍵指標，然而，由于其各向異性、層間強度相對較低等特點，壓縮性能的準確測試一直是材料測試領域的難點和重點。
復合材料壓縮測試方法多樣，其核心區別在于載荷引入方式，不同的方式對應著不同的應用場景和材料類型。
0
1
ASTM D6641測試標準
ASTM D6641是目前工業部門采用最多的復合材料壓縮性能試驗方法。該方法可以測量聚合物基復合材料的壓縮強度和剛度性能。相比其他方法，其垂直表面的擠壓力和剪切力作用對壓縮強度影響較小、試驗成功率更高，為材料的研究與開發、結構設計與分析，提供壓縮性能數據。被廣泛地用于航空航天、汽車工業、電子器材等領域。現對采用ASTM D6641標準測量復合材料壓縮性能的試驗裝備及試驗方法進行詳細介紹：
0
2
試驗夾具及試樣制備
試驗夾具及試樣制備
試驗采用的夾具和試件均參照ASTM D6641中所述典型的組合加載壓縮試驗夾具和典型試件制作。
0
3
安裝試件
試驗開始前，需檢查試驗夾具確保操作順利，確保夾持面和加載面沒有損傷，并對螺栓和夾具的螺紋進行清潔和潤滑。安裝試件的操作過程應在花崗巖平板上完成，以確保試件端部與夾具底座平面平齊。
01
操作
移開夾具的上半部分，將試件放置于夾具的下半部分中，用手輕輕擰緊四個螺栓。
02
操作
上下翻轉夾具的下半部分并對準夾具的上半部分插入導向銷，以勻速滑動進入夾具的上半部分。
展開 【技術干貨】一文詳解影響碳纖維及其復合材料壓縮性能的結構因素（二）碳纖維的微觀結構及壓縮破壞
摘 要
碳纖維及其復合材料因其優異的拉伸性能和輕質特性而備受關注，但是，自從它們問世以來，碳纖維及其復合材料在壓縮載荷下的較差性能一直是制約其廣泛應用的主要障礙。
在本系列專題文章中，將會從微觀結構和宏觀角度系統地討論造成這一缺陷的原因，并就如何提高碳纖維及其復合材料的壓縮性能提出了建議。在上期文章中首先介紹了碳纖維壓縮強度的常見測試方法，而本文中主要介紹碳纖維微觀結構及壓縮失效破壞。
附錄：碳纖維及其復合材料壓縮性能專題
《專題一：碳纖維壓縮強度的測試方法》
碳纖維的微觀結構
為了開發提高碳纖維壓縮性能的方法，了解碳纖維的加工過程及其最終微觀結構是很重要的。生產碳纖維最常用的前驅體為聚丙烯腈（PAN）纖維，下圖1顯示了PAN纖維向碳纖維轉變過程的微觀結構規律。
碳纖維是通過對PAN纖維進行高度可控的連續熱處理來制備的，典型的熱處理過程包括：預氧化（又叫熱穩定化），低溫碳化和高溫碳化。PAN纖維的熱穩定是在空氣氣氛中進行的，通常PAN纖維在不同溫度下經受200至300°C的熱處理，并根據特定前驅體纖維的加工要求在規定的時間內施加張力。
展開 基于LS-DYNA隱式（implicit）的復合材料壓縮仿真 ￥10
問題描述
用LS-DYNA做復合材料的壓縮失效的仿真，由于ls-dyna主打功能是顯式動力學，如果用顯式動力學求解準靜態要做必要的處理（質量縮放，加載加速 加載曲線光滑等處理）；處理完后結構是否合理需要和隱式的結果進行對比，本文提供了基于LS-DYNA隱式（implicit）的復合材料壓縮的仿真，用于提供參考。
基于Vumat子程序的復合材料壓縮沖擊破壞預測
復合材料由于具有較高的比強度、比模量和可設計性，在航空航天等領域一直都備受關注。隨著大量專家學者投入研究，其剛度、強度的預測已有了較為完善的理論。利用這些理論，通過在子程序中構建本構方程，可實現在ABAQUS等有限元軟件中得到與實驗結果較為接近的仿真結果。同樣的，耐壓縮沖擊性能也是實際工程應用中經常需要考慮的一個性能，但由于復合材料壓縮的破壞形式較為復雜，且對于壁板結構，壓縮過程中又涉及到了穩定性問題，所以對其進行有效的預測具有較大的難度。
本期，我們就講講如何在ABAQUS中基于Vumat子程序來實現對復合材料在壓縮沖擊載荷作用下，有效地預測其破壞模式。
1. 方法概述—“兩步走”
