复合材料科学与工程

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1. 异质多层复合板层间剪切强度测量计算方法

周俊, 王阳, 黄明, 翟孟雷, 陈文广, 张娜, 刘春太

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.001

摘要（135）

PDF （8359KB）（184）

在现有的复合材料层间剪切强度测试方法中,用于计算强度的公式仅含有试样的几何参数而未考虑模量和中性面变化,所以仅适用于各向同性或横观各向同性复合板,对于不同材料非均匀铺设的异质多层复合板,使用该方法会得到不同严重程度的错误结果。鉴于此,本文首先构建了三层异质复合板中性面位置及层间切应力计算方法,进而推导出 n层复合板中性面及层间切应力计算通式,结合短梁剪切法,建立了异质多层复合板层间剪切强度测量计算方法。计算分析表明,对于异质复合板,其最大相对层间切应力会随各层模量的变化而改变,其中性面也不再位于试样几何中心。针对GFRPP/胶/GFRPP和GFRPP/胶/钢这两类三层异质复合板的试验结果表明,本文方法能较准确地测量计算出异质复合板层间剪切强度,而现有方法则会随复合板各向异性程度的增加而逐渐偏离真实值。

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2. 挖补修理蜂窝夹芯结构侧压强度的可靠性及灵敏度分析

王轩, 王威, 余芬, 邹润文, 王魁奎

复合材料科学与工程 2024, 0 (1): 5-12. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.001

摘要（84）

PDF （3981KB）（77）

以挖补修理复合材料蜂窝夹芯结构为研究对象,考虑胶层性能的不确定性,通过ABAQUS-MATLAB-Python联合仿真,建立挖补修理蜂窝夹芯结构侧向压缩渐进损伤分析模型,得到随机变量与其所对应的输出响应。基于蒙特卡罗法进行可靠性分析,采用基于方差和失效概率的全局灵敏度分析方法进行参数灵敏度分析。结果表明:外载荷在不同数值区间下结构失效概率具有较大差异,在接近极限破坏载荷时失效概率显著增加;胶层厚度方向的弹性模量和面内两个相互垂直方向上的剪切模量对挖补修理蜂窝夹芯结构侧压强度方差和失效概率的影响较大。

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3. 复合橡胶基磁流变弹性体的动态力学特性研究与模型验证

马乾瑛, 李帅, 高晓敏, 吴宗欢

复合材料科学与工程 2023, 0 (9): 5-12. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.001

摘要（81）

PDF （4128KB）（93）

本文对研发的复合橡胶基磁流变弹性体材料(MRE)的动态力学特性进行了研究,通过循环剪切试验测试了其力学性能。设计了三组剪切试验,分别研究应变幅值、加载频率、外加磁场对MRE力学性能的影响,绘制了在不同加载条件下MRE的滞回曲线,根据试验数据计算得到最大阻尼力、等效刚度、储能模量、耗散能、损耗模量和损耗因子。试验结果表明:MRE的耗能能力明显受到幅值和频率的影响,在200%的幅值和2.0 Hz的加载频率以内,其耗能能力与幅值和频率呈正相关,且其耗能能力受幅值影响比受频率影响更大;外加磁场也能提升MRE的耗能能力,但在50 mT以上的磁场强度下,此MRE性能的提升趋势明显减弱。最后采用Bouc-Wen模型对MRE的动态力学特性进行描述,通过Simulink自带最小二乘算法进行参数拟合,对拟合结果的分析表明,最大阻尼力与耗散能的最大拟合误差在10%以内,平均误差低于5%。

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4. 补片搭接长度对修理层合板湿热振动特性的研究

崔开心, 卢翔, 赵耀斌

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 12-20. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.002

摘要（68）

PDF （16083KB）（93）

根据复合材料层合板损伤尺寸确定补片的搭接长度尤为重要,合适的搭接长度能够有效提高层合板的强度,延长使用寿命。通过数值仿真与试验验证,研究湿热效应下补片的搭接长度对修理层合板振动特性的影响。基于一阶剪切变形理论(FSDT)和Hamilton原理推导了层合板在湿热效应下的本构方程和自由振动控制方程。利用ABAQUS软件建立了双面阶梯修理层合板模型,分析了在不同温度、湿度和湿热耦合作用下,使用搭接长度 p分别为8 mm、10 mm、12.7 mm、14 mm、16 mm、18 mm的补片修理层合板与完整板的振动特性。结果表明:当温度 T为300~320.15 K, p为12.7 mm时,层合板的热稳定性与刚度恢复效果较好;当湿度 C为0%~0.158%, p为14 mm时,层合板的湿稳定性与刚度恢复效果较好;湿热耦合作用下,采用搭接长度较小的补片,固有频率变化较大,采用搭接长度过大的补片则会扩大修理区域导致层合板剩余刚度降低。 p值越靠近12.7~14 mm的修理构型,湿热效应对固有频率影响越小,层合板的湿热稳定性与修理效果越好。

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5. 碳纤维复合材料的湿热老化模型研究

王威力, 魏程, 田晶

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 44-48. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.006

