复合材料科学与工程

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1. 基于人工神经网络的热固性树脂基复合材料固化变形预测研究综述

罗玲, 田智立, 张涛, 刘雷波, 李卓达, 李丽英

复合材料科学与工程 2022, 0 (11): 120-127. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.018

摘要（41）

PDF （3584KB）（236）

热固性树脂基复合材料相对于传统材料而言优点众多,如其出色的物理和力学性能,以及其前期设计和后期制造过程中的可设计性,在航空航天行业内极具吸引力。然而其工艺引起的变形缺陷仍是至关重要的问题,该缺陷会造成装配困难、残余应力等。本文报道了热固性树脂基复合材料热压成型工艺过程中产生的固化变形行为研究现状,主要介绍了固化变形机理、固化变形的数值模拟方法、人工神经网络方法及其在固化变形上的应用。重点放在人工神经网络方法在热固性树脂基复合材料固化变形研究的最新进展,为复合材料固化变形的高通量预测和逆向设计提供方向和参考,最后简要讨论其主要发展方向。

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2. 高超声速飞行器热防护用超高温复合材料的研究进展

刘永胜, 曹立阳, 张运海, 曹晔洁, 王晶, 董宁

复合材料科学与工程 2022, 0 (10): 107-118. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.016

摘要（185）

PDF （14321KB）（201）

热防护系统是高超声速飞行器的关键技术之一,决定了飞行器研制的成败,而高温热防护材料则直接决定了热防护系统的性能。本文综述了以C/C复合材料、C/SiC复合材料、C/UHTC复合材料等为代表的热防护用超高温复合材料的研究进展,并重点分析了近年来超高温复合材料导热和烧蚀性能相关的研究进展,进而提出了未来发展方向,为热防护用超高温复合材料的发展提供参考。

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3. 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（136）

PDF （8359KB）（193）

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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4. 碳纤维平纹与斜纹编织复合材料低速冲击多尺度分析与对比

刘乐, 时建纬, 杨晶晶, 李成

复合材料科学与工程 2023, 0 (1): 16-25. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.002

摘要（259）

PDF （8372KB）（187）

为了探究平纹与斜纹编织复合材料的冲击响应,构建了多尺度框架来进行二者的分析与比较。首先构造出介观下的平纹与斜纹编织结构几何模型来探究二者的力学性能,然后将平纹与斜纹编织几何模型进行局部均匀化从而转化为等效交叉层合板模型,最后把二者的等效交叉模型拓展为宏观下的低速冲击仿真模型,在6 J能量下做了冲击仿真模拟并与实验结果做了对比。仿真和实验结果显示,二者仿真下的冲击力变化趋势与实验下的冲击力变化趋势相似,说明了该多尺度框架的可行性。斜纹编织复合材料的冲击力峰值、冲击力震荡时间以及吸收能量都要高于平纹编织复合材料。

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5. 基于各向异性超弹本构的轮胎侧偏分析

孙戬, 陈云辉, 张守京

复合材料科学与工程 2023, 0 (3): 5-10. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.001

摘要（133）

PDF （3831KB）（187）

为了准确描述帘线-橡胶轮胎侧偏的力学特性,基于单向纤维增强连续介质力学,给出了一种可用于仿真分析轮胎侧偏的帘线-橡胶复合材料各向异性超弹性本构模型。该模型中应变能被解耦为橡胶基体应变能、帘线拉伸应变能和橡胶与帘线之间的角剪切应变能;结合实验数据标定了模型参数,将标定后的各向异性超弹本构模型用于轮胎接地和侧偏分析;为各向异性超弹性复合材料本构模型的开发以及高精度帘线-橡胶轮胎模型研发提供了重要的研究基础。

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6. 复合材料Ⅱ型分层ENF试验数据处理方法对比分析

王雅娜, 赵魏

复合材料科学与工程 2022, 0 (7): 81-92. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.013