對于本文案例類似的結構，其在壓縮沖擊載荷作用下的破壞模式預測大致可分為兩大步，即穩定性分析和破壞模式預測。
1. 首先，我們需要建立一個屈曲分析步，引入擾動，在Model-edit keyword中添加相關關鍵字，并輸出節點位移文件。
2. 然后，復制模型，修改分析步類型及邊界條件，并在Vumat子程序中構建材料本構，引入失效準則，利用ABAQUS顯式運算的方法，不停迭代產生損傷后的剛度矩陣，直至結構發生破壞。同樣的，在此步驟中也需要對關鍵字進行編輯。
由于壓縮沖擊的破壞模式多種多樣，若需模擬某些特定的損傷模式，可在子程序中進行單元刪除的定義。
2. 案例
本文以碳纖維增強復合材料薄壁方管為例，利用Vumat子程序預測其在沿軸長方向的壓縮沖擊載荷作用下的破壞模式。
2.1 問題描述
試驗件由[0°/90°]的碳纖維布采用RTM工藝固化成型。
展開 
復合材料方管壓縮模擬 ￥45
<p>B站復合材料方管壓縮文件以及計算子程序VUMAT</p>
復合材料設計--纖維織物鋪放強度
縱向壓縮強度
縱向壓縮強度的預測遠不如縱向拉仲強度那樣簡單而準確。與縱向拉伸不同，基體在縱向壓縮中起重要作用。基體給予纖維側向支持使纖維承載但不屈曲。沒有基體的支持，纖維就不能承受壓縮載荷。
纖維微屈曲和剪切破壞是復合材料縱向壓縮破壞的兩個主要原因。此外，還有纖維微屈曲后引起的界面脫黏、層間分層，橫向拉伸引起的縱向開裂等破壞原因。試驗結果表明，在比預計壓縮強度低得多的應力下，多數復合材料出現微屈曲破壞。
根據纖維增強復合材料受壓時光彈性應力圖上的周期條紋顯示復合材料的破壞形式，羅森(B.W.Rosen)認為，縱向壓縮強度的細觀力學分析模型可采用纖維在彈性基礎上的屈曲模型，如圖4.4.3所示。
假定只有纖維承壓，基體提供對纖維的橫向支撐。當縱向壓力達到臨界值時，纖維薄片發生屈曲。纖維屈曲可能有兩種形式，一種是纖維薄片彼此反向屈曲，基體薄片交替地發生橫向拉伸和橫向壓縮變形[圖4.4.3（a）]，據此建立的模型稱為橫向拉壓模型；
另一種是纖維薄片彼此同向屈曲．基體薄片主要發生剪切變形[圖L 4．3(b)]，其模型簡稱剪切模型。
拉壓型微屈曲引起破壞的縱向壓縮強度為
當vf趨于零時，由上式計算的Xc也趨于零；如果vf趨于l時，Xc將趨于無限大；顯然這兩種極端情況不符合實際。因此，式(4.4.9)只適用于vf適中的復合材料縱向壓縮強的預測。
剪切型微屈曲引起破壞的縱向壓縮強度為
如果vf趨于1，Xc將趨于無限大，顯然這不符合實際情況。因此，式(4.4.10)也只適用于vf適中的復合材料縱向壓縮強度的預測。由式(4.4.9)和式(4.4.10)可 見，基體模量是影響復合材料壓縮強度的主要參數。
展開 復合材料沖擊后壓縮CAI 綜述文獻（不斷更新）
復合材料沖擊后壓縮CAI 的文獻，我認為總結比較好的文章，分享給大家
[1] Khathyri Fatima, ElkiheL Bachir, Delaunois Fabienn. Review of damages prediction in a composite material at low velocity impact Global Journal of Engineering and Technology Advances, 01 (01) (2019) 027–42.
REF1.pdf
[2] Raffael Bogenfeld, Janko Kreikemeier, Tobias Wille. Review and benchmark study on the analysis of low-velocity impact on composite laminates. Engineering Failure Analysis, 86 (2018) 72-99.