摘要（68）

PDF （3222KB）（68）

在90%RH的高湿度环境下,选择40 ℃、60 ℃和80 ℃三个温度条件对碳纤维复合材料进行湿热加速老化试验,并对复合材料的动力学和力学性能进行测试。以扫描电镜(SEM)、力学性能、差热扫描(DSC)和红外(IR)测试结果为依据,选择了两种湿热加速老化模型,并计算确定了相应的参数,得到在90%RH的高湿度环境中,两种老化模型的具体计算公式。由计算结果可知,动力学模型较适用于推算不同温度条件下材料性能的变化情况,剩余强度模型适用于推算延长时间变量后的材料性能变化。

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6. 基于预制分层损伤方法的复合材料三次冲击损伤研究

许良, 胡鸿铭, 周松, 宋万万

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 21-27. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.003

摘要（67）

PDF （7883KB）（81）

在ABAQUS/Explicit中建立复合材料层合板三次冲击的三维仿真模型,采用预制分层损伤的方法,将前一次冲击损伤的状态变量预制进下一次冲击模型中,并将三维Hashin准则和刚度退化方案编入VUMAT子程序中。对层合板三次冲击过程中的层内损伤、层间损伤和接触力进行分析。结果表明,仿真结果与冲击试验结果吻合良好,所建立的模型可以较好地反映复合材料层合板三次冲击下的损伤演化过程。和后续冲击相比,第一次冲击的最大接触力最小,分层损伤的形状主要由第一次损伤形成,后续冲击仅增加分层损伤的损伤面积。

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7. 三维编织复合材料细观结构建模关键问题研究

刘帅, 王真, 卢国盛, 刘芳, 沈敏

复合材料科学与工程 2024, 0 (1): 13-21. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.002

摘要（59）

PDF （10364KB）（70）

基于细观力学的数值分析方法是研究三维编织复合材料力学性能的有效方法,其中细观模型的建立是力学分析的基础。纤维束的空间走向和细观结构几何参数表征是细观结构建模中的两个关键问题。围绕这两个关键问题,针对三维四向编织复合材料的三单胞模型开展研究,全面分析了单胞45°划分方式和水平划分方式中纤维束的各种空间走向,获得了详细的三单胞的纤维束方向余弦;针对三种形状的纤维束横截面,分析推导了编织工艺参数与单胞几何参数的复杂关系,利用编织工艺参数作为初始参数对单胞结构进行定量化表征,并获得了纤维束体积分数和纱线填充系数的计算方法。研究工作为三维多向编织复合材料的细观结构建模提供理论参考,具有一定的工程实用价值。

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8. 国产T800级高韧性环氧树脂基预浸料的TTT图绘制

何靓, 俆小伟, 胡大豹, 雷杨, 李尧

复合材料科学与工程 2023, 0 (5): 25-31. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.004

摘要（58）

PDF （6550KB）（72）

预浸料的固化动力学研究及TTT图绘制可指导相关制品的成型工艺设计及优化,保证制品的最佳力学性能。以国产T800级高韧性AC531环氧树脂基预浸料为对象,采用DSC测量法研究了其固化反应动力学,并根据固化反应特点,拟合得到了固化反应动力学的自催化模型表达式;针对预浸料的相转变行为,测试并拟合得到了玻璃化转变温度与固化度之间的关系,通过线性回归分析得到了凝胶时间与温度的关系式;绘制了TTT图,为国产T800级高韧性环氧树脂基预浸料的固化工艺优化提供理论支持。

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9. 厚轻木芯材造成的风电叶片质量缺陷研究

刘靖宇, 袁炜, 宋厚利, 梅同瑞

复合材料科学与工程 2023, 0 (5): 80-85. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.012

摘要（58）

PDF （4141KB）（22）

轻木,别名巴沙木,是一种原产于南美洲及西印度洋群岛的木棉科热带速生乔木,具有密度小、体积结构稳定、不易变形的特点,通过多年应用验证,其性能被风电叶片行业充分认可。近年随着风电度电成本不断下探,风力发电整机价格持续走低,作为占整机成本25%~30%的关键部件,风电叶片通过配合整机大型化等方式为行业成本降低提供支撑;应结构设计需要,以往较少使用的30 mm以上厚度轻木成为大型风电叶片结构中的常见选择;在风电叶片实际生产制造过程中,由此类厚度轻木导致的气泡、吸胶爆聚等缺陷多发,严重影响风电叶片制造质量。为改善该问题,从缺陷发生机理、轻木材料特性及影响等方面进行分析,提出破坏结合水附着、降低剩余水分总含量的解决方案。

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10. 典型船用复合材料阻尼性能试验研究

巩华帅, 梅志远, 陈国涛, 孙昭宜

复合材料科学与工程 2023, 0 (6): 88-94. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.013

摘要（56）

PDF （4520KB）（15）

为了研究树脂类型、纤维铺层角度、纤维种类及其混杂方式对复合材料阻尼性能的影响规律,本文针对环氧树脂QC350、乙烯基酯树脂430LV两种船用复合材料基体,碳纤维T700、玻璃纤维G430S两种增强纤维,通过真空成型制备不同纤维与树脂组合的复合材料试件,并开展动态机械热分析仪(Dynamic Mechanical Analysis,DMA)试验。结果表明:QC350纯树脂的阻尼性能优于430LV的阻尼性能,1 Hz~1 kHz频率内,两者的损耗因子 η _max(QC350)≈0.094, η _max(430LV)≈0.078,但是在频域和温域下,430LV树脂基复合材料的阻尼性能更为稳定;碳纤维复合材料(CFRP)的阻尼性能不如玻璃纤维复合材料(GFRP)的阻尼性能,1 Hz~1 kHz频率内, η _(T700/QC350)≈0.025, η _{(G430S/QC350)}≈0.030;纤维铺层角度对复合材料阻尼性能的影响较为明显,但是不会改变频域和温域内损耗因子的变化趋势,90°和±45°铺层角度的复合材料具有较好的阻尼性能,两种铺层角度损耗因子约为0°铺层损耗因子的2~3倍;当采用玻纤在外的碳玻混杂方式时,复合材料的阻尼性能较好,并且随着玻纤层数的增加,其阻尼性能逐渐提高。

