复合材料科学与工程

崔政粱, 刘强, 赖丽萍

2020, 0(2): 5-9.

摘要 ( 108 )

PDF (2631KB) ( 175 )

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车载储氢气瓶的主要组成部分包括铝合金和缠绕碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plasti,简称“CFRP”)。本文采用准静态轴压的实验方法研究了碳纤维缠绕复合管的破坏模式和纤维角度对复合管耐压性的影响,并将复合管和单独铝管的性能进行了对比。研究发现:所制备样件的外层纤维壁破坏表现为纤维的渐进式脆性断裂模式,内层铝壁破坏主要表现为金刚石模式;纤维缠绕角度在30°到60°范围内,复合管的峰值力随着碳纤维缠绕角度的增大而减小,碳纤维缠绕角度为45°的复合管具有最高的总吸能、比吸能率和压缩力效率;复合管的吸能主要来源于铝合金、碳纤维本身的变形以及碳纤维和铝合金的相互作用。研究表明,缠绕纤维和铝合金之间的相互作用能显著改善单独铝管的耐压性能。

纤维复合材料层合板在四点弯曲载荷下的损伤分析

赵玉卿, 姜峰, 黄争鸣

2020, 0(2): 10-18.

摘要 ( 166 )

PDF (2849KB) ( 258 )

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实验测试了T300/7901碳纤维复合材料_8s层合板在四点弯曲静载下的载荷-位移响应及破坏载荷。基于桥联模型,在商用软件Abaqus/CAE中实现对该层合板在四点弯曲静载条件下的层内以及层间损伤破坏进行模拟分析。分析方法分为四个部分:仅利用组分材料数据,基于桥联模型对单向复合材料层的本构关系建模;利用考虑三维应力的Hashin判据预报复合材料层的纤维拉伸、压缩损伤及基体拉伸、压缩损伤;出现组分材料损伤后对相应材料点采用Camando方法进行刚度退化;在复合材料单层中间插入薄的纯树脂层,通过树脂层的损伤破坏分析层间分层。在Abaqus/Explicit模块中,利用子程序VUMAT完成以上材料建模分析;将模拟结果与实验数据进行对比。结果表明,模拟得到的载荷-位移曲线及破坏载荷与实验结果吻合很好,所提出的材料模型能有效预报纤维复合材料层合板的层内及层间损伤破坏情况。

小型风力机叶片全覆冰仿真和模态试验对比研究

李飞宇, 崔红梅, 陈红星, 苏宏杰

2020, 0(2): 19-24.

摘要 ( 116 )

PDF (2753KB) ( 146 )

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风力机叶片覆冰后会影响风力发电机组正常工作,甚至会使风力机过载、叶片折断,进而造成安全事故和资源浪费。应用ANSYS模态仿真和模态试验两种研究方法,探究风力机叶片在不同覆冰厚度下模态参数的变化,得到叶片前四阶振型和固有频率。结果表明,仿真和试验模态测试结果接近,振型相符,基频的误差在3%以内。覆冰后叶片一阶固有频率振型为挥舞,从第二阶开始,出现挥舞和摆振方向的耦合模态振型。前四阶振型随着覆冰厚度增加振动形式保持不变,主要振动形式为挥舞摆动,叶尖处的振幅逐渐变小。随着覆冰厚度的增加,叶片固有频率逐渐降低,在覆冰厚度为30 mm时,叶片基频比不覆冰降低28.7%。

EMAA/CNT膜对复合材料Ⅱ型层间断裂韧性及自修复率的影响

高雅, 刘玲

2020, 0(2): 25-31.

摘要 ( 92 )

PDF (7129KB) ( 35 )

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纤维增强树脂基复合材料的典型结构之一为层合结构,较弱的层间性能引起的分层是层合结构失效破坏的主要因素。本文首先采用聚乙烯甲基丙烯酸(EMAA)和碳纳米管(CNT)制备了无孔实心膜和多孔夹芯膜两种EMAA/CNT复合薄膜。然后,将两种复合薄膜分别引入玻璃纤维/环氧层合板的中间界面,研究其对Ⅱ型层间断裂韧性(G_ⅡC)的增韧效果和对Ⅱ型裂纹的自修复性能。结果表明:多孔EMAA/CNT夹芯膜具有较佳的增韧和修复性能,相比纯玻璃纤维/环氧的空白试样,多孔EMAA/CNT夹芯膜增强板的G_ⅡC提高了19.6%,并且通过热激励修复后其G_ⅡC的修复率为92.5%;而无孔EMAA/CNT实心膜增强板的G_ⅡC降低了27.5%,其G_ⅡC的修复率为81.8%。微观表征表明,多孔夹芯膜与环氧在层间形成均匀的结构,从而起到良好的增韧和修复作用。

基于ANSYS的纤维增强塑料接头连接件性能研究和结构优化

王涛, 黄灵丽, 刘育建, 侯锐钢

2020, 0(2): 32-38.