Ref2.pdf
[3] Youhong Tang, Lin Ye, Zhong Zhang, Klaus Friedrich. Interlaminar fracture toughness and CAI strength of fibre-reinforced composites with nanoparticles – A review. Composites Science and Technology, 86 (2013) 26-37.
ref3.pdf
展開 連續纖維增強復合材料力學性能測試方法
測試這些參數的美標（ASTM）如下：
1、測試標準：ASTM-D3039
Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials
聚合物基復合材料拉伸性能測試標準
2、測試標準：ASTM-D6641
Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials Using a Combined Loading Compression (CLC) Test Fixture
聚合物基復合材料壓縮性能聯合加載方法測試標準
3、測試標準：ASTM-D3518
Standard Test Method for In-Plane Shear Response of Polymer Matrix Composite Materials by Tensile Test of a ±45°Laminate
采用±45°層壓板拉伸試驗測量聚合物基復合材料面內剪切特性測試標準
其中縱向拉伸與橫向拉伸均使用測試標準1，縱向壓縮與橫向壓縮均使用測試標準2，剪切測試使用測試標準3。
我的公眾號：CAEtips,歡迎大家關注，我會經常發布技術文章與案例視頻。
原文鏈接 微信公眾號CAEtips https://mp.weixin.qq.com/s/OGI2TOXO_haS8Iz1wxuT-A
展開 復合材料沖擊后壓縮強度（CAI）測試關鍵要點，確保天舟貨運飛船飛行安全性
與傳統結構材料相比，聚合物基復合材料（PMC）具有更高的性能和柔韌性。然而，這些優勢是采用多種原材料并通過增加材料復雜性為代價的，因而對于這些材料的測試也帶來了一定的挑戰。
材料特性的基本表征包括在不同的載荷條件下進行一系列試驗——拉伸、壓縮、剪切和彎曲。復合材料具有各向異性（即力學性能取決于方向）和不均勻性（即材料成分不均勻，如增強纖維與樹脂基體）。對于關鍵的復合材料應用，通常需要進行其他更復雜的試驗來確定材料在使用條件下以及在典型環境中的耐久性。比如，評估航空航天工業復合材料沖擊后壓縮（CAI）試驗、風能行業疲勞載荷以及汽車碰撞防護的高速拉伸試驗都很重要。
CAI的含義
CAI（沖擊后壓縮強度）實際上有兩種含義：
1） 評定含損傷時的材料性能指標；
2） 復合材料層壓板受沖擊產生損傷后的壓縮強度。前者一定是對特定的層壓板，在特定條件下得到的含沖擊損傷層壓板的壓縮強度；而后者可以是任意的層壓板（包括結構）在壓縮載荷下的壓縮剩余強度；
由于CAI值不僅用于評定材料性能的指標，同時也是用于結構設計確定設計值的基礎，因此纖維增強復合材料的CAI值測試越來越重要，隨著人們對CAI值不斷的理解和深入，由初始僅作為評定樹脂增韌的標準，到目前已用于從材料研制擴展到為結構設計等提供有關損傷容限能力的知識數據需求。
CAI測試標準及注意事項
常用的測試標準為ASTM D7137/D7137M、ASTM D7136/D7136M、ISO 18352，試驗機的同軸度、夾具的選擇以及壓盤的平行度都會對測試結果產生較大影響。
展開 復合材料結構設計知識共享系列之二復合材料沖擊損傷的來龍去脈
1 引言
貫穿碳纖維增強復合材料研究最引人注目的是其沖擊損傷問題，無論是相關的材料（包括纖維和樹脂）研究，結構設計的重點還是工藝制造和維護問題，碳纖維復合材料一進入解決輕量化需求的高端應用，遇到的技術關鍵就是沖擊損傷，本文試圖還原復合材料沖擊損傷問題的來龍去脈。