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11. 湿热环境下不同挖补构型层合板振动特性分析

赵耀斌, 单金洋, 崔开心, 卢翔

复合材料科学与工程 2023, 0 (9): 13-20. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.002

摘要（52）

PDF （8217KB）（31）

通过理论推导和有限元仿真探究了自由边界条件下,不同损伤深度阶梯挖补修理层合板在不同温度和含湿量情况下的振动特性。基于Voklkersen胶接接头模型并考虑湿热效应的影响得出修理层合板的运动平衡方程,通过推导得到修理层合板的振动特征方程。在ABAQUS软件中建立了不同挖补深度层合板的有限元模型并通过试验验证,在不同温度、含湿量条件下,分析挖补层数、附加铺层数和搭接长度对振动特性的影响。研究结果表明:修理层合板固有频率增幅随挖补层数的增加而增加;含有附加铺层的层合板可以更好地维持固有频率,且两层附加补片的效果优于一层附加补片的效果;非穿透修理构型层合板的固有频率随搭接长度增加而增加;对于穿透修理构型层合板,其固有频率更易受到温度、含湿量和搭接长度影响,在高温干态环境( T=100 ℃、 C=0%)下,当搭接长度在1.5~9 mm之间变化时,搭接长度为4 mm的穿透修理构型层合板固有频率最低。

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12. 低速冲击损伤后FML的剩余拉伸强度数值模拟研究

张邵峰, 魏金辉, 唐新春, 许家婧, 刘心语, 姚潞

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 28-36. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.004

摘要（52）

PDF （7155KB）（69）

纤维金属层合板(FML)结合了复合材料与金属材料各自的优异性能,逐渐被用于汽车、飞机等交通工具的轻量化结构。然而,低速冲击后结构会存在损伤,尤其是复合材料内部复杂损伤,严重影响FML的剩余拉伸强度。因此深入探索冲击损伤后FML的剩余拉伸强度具有非常重大的工程意义。本文首先建立FML的低速冲击以及准静态拉伸有限元数值模型,并通过低速冲击/拉伸试验,对FML冲击与拉伸数值模型的准确性与可靠性进行了验证。随后借助有限元重启动技术,建立了FML的冲击-分离-拉伸一体化数值模型,对不同冲击工况下FML的剩余拉伸强度进行了数值模拟研究,进一步总结了FML冲击损伤后的剩余拉伸强度规律。最后基于冲击后的当量化模型研究了FML的剩余拉伸强度,并与一体化数值模型结果进行对比,验证了当量化分析方法的准确性,可以节约计算成本并提高研究效率。

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13. 复合材料成型模具补偿及构件自适应调整方法研究

鲍益东, 张恒, 张会杰, 宦蕾, 杨智勇, 左小彪, 安鲁陵

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 49-57. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.007

摘要（52）

PDF （12272KB）（54）

复合材料构件固化变形后进行模具补偿需要对构件有限元模型进行重新建模,效率低,工作量大且缺乏验证,针对复合材料成型模具型面补偿后需要调整对应的复合材料构件有限元模型的问题,提出了一种复合材料成型模具型面补偿及构件自适应调整的方法,采用虚拟材料模型实现了构件网格与补偿后模具网格相互贴合。使用典型件验证了方法的正确性,并依据T形加筋壁板构件实例讨论了在此方法下的试验结果。结果表明:①通过模具型面补偿,能够使T形加筋壁板和复杂筒形壁板构件固化变形量明显降低;②使用本文提出的方法进行T形加筋壁板固化试验,可得试验偏差测量值与数值模拟偏差值的最大相对误差为17.20%,满足工程验收标准;③使用本文复合材料固化成型模具型面补偿及构件有限元自适应调整方法能够避免模具补偿后构件有限元模型重构操作,提升模具补偿效率,提高结果准确性。

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14. 复合材料风电叶片预埋螺栓套连接的轴向刚度分析

高翔, 喻光安, 刘志强, 席振钊, 刘防防, 宋笑非, 秦志文

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 90-95. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.012

摘要（49）

PDF （4219KB）（41）

预埋方式的螺栓连接是大型风力机叶片根部连接和分段式叶片连接的主要形式之一。螺栓连接刚度的准确计算是保证风电叶片静态和疲劳载荷安全设计的重要因素。基于分段式叶片中的预埋螺栓套连接结构,假设被连接件内的轴向应力满足锥形分布,推导了其轴向刚度的解析方程;采用有限元数值方法确定了锥形半角;研究了螺栓直径、夹持长度以及螺栓套厚度对被连接件刚度的影响,通过对比被连接件刚度的解析解与数值解,验证了预埋螺栓套刚度解析表达式的精度。结果表明:预埋螺栓套连接的锥形半角取值范围为15°~18°;被连接件的刚度随着螺栓直径、螺栓套厚度的增大而增大,随着夹持长度的增大而逐渐减小。