摘要（149）

PDF （2284KB）（178）

Ⅱ型分层是复合材料层板结构中常见的一种层间裂纹扩展模式,因此Ⅱ型层间断裂韧性是评估材料层间性能以及复合材料结构设计、分析不可或缺的力学性能参数。复合材料Ⅱ型层间断裂韧性测试有多种试验方法,其中以基于端部缺口梁三点弯曲(ENF)的试验方法最广泛。鉴于ENF试验中Ⅱ型分层驱动机制的复杂性和众多的影响因素,国内外研究人员提出了许多Ⅱ型层间断裂韧性的数据处理方法,在同一个ENF试验中采用不同的数据处理方法可能得到不一致的Ⅱ型层间断裂韧性测试结果。为了便于工程人员深入理解不同Ⅱ型层间断裂韧性数据处理方法的差异,本文首次系统地梳理了现存的各种基于ENF试验的Ⅱ型层间断裂韧性数据处理方法的力学原理、简化条件、推导过程,讨论了不同Ⅱ型层间断裂韧性数据处理方法的精度和适用范围,可为复合材料研制、测试、设计人员提供有用的指导。

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7. 基于蚁群算法的变刚度层合板角度优化分析

张桂明, 沈志强, 祖磊, 王华毕, 张骞, 夏献钊, 耿洪波, 潘杰, 邹李清

复合材料科学与工程 2023, 0 (1): 5-15. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.001

摘要（145）

PDF （8327KB）（163）

为了对变刚度复合材料层合板进行刚度分析,基于微分求积法(DQM)对层合板振动方程进行离散单元化处理,从而便于进行频率分析。同时,将基频作为振动的重要研究参数,将蚁群算法(ACA)与DQM联合使用,通过蚁群算法随机生成初始角度,从而实现在进化迭代过程中对DQM计算所得的频率值进行改进。分析结果表明:通过ACA的进化迭代过程,可以很好地对铺层始末角进行选择优化。通过信息素的逐代更新,并对ACA进行适当改进,实现最终角度收敛,寻找到最优铺层始末角为[<38°|62.75°>,<90°|72°>,<0°|5°>,<0°|5°>] _S,对应频率值为11.712 57 Hz。同时对数据进行统计,表明初始角主要集中在0°、38°和90°附近;终止角分布较为松散,但主要集中在10°~90°附近。

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8. 碳/玻混杂复合材料层合板单钉螺栓连接孔边应力分析

仇刚, 朱福先, 朱兴民, 徐先宜

复合材料科学与工程 2023, 0 (3): 18-26. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.032

摘要（112）

PDF （20769KB）（146）

基于经典层合板理论和复合材料机械连接结构螺栓孔边应力计算公式,推导了碳/玻混杂复合材料单钉螺栓连接结构孔边应力的计算方法。以碳/玻混杂复合材料层合板单钉螺栓连接结构为例,计算了各纤维铺层孔边径向应力、环向应力和剪切应力的分布规律。同时,采用ABAQUS有限元软件建立了碳/玻混杂复合材料层合板单钉螺栓连接结构的有限元模型,分析了层合板孔边的应力。结果表明,理论计算结果与有限元结果吻合较好,验证了解析方法的有效性。

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9. 基于非线性有限元理论的复合材料壳体缠绕参数优化设计

祖磊, 范文俊, 张骞, 牟星, 吴世俊, 张桂明, 吴乔国, 耿洪波

复合材料科学与工程 2022, 0 (10): 5-12. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.001

摘要（168）

PDF （4991KB）（142）

本文基于非线性有限元理论,对承受内压载荷的复合材料壳体进行缠绕参数优化设计。采用截锥壳单元和薄壳理论建立了复合材料壳体强度分析模型,取得了与固体火箭发动机壳体水压试验吻合的结果,与商业有限元软件ABAQUS的对比结果表明该模型具有较高的计算效率,可以用于复合材料壳体的应力分析及爆破压力预测;采用该强度分析模型与遗传算法相结合对复合材料壳体螺旋层的非测地线缠绕滑移系数进行优化设计,得到在滑移系数为0.19时壳体的爆破压力最高,与测地线缠绕相比提高了10.7%。结果表明在设计复合材料壳体时,借助该平台可以针对螺旋层的滑移系数进行优化设计,使产品达到最佳的力学性能。

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10. 复合材料残余应力与固化变形机理及控制研究进展

何靓, 朱攀星, 俆小伟, 王金云

复合材料科学与工程 2022, 0 (7): 121-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.020