回顧碳纖維應用的發展史，大家都知道英國羅羅公司是第一個試圖把碳纖維用于高端應用——在1967年開始研制飛機發動機進氣風扇葉片的吃螃蟹者，當然失敗的原因很多，但很重要的一個原因是復合材料葉片沒有通過外來物沖擊的考驗，致使英國在碳纖維復合材料發展中失去了先機，退出了領先的地位。1970年代初國際石油危機爆發，民用飛機的機體結構輕量化被提上了日程，碳纖維作為首選再一次受到了關注。為解決新材料應用中首先遇到的信心（安全性）問題，波音公司研制了100多付擾流板在波音707上試用，1975年經試用考核后，對這些擾流板進行了檢查，發現碳纖維復合材料部件出現了金屬結構沒有遇到的新問題——濕熱引起的材料性能下降和沖擊損傷（擾流板是薄蒙皮夾層結構）。自此復合材料沖擊損傷就成了復合材料技術中的核心問題之一。
2 復合材料沖擊損傷研究歷程
2.1 壓縮下沖擊強度研究和應用
由于最初沖擊損傷問題是由擾流板這類薄蒙皮夾層結構引起的，當時關注的外來物主要是地面和空中飛行時的冰雹和跑道碎石，都是在結構受載時受到的外來物沖擊，因此美國NASA在1970年代和1980年代初期主要研究壓縮下沖擊強度，采用的設備是由壓縮裝置對受壓縮載荷的復合材料試樣射出鋁丸（模擬密度相近的跑道碎石和冰雹），變量是鋁丸的速度（有壓縮空氣壓力控制）和復合材料試樣的壓縮應變（由壓縮載荷控制），試驗結果是沖擊能量~壓縮破壞應變曲線。
展開 《復合材料力學》
目錄：
第1篇 復合材料力學基礎
第1章 復合材料概論
1.1 復合材料及其種類
1.2 復合材料的構造及制法
1.3 復合材料的力學分析方法
1.4 復合材料的力學性能
1.5 復合材料的各種應用
習題
第2章 各向異性彈性力學基礎
2.1 各向異性彈性力學基本方程
2.2 各向異性彈性體的應力應變關系
2.3 正交各向異性材料的工程彈性常數
習題
第2篇 復合材料宏觀力學
第3章 單層復合材料的宏觀力學分析
3.1 平面應力下單層復合材料的應力應變關系
3.2 單層材料任意方向的應力-應變關系
3.3 單層復合材料的強度
3.4 正交各向異性單層材料的強度理論
習題
第4章 復合材料力學性能的 實驗測定
4.1 纖維和基體的力學性能測定
4.2 單層板基本力學性能的 實驗測定
4.3 其他力學性能 實驗
教學實驗指導書
實驗1 單層復合材料彈性常數測定
實驗2 單層復合材料拉伸、剪切強度測定
實驗3 單層復合材料壓縮性能測定
實驗4 單層復合材料彎曲性能測定
實驗5 單層復合材料層間剪切強度測定
實驗6 復合材料沖壓式剪切強度測定
實驗7 復合材料沖擊韌性測定
第5章 層合板剛度的宏觀力學分析
5.1 引言
5.2 層合板的剛度和柔度
5.3 幾種典型層合板的剛度計算
5.4 層合板剛度的理論和 實驗比較
習題
第6章 層合板強度的宏觀力學分析
6.1 層合板強度概述
6.2 層合板的應力分析
6.3 層合板的強度分析
6.4 層合板的層間應力分析
習題
第7章 濕熱效應
7.1 單層板的濕熱變形
7.2 考慮濕熱變形的單層板應力應變關系
7.3 考慮濕熱變形的層合板剛度關系
展開 
基于LS-DYNA的復合材料防撞梁正碰剛性墻仿真
輕量化材料主要包括碳纖維、鋁合金、鎂合金、鈦合金、工程塑料、復合材料和高強度鋼等，主要用來改造和替代車身材料。
目標：
本項目采用熱塑性玻纖/PP復合材料對車輛防撞梁進行輕量化，保證前防撞梁總成（不含安裝螺栓）重量在5Kg以內，達到降重目的。
結構方案：
吸能盒及連接件等仍采用傳統金屬材料（鋁合金6060），將防撞梁改為GF/PP復合材料，材料屬性如下：
方案一：防撞梁完全采用復合材料。復合材料抗沖擊性能較差，完全采用復合材料風險較大。
方案二：防撞梁采用復合材料及鋁合金結合。外側框架采用鋁合金，內側采用波紋狀復合材料，增強其抗剪能力。
碰撞方式：
針對方案進行正碰等效剛性墻試驗：將除防撞梁與吸能盒之外的車體簡化為一長1.2m寬0.5m的方形剛性板，配重1.5t，其中間位置放置加速度計，并以10 km/h速度撞向固定的剛性墻，
方案一結果：
由于復合材料抗沖擊性能較差，針對復合材料防撞梁進行剛性墻碰撞仿真，其結果如下圖：
可以看出，防撞梁碰撞后損傷比較嚴重，在預料之中。此方案不予以考慮。
方案二結果：
由圖可看出前防撞梁碰撞總能量578KJ，473KJ的能量轉化為內能，82%的能量被吸收。
吸能盒吸收能量334JK，吸能盒變形39mm，變形量為63.5%。