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15. 基于失效理论的复合材料力学性能预测及试验验证

夏婉莹, 李志虎, 秦玉林, 张宁, 严路平

复合材料科学与工程 2023, 0 (9): 42-47. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.006

摘要（49）

PDF （8671KB）（58）

针对纤维增强复合材料力学性能预测方法进行研究,采用实际试验和有限元仿真分析相结合的方法,分别利用Tsai-Wu张量理论及Hashin失效准则确定工况的失效机能,从而获得相应工况或加载条件的最大载荷、最大位移、弹性强度和杨氏模量等力学性能结果。将试验结果与仿真结果进行比对,结果表明Tsai-Wu张量理论对工况安全性能校核较为适用,Hashin失效准则更加适用于实际的极限强度预测。同时,建立的有限元仿真模型仿真结果与试验结果吻合度较好,说明该预测模型具有良好的合理性。

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16. 热处理对CF/PEEK热塑性复合材料变形的影响

王维泽, 刘榕, 于航

复合材料科学与工程 2023, 0 (9): 80-84. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.012

摘要（49）

PDF （4609KB）（23）

碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)是一种性能优异的热塑性复合材料。CF/PEEK在成型过程中对温度和压力等条件敏感,不同的热处理条件都可能会对零件的变形产生影响。在带弧度的复合材料固化时,层合板间的内应力在脱模时被释放,会造成材料的变形,影响成型件的精度与后期使用。基于热处理工艺对CF/PEEK力学性能的提升,本文聚焦热处理工艺对CF/PEEK变形的影响,设计用于制造曲面零件的原位膜加热设备,利用圆柱形模具加工C形件,探究不同熔融温度以及不同退火温度对材料变形的影响,找出最优工艺曲线,讨论不同退火温度下可能影响变形的因素。研究发现不同熔融温度下零件回弹角在0.325 7~0.473 7之间,退火温度在250 ℃下时零件的变形最小。此研究旨在利用更高效的制造方法,提升复合材料固化后成型件的质量,助力其在航空航天领域中得到更好的应用。

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17. 超薄镀镍碳纤维管状结构电池的制备及性能研究

王亚震, 张峻滔, 李晖, 马心旗, 宗文波, 籍天戚, 吴海宏

复合材料科学与工程 2023, 0 (5): 12-18. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.032

摘要（49）

PDF （4693KB）（23）

碳纤维结构电池具有碳纤维增强复合材料优异的力学性能,同时又具有良好的储能性能,在航空航天、新能源汽车等领域有广阔的应用前景。本文采用湿法涂覆工艺,制备了超薄镀镍碳纤维电池(Nickel-plated Carbon Fiber Battery, Ni-CFB);基于嵌入集成式结构电池的设计方法,以该电池为芯部,碳纤维编织布为蒙皮,采用真空树脂传递工艺制备了碳纤维增强复合材料三明治结构电池管(Sandwich Structure Battery Tube, SSBT),测试了Ni-CFB的电化学性能,评价了SSBT在不同受载条件下电化学性能衰减行为。结果表明:Ni-CFB在0.1 C的充放电倍率下比容量达到156 mAh/g,比磷酸铁锂-石墨体系常规电池的比容量高30%;在压缩载荷比和弯曲载荷比分别达到550 N/g和89.1 N/g的条件下,SSBT的电容量分别保持在80%和60%以上,表明SSBT具有良好的结构效能和储能效能,在储能系统轻量化设计和安全性设计方面具有巨大的潜力。

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18. AC531树脂与胶膜界面相容性研究

翟全胜, 苗春卉, 崔海超, 张晨乾, 赵艳文, 叶宏军

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 37-43. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.005

摘要（46）

PDF （7364KB）（46）

本文采用J-116B胶黏剂和J-375胶黏剂,通过共固化的成型方式制备了胶接试样,并对胶接试样进行了湿热加速老化,测试了老化前后胶接试样的拉伸剪切性能,并分析了性能差异原因及界面破坏机理。结果表明:AC531树脂与J-375胶黏剂之间的界面相容性优于AC531树脂与J-116B胶黏剂之间的界面相容性,这是由于AC531树脂与J-375胶黏剂固化反应工艺窗口重合度更高,两者的表观活化能更加接近。

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19. 纤维增强热塑性复合材料3D打印研究进展

任佳军, 孙颖, 鞠博文, 于肖

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 122-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.017

摘要（44）

PDF （4609KB）（61）

3D打印(3DP),又称为增材制造(AM),是一种通过连续分层切片与材料层层沉积构建三维物体的新兴技术。近年来,关于3D打印技术的研究在全球范围内呈指数级增长。3D打印技术在航空航天、轨道交通、电子和生物医学等领域有着广泛的应用。纤维作为增强体在热塑性聚合物3D打印中的应用,极大地提高了复合材料的综合力学性能。本文在简要介绍纤维增强复合材料3D打印的发展历史基础上,评述了纤维增强复合材料3D打印的制件性能优化方式、存在问题与未来发展趋势。

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20. Z-pin增强复合材料加筋构件连接性能研究

刘维伟, 尹明鑫, 滕薛蓓, 靳可心, 严斌

复合材料科学与工程 2023, 0 (9): 98-105. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.015