摘要（152）

PDF （2027KB）（141）

复合材料因其高强轻质等特点被越来越广泛地应用于航空航天、船舶、车辆等领域,但复合材料的固化变形是阻碍其快速发展和应用的主要障碍之一。本文针对复合材料残余应力及固化变形的问题,阐述了引起残余应力和变形的机理,包括热膨胀属性的不匹配、聚合反应/结晶收缩、模具-零件的相互作用、树脂的流动压实、纤维褶皱或屈曲、温度和固化度的梯度分布,提出了包括固化参数的优化、模具补偿、零件-模具的相互作用优化、新型树脂的开发、新的固化工艺五种控制残余应力产生和固化变形方法,总结了控制固化变形方法中存在的问题,并展望了未来的研究方向。

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11. 国产CCF800H碳纤维增强耐高温双马树脂基复合材料的力学性能

王迎芬, 潘翠红, 周洪飞, 孙占红

复合材料科学与工程 2022, 0 (11): 114-119. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.017

摘要（123）

PDF （3145KB）（131）

采用热熔法制备预浸料,采用热压罐固化工艺制备了CCF800H/QY260E耐高温双马树脂基复合材料。首先测试了QY260E双马树脂的黏温特性,然后通过纤维表面扫描电镜测试、吸湿前后玻璃化转变温度测定、复合材料基本力学性能测试及断口形貌分析等方法,综合考察了国产CCF800H碳纤维复合材料的界面粘接性能、韧性和湿热性能。结果表明:QY260E树脂在较长的温度和时间范围内具有较低黏度。CCF800H/QY260E复合材料在71 ℃水浸14 d后的饱和吸水率仅为0.66%,其 T _g仅比干态(286 ℃)下降了21 ℃,230 ℃湿态时0°拉伸强度较室温干态保持率大于80%,开孔拉伸强度较室温干态保持率大于90%,260 ℃湿态时0°拉伸强度较室温干态保持率大于70%,开孔拉伸强度大于90%,230 ℃及260 ℃湿态下,层间剪切强度、开孔压缩强度较干态下保持率均大于40%,冲击后压缩强度接近国外先进复合材料IM7-5250-4的水平,且90°拉伸试样和层间剪切试样纤维与树脂结合紧密。实验结果表明CCF800H/QY260E复合材料具有良好的力学性能和湿热性能。

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12. 民用客机短舱进气道唇口抗鸟撞试验研究与仿真分析

冯荣欣, 邢运, 倪阳, 杨先锋, 汲生成, 邓志

复合材料科学与工程 2022, 0 (9): 102-108. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.015

摘要（184）

PDF （4462KB）（122）

为了研究民用客机短舱进气道结构的抗鸟撞性能,本文针对复合材料层合板结构的短舱进气道开展了鸟撞试验研究,试验研究结果表明:短舱进气道结构出现了唇口与搭接带板铆接处发生撕裂、唇口与前墙连接处紧固件发生拉脱、前墙与内外壁板连接处发生凹陷变形、进气道外壁板出现裂纹等损伤。此外,采用PAM-CRASH软件对短舱进气道结构进行鸟撞试验的有限元仿真验证,数值仿真结果表明:鸟体撞击模式、撞击过程、唇口结构损伤形貌、进气道前墙以及内外壁板上的应变与试验结果基本一致,表明建立的鸟撞数值仿真模型能够较好地模拟短舱进气道唇口的变形和失效行为。鸟撞试验及数值仿真分析研究结果表明短舱进气道唇口尽管损伤严重但前墙未被击穿,验证了结构的抗鸟撞性能。该研究所得结果可为短舱进气道的结构设计提供参考。

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13. 大型风电叶片预埋叶根连接参数化建模及强度分析

王振刚, 唐雪, 蒋传鸿, 李晓, 张石强, 谢磊

复合材料科学与工程 2022, 0 (10): 20-24. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.003