纖維復合材料密度較小，單向力學性能較好，在輕量化方向有著非常好的前景。但纖維復合材料壓縮，抗沖擊等性能較差，本項目主要想通過復合材料防撞梁來探討纖維復合材料在沖擊工況下的應用，尋找到一種可行的應用方式，為汽車輕量化提供一種新的應用方向。
展開 復合材料結構設計知識共享系列之二復合材料沖擊損傷的來龍去脈
1 引言
貫穿碳纖維增強復合材料研究最引人注目的是其沖擊損傷問題，無論是相關的材料（包括纖維和樹脂）研究，結構設計的重點還是工藝制造和維護問題，碳纖維復合材料一進入解決輕量化需求的高端應用，遇到的技術關鍵就是沖擊損傷，本文試圖還原復合材料沖擊損傷問題的來龍去脈。
回顧碳纖維應用的發展史，大家都知道英國羅羅公司是第一個試圖把碳纖維用于高端應用——在1967年開始研制飛機發動機進氣風扇葉片的吃螃蟹者，當然失敗的原因很多，但很重要的一個原因是復合材料葉片沒有通過外來物沖擊的考驗，致使英國在碳纖維復合材料發展中失去了先機，退出了領先的地位。1970年代初國際石油危機爆發，民用飛機的機體結構輕量化被提上了日程，碳纖維作為首選再一次受到了關注。為解決新材料應用中首先遇到的信心（安全性）問題，波音公司研制了100多付擾流板在波音707上試用，1975年經試用考核后，對這些擾流板進行了檢查，發現碳纖維復合材料部件出現了金屬結構沒有遇到的新問題——濕熱引起的材料性能下降和沖擊損傷（擾流板是薄蒙皮夾層結構）。自此復合材料沖擊損傷就成了復合材料技術中的核心問題之一。
2 復合材料沖擊損傷研究歷程
2.1 壓縮下沖擊強度研究和應用
由于最初沖擊損傷問題是由擾流板這類薄蒙皮夾層結構引起的，當時關注的外來物主要是地面和空中飛行時的冰雹和跑道碎石，都是在結構受載時受到的外來物沖擊，因此美國NASA在1970年代和1980年代初期主要研究壓縮下沖擊強度，采用的設備是由壓縮空氣系統裝置對受壓縮載荷的復合材料試樣射出鋁丸（模擬密度相近的跑道碎石和冰雹），變量是鋁丸的速度（有壓縮空氣壓力控制）和復合材料試樣的壓縮應變（由壓縮載荷控制），試驗結果是沖擊能量~壓縮破壞應變曲線。
展開 復合材料力學
目錄
第1篇 復合材料力學基礎
第1章 復合材料概論
1.1 復合材料及其種類
1.2 復合材料的構造及制法
1.3 復合材料的力學分析方法
1.4 復合材料的力學性能
1.5 復合材料的各種應用
習題
第2章 各向異性彈性力學基礎
2.1 各向異性彈性力學基本方程
2.2 各向異性彈性體的應力應變關系
2.3 正交各向異性材料的工程彈性常數
習題
第2篇 復合材料宏觀力學
第3章 單層復合材料的宏觀力學分析
3.1 平面應力下單層復合材料的應力應變關系
3.2 單層材料任意方向的應力-應變關系
3.3 單層復合材料的強度
3.4 正交各向異性單層材料的強度理論
習題
第4章 復合材料力學性能的 實驗測定
4.1 纖維和基體的力學性能測定
4.2 單層板基本力學性能的 實驗測定
4.3 其他力學性能 實驗
教學實驗指導書
實驗1 單層復合材料彈性常數測定
實驗2 單層復合材料拉伸、剪切強度測定
實驗3 單層復合材料壓縮性能測定
實驗4 單層復合材料彎曲性能測定
實驗5 單層復合材料層間剪切強度測定
實驗6 復合材料沖壓式剪切強度測定
實驗7 復合材料沖擊韌性測定
第5章 層合板剛度的宏觀力學分析
5.1 引言
5.2 層合板的剛度和柔度
5.3 幾種典型層合板的剛度計算
5.4 層合板剛度的理論和 實驗比較
習題
第6章 層合板強度的宏觀力學分析
6.1 層合板強度概述
6.2 層合板的應力分析
6.3 層合板的強度分析
6.4 層合板的層間應力分析
習題
第7章 濕熱效應
7.1 單層板的濕熱變形
7.2 考慮濕熱變形的單層板應力應變關系
7.3 考慮濕熱變形的層合板剛度關系
展開 基于LS-DYNA的復合材料防撞梁正碰剛性墻仿真
纖維復合材料密度較小，單向力學性能較好，在輕量化方向有著非常好的前景。但纖維復合材料壓縮，抗沖擊等性能較差，本項目主要想通過復合材料防撞梁來探討纖維復合材料在沖擊工況下的應用，尋找到一種可行的應用方式，為汽車輕量化提供一種新的應用方向。
通過本次仿真結果可看出，單純使用纖維復合材料作為防撞梁主體，碰撞過程中很容易產生損壞，可實施性不高。通過金屬與纖維復合材料結合的方式，發揮金屬與纖維復合材料各自的優勢，可達到很好的使用效果。
來源于：ANSYS