摘要（44）

PDF （11112KB）（24）

通过横向三点弯曲试验研究Z-pin直径和体积分数对复合材料加筋类简化构件连接性能的影响。随着Z-pin体积分数的增加,Z-pin增强试件相比于空白对照试件,有效载荷提升48.41%~96.97%,总能量耗散提升661.88%~748.72%,本试验组研究结果表明高Z-pin体积分数可以有效提高加筋试件的承载能力。在Z-pin体积分数同为0.4%的情况下,Z-pin直径为0.5 mm的试验组的承载能力略高于Z-pin直径为0.3 mm的试验组的承载能力,但Z-pin直径为0.3 mm的试验组具有更好的稳定性。试验结果表明Z-pin的植入能够提高复合材料加筋类简化构件的有效载荷及能量耗散,很大程度上提高了加筋试件的连接性能。

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21. 大尺寸变截面翼梁的自动铺丝成型

薛柯, 何大亮, 薛凯, 马占宇, 唐珊珊, 张亮, 房晓斌

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 96-101. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.013

摘要（43）

PDF （8931KB）（36）

机翼翼梁是飞机的主承力构件,为了保证其成型质量和生产效率,需要采用自动化成型方式进行翼梁构件的生产制造。本文对目前翼梁成型方法的应用及研究现状进行了介绍,根据大尺寸变截面翼梁(长度大于10 m)的结构特点,研究了复合材料翼梁的自动铺丝成型技术。以M.TORRES龙门铺丝机为铺放平台,提出了翼梁的自动铺丝成型要点,确定了各个角度铺层的轨迹规划方法,结合轨迹规划情况,给出了翼梁的铺丝成型轨迹完善处理方案。最后,通过大尺寸复合材料翼梁的自动铺丝成型制造,验证了轨迹规划方法和轨迹处理方案的可行性与正确性,为国内自动铺丝技术在大尺寸复合材料翼梁成型上的应用提供参考。

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22. 复合材料水平尾翼的后梁铺层优化研究

刘嘉, 吴江, 张夫恩, 吴道明

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 78-83. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.010

摘要（42）

PDF （4198KB）（32）

为有效降低水平尾翼的重量,合理布置铺层方式,提高复合材料的利用效率,以某型复合材料水平尾翼为研究对象,借助专业分析软件Patran & Nastran建立了水平尾翼的有限元模型,校核了水平尾翼的静强度。设计制造了水平尾翼主承力结构试验件和试验夹具,并完成试验验证,试验结果表明二者应力分布基本一致,说明有限元模型是合理的。水平尾翼承受最大过载时,主承力件后梁最大应力远远小于材料许用值,以铺层厚度为设计变量,材料应力极限为约束对后梁铺层进行优化设计。结果表明:优化后的结构重量减轻了15.75%,且强度性能满足要求。

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23. 单向增强热塑性复合材料热冲压成型仿真与优化

张学文, 王继辉, 陈宏达, 倪爱清

复合材料科学与工程 2023, 0 (6): 104-114. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.031

摘要（42）

PDF （13802KB）（18）

基于超高分子量聚乙烯纤维增强聚氨酯(UHMWPE/PUR)单向带预浸料对热冲压过程进行模拟仿真建模与工艺优化研究。首先对单向增强热塑性复合材料在热冲压过程中的力学行为进行描述,建立热-率相关的非正交次弹性本构面内剪切本构,同时考虑热相关的面内拉伸性能;使用ABAQUS进行半球热冲压成型模拟仿真;基于主曲率法,使用MATLAB对模拟结果的面外褶皱进行定性与定量评估;研究热冲压成型工艺中,三个主要参数(压边圈压强、预浸料初始温度与模具温度)与褶皱量的关系;以最小量面外褶皱为目标,使用响应面方法对热冲压模拟成型进行优化,确定压边圈压强、预浸料初始温度及模具温度的最佳工艺参数。结果表明:压边圈压强与预浸料初始温度对褶皱影响较大;响应面法能够较为准确地预测出最佳成型工艺参数。

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24. 连续碳纤维3D打印的路径规划研究进展

张荣耀, 钱波, 刘钢

复合材料科学与工程 2023, 0 (9): 112-120. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.017

摘要（41）

PDF （2887KB）（41）

近年来,随着3D打印技术的发展,一些复杂几何形状复合材料结构能够有效制造出来,从而拓展了复合材料的应用范围。路径规划是3D打印制造过程中的关键技术之一,由于连续碳纤维各向异性的特点,不同的打印路径对成型件力学性能和成型效率有很大的影响。本文主要讲述了适用于连续碳纤维3D打印中面内非交错打印和基于载荷的路径规划。最后指出了3D打印路径规划的研究重点和发展方向。

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25. 短切碳纤维增强氧化铝复相陶瓷力学性能及抗冲击性能研究

王得盼, 梁森, 周越松, 刘龙

复合材料科学与工程 2023, 0 (6): 12-16. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.002