摘要（199）

PDF （3407KB）（108）

基于Python开发了风电叶片预埋叶根连接有限元建模脚本,通过预埋叶根连接几何模型参数化,同时自动进行材料属性设置、接触设置、网格划分及载荷约束设置,实现了预埋叶根连接参数化有限元建模。通过有限元分析软件对叶片双头螺栓和轴承端螺栓施加预紧力,在预紧力和外载共同作用下,利用有限元分析软件进行接触非线性计算,依据VDI 2230和GL 2010分析了预埋叶根连接螺栓及螺栓套与界面之间的静强度和疲劳强度,为预埋叶根连接设计优化提供指导和参考。基于Python开发的风电叶片预埋叶根连接参数化有限元建模脚本,缩短了风电叶片预埋叶根连接详细设计及结构校核周期。

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14. 基于损伤分形维数的树脂基复合材料冲击后压缩强度预测方法

姜文, 樊红星, 姚卫星, 陈方, 马铭泽

复合材料科学与工程 2023, 0 (3): 11-17. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.031

摘要（89）

PDF （6782KB）（103）

复合材料的承载能力对于低速冲击损伤非常敏感,复合材料冲击后压缩强度的预测对其工程应用至关重要。为此本文进行了三种不同铺层的碳纤维/环氧树脂5284RTM/U3160层合板目视可检损伤状态下剩余压缩强度试验。压缩试验前通过C扫获得了不同铺层层合板冲击损伤形貌,并基于分形维数研究了冲击损伤形貌。研究结果表明损伤分形维数越大的试验件冲击后压缩强度越低,据此提出了一种基于冲击损伤形貌分形维数的复合材料冲击后压缩性能预测模型。该方法将冲击损伤形貌等效成分形几何图形——Sierpinski地毯,通过损伤分形维数获得层合板损伤后不再参与承载的面积,进而获得层合板剩余压缩强度。模型预测结果与试验结果吻合较好,且无须冲击能量作为输入参数,工程应用方便。

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15. 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（69）

PDF （16083KB）（102）

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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16. 复合材料夹芯板低速冲击研究进展

杨文栋, 徐世伟, 齐业雄

复合材料科学与工程 2022, 0 (5): 120-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.017

摘要（83）

PDF （4172KB）（100）

复合材料夹芯板由薄而硬的蒙皮和多样化的夹芯构成,作为一种轻量化结构,具有高比强度、高比刚度的特点,在准静态和动态载荷下具有优良的承载能力和耐撞性能。但是,复合材料夹芯板在工程应用中容易受到外来物冲击,特别是受到低速冲击后,其表面虽无明显损伤迹象但结构内部可能受损严重。本文介绍了复合材料夹芯板的结构及近年来夹芯板的芯部结构设计,重点归纳不同复合材料夹芯结构低速冲击下的力学性能,并总结相应夹芯板的失效形式。基于国内外研究现状,展望了未来复合材料夹芯板的重点研究方向。

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17. 铺层角度和触发机制对碳纤维复合材料六边形薄壁管准静态轴向压缩性能的影响

陈东方, 武海鹏, 梁钒, 周骐, 宋显刚, 田爱琴

复合材料科学与工程 2023, 0 (1): 77-84. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.009

摘要（53）

PDF （13160KB）（99）

复合材料六边形碳纤维薄壁管采用预浸料铺放和纤维缠绕组合工艺成型,并在管端部设置开槽、开孔不同形式的触发机制。对复合材料薄壁管进行准静态轴向压缩载荷实验,分析其变形模式和吸能机理,及铺层角度和触发机制对薄壁管比吸能和总吸能的影响。实验证明,相同触发机制下[±45°]铺层角度的六边形薄壁管试件的比吸能和总吸能比[0°/90°]、[±45° ₂/0°/0°/90°/0°]、[64° ₂/0° ₂/64° ₂/0° ₂/64° ₂]铺层角度试件高123.7%、111.5%、111.5%,相同铺层角度下触发机制为开槽时的初始峰值载荷要高于开孔形式。

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18. 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）（99）

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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19. 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（86）

PDF （3981KB）（95）

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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20. 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（68）

PDF （7883KB）（94）

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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21. 不同成型方法的树脂基复合材料帽形结构共固化成型质量研究

常腾飞, 湛利华, 李树健, 潘阳

复合材料科学与工程 2022, 0 (7): 32-38. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.005