摘要（40）

PDF （4510KB）（16）

本文利用传统的氧化铝陶瓷制作工艺制作了碳纤维/氧化铝复相陶瓷。为防止碳纤维在高温环境下被过度氧化,分别在碳纤维表面制作一层碳粉防护层和碳化硅防护层。探究碳纤维添加含量对C _sf/Al ₂O ₃复相陶瓷以及C _sf/SiC/Al ₂O ₃复相陶瓷的力学性能及抗冲击性能的影响规律。搭建了落锤冲击试验平台,并对C _sf/SiC/Al ₂O ₃复相陶瓷进行冲击试验。结果表明:C _sf/Al ₂O ₃复相陶瓷和C _sf/SiC/Al ₂O ₃复相陶瓷的最大抗弯强度和断裂韧性相差不大,抗弯强度和断裂韧性分别在碳纤维含量为0.3%和0.1%时最大,为321.78 MPa和6.98 MPa·m ^1/2,相较于纯氧化铝陶瓷分别提高了35%和45.2%。在落锤冲击过程中,C _sf/SiC/Al ₂O ₃复相陶瓷的抗冲击性能提高了4.15%,载荷峰值提高了10.05%。

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26. 三维四向碳/碳复合材料预制体压实致密多影响因素分析与研究

任洪庆, 董九志, 梅宝龙, 陈云军, 蒋秀明

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 84-89. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.011

摘要（39）

PDF （2412KB）（13）

为提高预制体纤维体积含量,基于三维四向碳/碳复合材料预制体成型工艺,设计正交试验分析每循环压实次数、保压时间和助剂含量对纤维体积含量的影响规律,结果显示助剂含量对最终纤维体积含量影响最大,每循环压实次数影响次之,保压时间影响最小;纤维体积含量随助剂含量的增加先增大后降低,随保压时间及每循环压实次数的增加而增大。通过设计BBD响应面优化试验,建立相应纤维体积含量数学模型并验证了模型的可靠性,进而优化工艺参数并进行了试验验证。结果表明:每循环压实3次,保压7 s,两束含助剂纤维为最优压实工艺参数。在最优参数下编织的预制体最终纤维体积含量与预测值仅相差0.24%,与原工艺参数相比提高4.54%。最后通过显微观测发现最优参数下所编织的预制体更加密实。

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27. 混杂碳/玻纤维复合材料自行车轮辋的铺层优化分析及抗疲劳验证

周勇军, 邱宇鸿, 李红周

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 70-77. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.009

摘要（37）

PDF （5030KB）（16）

对碳纤维/玻璃纤维层间混杂复合材料自行车轮辋进行数值优化分析,能够设计出具有价格适中、安全性能高、耐疲劳等特点的自行车轮辋。借助有限元分析对自行车轮辋模型进行服役状态下的力学行为模拟,能够为试验研究提供相对可靠的方案,减少试验过程中不必要的原料浪费,从而降低整个复合材料轮辋的设计和制备成本。本文通过ABAQUS软件构建了自行车轮辋模型,通过调整碳纤维预浸布铺层和玻璃纤维预浸布铺层的顺序、各铺层角度比例和顺序,计算轮辋在服役状态下的力学性能,通过比较各方案得到较优的设计方案。5万次加速疲劳测试结果表明:采用优化后的自行车轮辋侧壁铺层方案及凸缘铺层方案指导复合材料轮辋的制备,可以显著提高复合材料自行车轮辋的抗疲劳能力。

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28. 碳纤维复杂构件LCM成型工艺技术发展综述

李先阳, 刘彬, 于雅琳, 周何乐子, 周华民

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 116-121. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.016

摘要（37）

PDF （2682KB）（29）

复合材料液体成型工艺(Liquid Composite Molding,LCM)是纤维增强树脂基复合材料的主流成型工艺之一。随着航空航天工业的发展,高端装备对复合材料构件的性能以及复杂性提出了更多的要求,需要对当前LCM成型工艺进行创新,为此,新型复合材料成型工艺成为研究热点。本文按成型工艺类别划分,分别概述了复合材料LCM成型、自动铺放-液体成型、三维纺织预制体液体成型以及共固化液体成型的工艺原理、工艺特点与工业应用。最后对复合材料LCM成型工艺未来发展方向提出针对性建议。

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29. 环氧树脂改性聚双环戊二烯及其碳纤维复合材料的制备与表征

杨青, 程超, 刁春霞, 吕玥蒽, 周飞, 丁小马, 陈正国

复合材料科学与工程 2023, 0 (5): 32-36. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.031

摘要（37）

PDF （5253KB）（20）

本文在双环戊二烯单体/Grubbs二代催化剂体系中加入双酚A型环氧树脂配套甲基纳迪克酸酐固化剂,通过逐步升温聚合得到环氧树脂/聚双环戊二烯(PDCPD)共混物。利用接触角测量仪、差示扫描量热仪(DSC)、红外光谱仪(FT-IR)、力学试验机和扫描电镜(SEM)对环氧树脂改性PDCPD进行了表征。研究结果表明:加入10 phr环氧树脂的DCPD单体与碳纤维织物表面接触角由83.2°降低至22.6°,润湿性得到明显改善;环氧树脂改性PDCPD相比于纯PDCPD,玻璃化转变温度由124.7 ℃提升至133.2 ℃;改性PDCPD红外光谱中未发现环氧官能团(913 cm ^-1),说明混合体系中环氧树脂反应完全;力学性能测试结果表明改性后PDCPD弯曲强度提升13.3%,断裂韧性降低11.0%,微观结构显示环氧树脂固化物呈直径小于2 μm的微球均匀分布在PDCPD内部;利用湿法模压制备的改性PDCPD/碳纤维复合材料层间剪切强度由8.2 MPa提升至15.1 MPa,断面结构显示环氧树脂的加入有效改善了PDCPD对碳纤维的附着力。