摘要（80）

PDF （6560KB）（94）

传统手工铺贴存在成型质量不稳定、生产效率低等问题,难以满足复杂复合材料主承力结构的生产需求,而自动铺带技术还无法对特征复杂的承力结构进行有效铺贴。基于此,本文在手工铺贴的基础上,提出了一种预成型共固化工艺。同时,利用光纤光栅传感器监测应变,结合相控阵超声检测、光学显微观察以及力学性能测试,对比研究了手工成型共固化和预成型共固化方法对复合材料帽形结构成型质量的影响。结果表明:预成型共固化制备帽形结构内部应变变化幅度更大,主要受罐内压力和硅橡胶辅助模具影响,有利于结构内部纤维平顺分布,压实效果更好;帽形加筋结构内部缺陷种类繁多,主要存在于三角区以及帽形长桁与蒙皮壁板结合处;相比手工成型共固化工艺,预成型工艺(1 ℃/min升温至60 ℃,保温1 h)条件下帽形结构的关键区域基本不存在孔隙缺陷,有效降低了纤维皱曲的程度,外形精度分布均匀,其中,拉脱强度提高21.5%。

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22. 航空发动机用T800级碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制备及性能

倪洪江, 李军, 邢宇, 戴霄翔, 张代军, 陈祥宝

复合材料科学与工程 2022, 0 (5): 46-51. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.031

摘要（73）

PDF （5153KB）（90）

针对航空发动机对高性能耐高温树脂基复合材料的需求,开展了T800级碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制备与性能研究。研制了苯乙炔封端聚酰亚胺树脂基体EC-380A,开发了T800级碳纤维预浸料连续制备技术,获得了复合材料性能。树脂具备370 ℃~400 ℃耐温能力,可采用热压罐工艺成型。T800级碳纤维/EC-380A复合材料表现出耐高温、高强度、高模量和高韧性特点:室温下拉伸强度和模量分别达到2 120 MPa和169 GPa,冲击后压缩强度(CAI)达到256 MPa,370 ℃孔拉强度和模量高温保持率达到97%和84%以上。制备了典型结构件,安全裕度充足。

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23. 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（60）

PDF （10364KB）（88）

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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24. 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（59）

PDF （6550KB）（87）

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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25. 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（36）

PDF （902KB）（86）

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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26. 跨厚比对碳纤维复合材料三点弯曲性能的影响

王一超, 李鹏, 周菊萍

复合材料科学与工程 2023, 0 (3): 83-88. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.012

摘要（162）

PDF （13978KB）（84）

本文分别以日本东丽T700SC、T1100G碳纤维为增强体,自制树脂体系为基体,采用模压工艺制备了单向碳纤维复合材料层合板。分别研究了两种复合材料层合板在跨厚比为16∶1、32∶1、40∶1、50∶1时三点弯曲强度的变化规律,并着重分析了对应的弯曲破坏模式。结果表明:T700、T1100碳纤维复合材料的三点弯曲最佳跨厚比分别为32∶1和40∶1,对应的破坏模式均为上表面压缩和分层破坏。在32∶1的标准跨厚比下,T1100碳纤维复合材料层合板的弯曲强度为1 779.87 MPa,仅比T700碳纤维复合材料层合板高2.61%。

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27. 高性能有机纤维在防弹复合材料领域应用研究现状

董彬, 魏汝斌, 王小伟, 张文婷, 李锋, 翟文

复合材料科学与工程 2023, 0 (1): 116-123. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.015

摘要（66）

PDF （2787KB）（82）

纤维增强树脂基复合材料在弹道防护领域表现出极大的应用潜能,可显著提升防护装备的防护能力和轻量化水平,已成为各国互相竞争的核心战略材料。纤维增强体的性能对复合材料的抗弹性能起到决定性作用。本文首先简要探讨了纤维复合材料的抗弹吸能机理,分析了纤维力学性能与抗弹性能之间的关系。重点介绍了目前几种弹道防护领域常用高性能有机纤维如对位芳纶纤维、杂环芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并双噁唑纤维、聚苯撑吡啶并二咪唑纤维等的合成制备、结构特性、物理机械性能、主要优缺点及在弹道防护领域的应用现状,展望了高性能有机纤维在防弹复合材料领域的发展趋势。