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30. 变曲率芯模绝热层缠绕成型轨迹规划与编程

徐铭浩, 侯增选, 严文聪, 张伟超, 王浩东, 罗洋洋

复合材料科学与工程 2023, 0 (5): 114-119. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.017

摘要（37）

PDF （3279KB）（14）

本文根据固体火箭发动机绝热层缠绕成型要求,分析了变曲率芯模几何特征及绝热层缠绕成型特点,研究了变曲率芯模缠绕角计算方法和基于测地线的带隙自适应控制方法,控制缠绕方向以保证缠绕轨迹满足带隙要求。分析了绝热层缠绕胶带撕裂、褶皱形成原因,建立了胶带撕裂、褶皱判定条件。研究了绝热层与椭圆凹面压辊接触区域应力分布规律,基于Winkler模型提出了缠绕压力控制方法。基于上述方法及测地线算法实现了变曲率芯模绝热层缠绕成型轨迹规划。最后,通过绝热层缠绕成型仿真,对算法可行性进行了验证。结果表明,按照本文方法获得的缠绕轨迹切实可行,能够满足变曲率芯模绝热层自动缠绕成型要求。

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31. 铺层参数对Fe/CFRP混合结构性能影响分析及优化

荆烁文, 王发展, 何浩平, 黄克鹏

复合材料科学与工程 2023, 0 (6): 95-103. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.014

摘要（37）

PDF （9091KB）（11）

为研究满足轻量化、高阻尼使用要求的Fe/碳纤维增强聚合物(CFRP)混合结构机床构件,本文运用引入约束因子的变密度法对原型铸铁横梁进行了三维结构拓扑优化,对其铺设CFRP自由阻尼层以提高阻尼特性。基于响应面法建立了关键铺层参数对结构最大变形与阻尼损耗因子的回归方程,并对铺层参数与横梁性能进行分析,通过遗传算法对复合横梁铺层参数全局寻优。结果表明:铺层角度为46.03°、0°铺层铺设比例为25.39%、铺层顺序为 C ₂时,Fe/CFRP混合结构横梁综合性能最优,其刚度基本保持不变,重量减轻35.7%,阻尼性能提升62.7%,试验结果与仿真结果一致。

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32. 复合材料柔性细杆的结构设计与试验验证

梁旭豪, 张娟娟, 沈峰, 陈永笑, 王晓蕾, 白瑞祥

复合材料科学与工程 2023, 0 (6): 115-119. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.016

摘要（36）

PDF （3451KB）（21）

柔性减速刷消旋是现有的一种针对空间自由翻滚目标的接触式主动消旋技术。针对某型减速刷消旋装置对柔性毛刷工具的基本技术要求,设计了一种碳纤维复合材料柔性细杆,通过开展有限元仿真分析,验证了结构设计方案的合理性。采用卷管成型工艺制备了细杆试样,并随机选取试样进行了试验验证。试验结果表明,24根复合材料柔性细杆的捆扎刚度和单根复合材料柔性细杆的最大弯曲挠度均符合基本设计要求,仿真分析结果与试验结果基本一致,为后续该构件在减速刷消旋装置上的应用研究奠定了基础。

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33. 基于GMDH的FRP板-混凝土黏结强度预测模型

易晓园, 张爱玲

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 102-107. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.014

摘要（36）

PDF （6252KB）（13）

近年来,纤维增强复合材料(FRP)已被广泛应用于既有混凝土结构加固。而现有FRP与混凝土界面黏结强度模型的预测精度偏低,无法为FRP的实际应用提供有效的参考。为此,本文建立了一个由855组试验数据组成的大型数据库,并在此基础上利用数据分组处理算法(GMDH)提出了一个高精度预测模型。为验证GMDH模型是否能为FRP-混凝土界面的黏结强度计算提供更有价值的参考,本文将GMDH模型与现有七个文献模型进行对比,并采用决定系数( R ²)、变异系数( COV)和相对平方根误差( RRSE)等三个统计指标对模型的预测结果进行评价。结果表明,与现有文献模型相比,本文所提GMDH模型的 R ², COV和RRSE值至少改进了11.9%、30.9%和35.3%。因此,GMDH模型能够为FRP的实际应用提供更加有效的参考。

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34. 碳纤维复合材料固化变形预报方法对比

罗玲, 张涛, 田智立, 刘雷波, 夏雅男, 李卓达, 魏洪峰

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 108-115. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.015

摘要（36）

PDF （4437KB）（17）

碳纤维复合材料固化变形引起复合材料制件装配困难、残余应力等问题。因此,非常有必要建立复合材料构件制造过程引起变形缺陷的准确预报方法。本文对半经验模型与CHILE模型这两种应用最为广泛的固化变形仿真分析方法进行对比,并通过热压罐成型工艺试验对其进行验证。试验结果表明,这两种模型均可准确地模拟复合材料层合板的固化变形行为,其模拟误差均小于10%。基于CHILE模型研究材料参数对固化变形的影响,发现对固化变形影响最大的是玻璃态横向热膨胀系数,其次是橡胶态横向化学收缩系数。

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35. 环氧树脂增韧改性技术及其在航空先进复合材料中的应用

鹿海军, 李亚锋, 张杜鹃, 黄浩

复合材料科学与工程 2023, 0 (8): 121-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230828.019