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28. 纤维增强复合材料叶轮对风机振动特性的影响研究

张锦光, 邓伟, 杨桢, 邱浩, 文湘隆

复合材料科学与工程 2023, 0 (3): 53-58. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.008

摘要（64）

PDF （9098KB）（78）

为探究不同材料叶轮对轴流风机振动特性的影响,通过研究不同铺层角度对纤维增强复合材料叶轮固有频率及阻尼比的影响,确定了叶轮铺层方案。计算了不同材料叶轮在额定工况下的安全裕度,结果表明纤维增强复合材料叶轮在运行过程中具有足够的安全裕度。采用谐响应分析方法,对安装有铝合金材料叶轮及纤维增强复合材料叶轮的风机在额定转速下的振动响应进行了对比分析,并对同一风机在仅更换不同材料叶轮的前提下进行振动试验。仿真与试验结果均表明,与装备有铝合金材料叶轮的风机相比,装备有碳纤维增强复合材料叶轮的风机在低频段范围内结构振动加速度级降幅明显,在高频段结构振动加速度级幅值较大。装备有玻璃纤维增强复合材料叶轮的风机全频段的结构振动加速度级均有较大降幅,减振效果显著。

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29. 蜂窝夹层结构中新型半埋件设计及其拉拔性能研究

崔浩南, 文立伟, 赵聪

复合材料科学与工程 2023, 0 (1): 26-33. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.031

摘要（75）

PDF （8488KB）（78）

传统蜂窝夹层板后埋件采用工字形结构,需要手动注胶至胶液填满蜂窝芯格,精度低、效率低,且埋件-胶液整体重量较大。出于减重和适应自动化装填的目的,设计了新型帽形半埋件结构,搭建了埋件自动化装填平台,完成了埋件自动化组装工艺验证;利用工业CT分析了不同流胶口数量的胶液填充状态;借助拉伸试验机对不同数量流胶口、不同注胶量的新型半埋件及胶液填充100%的传统工字形全埋件做垂直于面板的拉伸试验。结果表明:新型半埋件侧面流胶口的数量越多,胶液填充越均匀,拉伸性能越好;且注胶量的增大能显著提高其拉拔承载力,相应的埋件-胶液总重也会迅速提高,但当注胶量过大时,过多胶液会流至蜂窝底部,拉拔承载力增幅较小。与传统工字形全埋件相比,新型帽形埋件的最大拉拔承载力有所降低,但降幅较小,其中G08-P04只降低了9.5%,同时,结构质量却能减少65.2%,更加适用于低承载、轻质结构板的要求。所做工作可以为半埋件减重设计及自动化组装提供参考。

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30. 超声导波在CFRP层合板中的传播特性及仿真实现

李俊, 宋春生, 李民辉, 刘雨, 魏子航

复合材料科学与工程 2022, 0 (5): 12-20. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.002

摘要（72）

PDF （5822KB）（77）

本文采用数值和有限元仿真相结合的方法研究超声导波在复合材料层合板中的传播特性。首先理论分析波频散方程的建立过程,引入了复合材料中体波传播的差异性。然后对导波传播进行数值分析,最后建立有限元仿真模型,结合数值结果验证仿真模型的正确性和有效性。研究表明:慢度和偏斜角能很好地表征体波的传播特性;相比于其他铺层频散曲线,单向层合板对称模态波在纵波速度上方出现无频散区域;复合材料层合板中导波传播的相速度曲线和群速度曲线不一致,层合板均质刚度转换矩阵分量对波传播影响较大;数值和有限元相结合为导波在复合材料结构健康监测和无损检测领域的发展提供重要帮助。

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31. 嵌入阻尼膜复合材料固支加筋板的振动分析

纪胜飞, 梁森, 王光和

复合材料科学与工程 2022, 0 (11): 5-14. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.001

摘要（63）

PDF （3647KB）（76）

为研究嵌入阻尼膜复合材料加筋板的自由振动特性,应用铁木辛柯梁理论推导出加强筋的应变能和动能,通过能量法建立了加筋板的自由振动理论模型,将满足四边固支边界条件的结构位移函数由伽辽金加权余值思想转换成双级数形式,建立了嵌入阻尼膜复合材料四边固支加筋板结构的振动微分方程,求解结构的自由振动频率和损耗因子。构建有限元模型、制作阻尼膜复合材料加筋板试件并搭建实验平台,通过理论解、数值模拟解以及模态实验解三者对比,证明了理论模型的有效性,同时,进一步研究了加强筋的高度与加强筋之间的距离对嵌入阻尼膜复合材料加筋板振动特性的影响,为大阻尼、高刚度的嵌入阻尼膜复合材料固支加筋板的优化设计提供理论依据。

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32. 碳纤维复合材料部件加工技术现状及发展趋势

钟明建, 胡炜杰, 廖晓恬, 韦君婷, 刘冰, 胡芝蓉

复合材料科学与工程 2022, 0 (5): 110-119. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.016

摘要（79）

PDF （2678KB）（75）

作为难加工材料之一的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等优异性能,被广泛应用于航空、汽车、风力发电等行业领域,产品市场日益扩大,其部件的尺寸精度、表面质量等精加工技术逐渐成为众多厂商和专家学者的研究热点。本文综述常见CFRP部件加工技术特点、加工技术机理、单工艺参数对加工质量影响和应用现状,探讨CFRP部件常见加工技术改进趋势,并展望了CFRP部件高精度加工技术的发展趋势。

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33. 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（69）

PDF （3222KB）（75）

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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34. 复合材料空间3D打印技术研究进展

陈怡, 莫桂冬, 余抗, 秦俊杰, 李敬洋, 祁俊峰, 赖小明

复合材料科学与工程 2022, 0 (6): 122-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.019

摘要（131）

PDF （8634KB）（74）

作为一种在轨制造技术,空间3D打印可快速实现复杂构型产品制造,对深空探索、外星基地建设等具有重要意义。但是空间的微重力、高真空、高低温、强辐射等极端环境条件,对在轨3D打印设备、材料和工艺均提出了较高的要求。目前空间3D打印发展时间较短,技术成熟度仍然偏低,全球仅有少数几个国家进行了空间验证。本文简要回顾了国内外空间3D打印技术进展,结合本团队研制的复合材料空间增材制造系统,提出了适用于空间站及航天器舱内的3D打印系统设计要素,并分析了复合材料空间打印的关键技术;最后对我国复合材料空间3D打印后续发展提出了展望和建议。本文旨在为后续空间3D打印更广阔的工程化应用提供一定的技术基础。

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35. 真空辅助灌注成型用聚双环戊二烯的制备及其碳纤维增强复合材料的性能研究

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 2022, 0 (6): 89-95. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.014

摘要（100）

PDF （8546KB）（74）

本文采用聚苯乙烯-丁二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物作为DCPD单体的增黏剂,以亚磷酸正三丁酯作为缓聚剂,使其工艺特性满足真空辅助灌注成型,成功制备碳纤维增强聚双环戊二烯复合材料。通过研究增黏剂含量对单体黏度和聚合后树脂力学性能的影响确定树脂体系的组分配方。利用VARI工艺制备复合材料,研究了改性聚双环戊二烯/碳纤维复合材料的Ⅰ型断裂韧性以及弯曲性能,并与环氧树脂/碳纤维复合材料进行比较。研究结果表明,由该树脂体系制备的碳纤维复合材料Ⅰ型层间断裂韧性起始值和扩展值分别比环氧树脂/碳纤维复合材料高26.1%和30.4%,但是弯曲强度较低。微观结构表明,碳纤维表面残留聚双环戊二烯树脂发生明显塑性变形,消耗更多的能量,从而获得更高的Ⅰ型断裂韧性,然而树脂与碳纤维界面结合力较差,载荷无法实现在树脂与树脂之间的良好传递,最终导致较低的弯曲强度。

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36. 缠绕张力对复合材料缠绕结构材料强度的影响规律研究

杜友耀, 邓春志, 常鑫, 徐自力, 张映明, 高跃

复合材料科学与工程 2022, 0 (8): 70-74. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.010