摘要（35）

PDF （902KB）（74）

环氧树脂因其良好的粘接能力、介电性能和优异的工艺性能,在航空领域被广泛地用作纤维增强复合材料的基体材料。然而环氧树脂固化产物交联密度高导致的断裂韧性差的问题,限制了其在航空先进复合材料方面的应用。文章综述了超支化聚合物、热致液晶聚合物、互穿聚合物网络和纳米粒子等方法增韧环氧树脂近年来的发展,介绍了韧性环氧树脂在航空先进树脂基复合材料的应用情况,并对其发展前景进行展望。

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36. CFRP螺栓连接力和温度耦合力学性能研究

王伟龙

复合材料科学与工程 2023, 0 (6): 120-127. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.017

摘要（35）

PDF （16551KB）（20）

本文对碳纤维复合材料(CFRP)螺栓连接在不同温度环境(常温、低温),不同连接方式(单钉双剪连接、双钉并排双剪连接),不同拧紧力矩(2 N·m、4 N·m、6 N·m)三个变量条件下的复合材料螺栓连接试件进行静载拉伸实验,探究力、温度及连接方式对螺栓连接构件的静载拉伸性能的影响。结果表明:其他实验条件相同时,双钉连接方式的试件抗拉伸强度明显提升;适当增加拧紧力矩可以有效提高螺栓连接强度;低温环境下试件抗拉伸强度略有提升。

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37. 复合材料C形梁结构的固化变形控制研究

王雪华, 陈俊林, 满珈诚, 岳广全

复合材料科学与工程 2023, 0 (6): 67-72. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230628.010

摘要（35）

PDF （7281KB）（37）

针对民机复合材料C形梁结构的固化变形问题,建立了包括传热分析模型、固化动力学分析模型、弹性模量模型、树脂收缩模型在内的仿真预测模型,对C形梁缩比件结构的固化变形进行了预测,预测结果与试验结果相比,具有较小的误差。本文将固化变形的仿真预测结果用于指导C形梁缩比件的模具型面修正调节,用型面调节后的模具制备C形梁的变形测量结果满足结构精度要求,实现了对C形梁结构固化变形的有效控制。

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38. 酚酞型聚芳醚酮与硅烷偶联剂协同改性CF/PPS复合材料

赵乐, 陈正国, 杨青, 刁春霞, 陆承志, 王少飞, 刘勇, 张辉

复合材料科学与工程 2023, 0 (9): 21-28. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.003

摘要（34）

PDF （12076KB）（45）

本文使用不同浓度的KH570溶液和0.5wt%的PEK-C溶液依次对碳纤维进行改性处理,并通过模压成型制备了CF/PPS复合材料,使用X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、万能材料试验机等手段表征改性后的CF/PPS复合材料。结果表明,使用2wt%的KH570溶液和0.5wt%的PEK-C溶液依次处理碳纤维后,复合材料的界面性能和弯曲性能大幅提升,相较于未经改性处理的CF/PPS复合材料,其弯曲强度由709 MPa提高至953 MPa,提升约34.4%,ILSS则由23.8 MPa提高至53.3 MPa,提升约123.9%。

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39. 基于多尺度分析的EMAA自修复缝线复合材料层间增韧作用研究

杨威亚, 高东晨, 铁瑛, 张臻臻, 葛超坤

复合材料科学与工程 2023, 0 (9): 29-35. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.004

摘要（33）

PDF （9082KB）（48）

为研究热塑性EMAA纤维缝线网络对碳纤维复合材料层合板的层间断裂韧性和加热修复后韧性的双重增韧作用,本文采用试验和数值多尺度建模分析相结合的方法,对含有EMAA缝线网络的碳纤维复合材料层合板在热修复前后的Ⅰ型层间断裂韧性进行了分析。根据碳纤维束微观模型预测碳纤维束等效力学参数,通过对缝线处单层板细观结构进行测量,建立细观尺度单胞模型,预测细观单胞的等效力学参数。完成DCB试件宏观模型构建,在宏观模型中添加黏性层模拟EMAA修复剂,来进行Ⅰ型层间断裂韧性分析,采用三维Hashin失效判定准则和渐进退化模型对纤维束及基体进行损伤分析,利用双线性本构模型对黏性层失效进行判定。通过将试验结果与仿真结果进行对比分析,验证了该多尺度模型的有效性;仿真和试验结果表明,EMAA缝线网络能有效提高层间断裂韧性,减缓裂纹扩展;三维缝合网络能够将自愈合EMAA送入损伤区域,继而实现分层裂纹层间断裂韧性的高恢复(修复率为175%)。

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40. 2.5D-C/C复合材料压缩试样构型及损伤失效试验研究

蒙怡, 杨胜春, 刘小川, 杨海龙, 宋贵宾

复合材料科学与工程 2023, 0 (9): 48-54. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230928.007

摘要（33）

PDF （13969KB）（26）

为探究2.5D-C/C复合材料在常温压缩载荷下的损伤过程,通过试验方法比较了不同压缩构型下的试验结果与失效模式,同时利用声发射(AE)技术实现损伤在线监测,采用改进的K-均值聚类算法对AE信号进行模式识别,结合聚类后的AE信号随时间变化的统计分析与扫描电子显微镜(SEM)微观表征,发现2.5D-C/C复合材料压缩过程损伤模式包含基体开裂与裂纹扩展、界面脱黏以及纤维弯曲断裂,并将损伤模式与AE信号相匹配,描述了材料的压缩损伤演化进程。

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