摘要（55）

PDF （6115KB）（73）

采用张力缠绕工艺制作的复合材料护套是预防高速永磁电机转子永磁体在离心力载荷下破坏的有效途径。本文针对复合材料缠绕结构缠绕张力对其材料强度影响的多因素竞争关系,设计并开展了不同张力缠绕复合材料NOL(Naval Obdnance Laboratory)环强度实验、缠绕结构固化残余应力实验,获得了缠绕张力对复合材料的材料强度、缠绕结构残余应力的影响规律,分别采用混合率和代表体元方法建立了缠绕张力影响及纤维体分比变化规律的纤维缠绕材料拉伸强度理论估测方法,阐释了缠绕张力导致复合材料强度影响机理,为缠绕复合材料结构选择合适的缠绕张力范围提供了参考。

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37. 应变硬化水泥基复合材料(SHCC)设计理论及力学性能研究进展

冷赞, 薛昕

复合材料科学与工程 2023, 0 (3): 120-132. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.019

摘要（48）

PDF （4583KB）（73）

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)克服了普通混凝土韧性差、裂缝宽度难以控制等缺点,在拉伸状态下呈现准应变硬化和多缝开裂特性,韧性和耐久性优异,应用前景广泛。我国针对SHCC的研究起步较晚,目前已开展了大量研究,取得了众多成果,但仍存在不少课题。本文首先对SHCC的性能定位、承载机制以及设计方法进行了阐释,重点说明了微观材料参数对SHCC材料宏观力学性能的显著影响;在此基础上重点聚焦SHCC的拉伸性能在我国的研究现状进行了综述,并对其他力学性能进行了简要概述,综述结果证明了上述设计理论在SHCC材料设计过程中的重要指导作用;最后总结了目前研究中存在的课题并对将来的发展进行了展望。希望本文能对SHCC的进一步深入研究和推广应用提供一定的借鉴作用。

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38. 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（53）

PDF （7155KB）（73）

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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39. 偶联剂对碳纤维增强乙烯基树脂复合材料界面性能影响研究

张振, 王万杰, 彭运松, 曹艳霞, 李想

复合材料科学与工程 2023, 0 (4): 34-40. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230428.005

摘要（33）

PDF （7719KB）（71）

本文采用偶联剂添加的方法,分别研究了偶联剂种类、偶联剂用量、添加工艺对碳纤维增强乙烯基树脂复合材料性能的影响。分别使用硅烷偶联剂和大分子偶联剂对复合材料进行改性,结果显示大分子偶联剂对碳纤维增强乙烯基树脂复合材料的性能提升更为显著。对于不同种类的碳纤维织物,大分子偶联剂的增强效果不同。对于某国产T700碳纤维织物,随着大分子偶联剂的加入,复合材料性能不断提升,当用量为1.5%时,其层间剪切强度提升了41.4%(由24.4 MPa升至34.5 MPa)。而将大分子偶联剂用于某东丽T700碳纤维织物的改性时,其性能呈现出下降的趋势。此外,对比采用不同添加工艺时复合材料的性能提升幅度和数据分散性发现,大分子偶联剂在树脂中添加使用的工艺优于对碳纤维织物表面喷涂使用的工艺。

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40. 基于印刷感应层电学稀疏成像的蜂窝夹层结构冲击损伤识别

周登, 严刚, 郭树祥, 束嘉俊

复合材料科学与工程 2022, 0 (9): 5-10. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.031

摘要（104）

PDF （7984KB）（71）

蜂窝夹层结构在航空航天领域具有广泛的应用,但其在使用过程中不可避免地会遭受损伤,特别是冲击造成的损伤对其强度有很大的影响。本文结合现代电子印刷技术,采用石墨烯导电碳油墨和银浆油墨在蜂窝夹层结构表面制备智能感应层,结合电学成像技术对低速冲击损伤进行识别。使用落锤冲击试验装置对蜂窝夹层结构进行了低速冲击,并于冲击前后在印刷感应层中注入微小电流获取边界电压变化。对电压数据进行分析,基于SpaRSA稀疏正则化算法重建感应层电导率变化的图像,将损伤信息可视化。实验结果表明,所提出方法能有效地识别出蜂窝夹层结构中冲击损伤的个数、位置和大致尺寸,与传统基于Tikhonov正则化的算法相比,稀疏成像算法对损伤尺寸的识别效果更好,为蜂窝夹层结构冲击损伤在线识别提供了一种新途径。

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