摘要 ( 72 )

PDF (8861KB) ( 47 )

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通过有限元分析的方法对纤维增强塑料接头连接件的连接方式和性能进行研究和结构优化,并结合实验法对分析结果进行验证。研究表明:机械连接因为螺栓处的应力集中,不适合作为主要受较大拉伸应力的纤维增强塑料的接头连接结构;双搭接板对接的胶接连接方式具有较小的等效应力、总体形变和接触面应力,不易发生剥离破坏,说明双搭接板对接宜作为纤维增强塑料的接头连接方式,这和实测法测得结果一致,同时验证了ANSYS有限元分析在纤维增强塑料的接头连接件的性能研究中的适用性。最后基于搭接长度对接头结构进行优化,结果表明搭接长度为70 mm的双搭接板对接方式为优化结构。

某通用飞机复合材料机翼静力强度的有限元分析与试验研究

刘嘉, 熊俊, 赵新新, 吕万韬

2020, 0(2): 39-43.

摘要 ( 128 )

PDF (3107KB) ( 244 )

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机翼作为飞机的关键结构,对整个飞机的飞行安全性能有着重要影响。为评估某通用飞机全复合材料机翼的静力强度,通过MSC.Patran软件中的壳单元建立了机翼整体结构的有限元模型,并对该机翼在临界载荷作用下进行了有限元分析,给出了机翼的应力、应变结果。设计制造了机翼的试验件和试验装置,并完成了试验验证。试验结果与理论计算值基本相符,表明机翼有限元模型和分析方法是正确可行的,为结构之后的优化改进提供了依据。

彩色玻璃纤维的制备及其变色响应性

许培俊, 程静琪, 张宁, 冯鑫

2020, 0(2): 44-47.

摘要 ( 72 )

PDF (3830KB) ( 144 )

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玻璃纤维因其良好的电绝缘性能、耐高温性能、耐腐蚀性能等被广泛应用于生活中的各个领域。随着智能材料的兴起,各种具有光、热、电、磁等功能响应性的智能材料问世,功能性玻璃纤维也成为智能复合材料未来发展的重要方向。制备具有色彩响应性的彩色玻璃纤维将使玻璃纤维的颜色更加多样化,并可扩展玻璃纤维在智能复合材料领域的应用。通过真空抽滤氧化石墨烯(GO)溶液的方法将GO均匀沉积在玻璃纤维表面,制备出了拥有类似一维光子晶体结构色涂层的玻璃纤维,纤维表面堆积的GO层使入射光产生干涉现象从而形成彩色外观。同时,该彩色玻璃纤维还具备“水蒸气-色彩”的循环变色功能。

连续纤维增强树脂基复合材料的高通量制备技术平台设计

李雪芹, 郭双喜, 李斌太

2020, 0(2): 48-53.

摘要 ( 74 )

PDF (1796KB) ( 133 )

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针对连续纤维增强树脂基复合材料,设计了宏观尺度上的高通量制备技术平台和典型工艺的实现方案。高通量制备技术平台的设计结合了复合材料真空热压工艺和先进预浸料拉挤工艺连续制备复合材料的特点,调整平台的压力和温度即可连续制备大批量的不同工艺流程的复合材料样品。与传统热压罐工艺相比,平台制备不同工艺的样品周期能显著缩短。与传统的连续升温相比,平台的台阶式升温过程使得厚度方向的温度梯度略有减小,升温方式对复合材料固化度的演变过程影响很小。

嵌入式阻尼环筋开口圆柱壳的振动性能分析

王光和, 梁森, 周运发, 郑长升

2020, 0(2): 54-61.

摘要 ( 81 )

PDF (2644KB) ( 134 )

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本文在应用一阶剪切变形壳理论的基础上,采用共固化工艺的嵌入式阻尼复合材料环筋开口圆柱壳作为研究对象,加强筋作离散元素处理,对此结构的动态特性进行了研究。应用Rayleigh-Ritz能量法和Navier双级数法,推导嵌入式共固化阻尼复合材料环筋开口圆柱壳的应变能和动能表达式,建立其自由振动的控制方程;另外,利用ANSYS建模获得此结构的模拟结果,对两者结果进行了比较,验证了本文方法的有效性。探讨了不同筋条高度及阻尼夹芯层厚度对本文所述环筋开口圆柱壳性能的影响。研究结论对轻质高刚度大阻尼的复合材料结构件的设计及应用有一定的参考价值。

蜂窝结构复合材料的空气耦合Lamb波检测技术

常俊杰, 李媛媛

2020, 0(2): 62-68.

摘要 ( 100 )

PDF (4503KB) ( 149 )

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纸质蜂窝结构应避免液体浸入,针对不能使用液体耦合剂对该种材料进行检测的问题,本文在使用空气耦合穿透式C扫成像对蜂窝结构材料进行检测的基础上,提出了使用空气耦合Lamb波对上蒙皮与蜂窝结构间的脱粘缺陷进行检测的方法。建立仿真模型对蜂窝结构中的脱粘缺陷进行检测和超声波传播过程可视化,研究了Lamb波A0模态与工件结构的相互作用,分析了脱粘大小对声波传播的影响。结果表明,应用空气耦合超声导波技术可以较好地实现其脱粘类缺陷的检测,可应用于实际在役检测。

橡胶基芳纶纤维复合材料抗冲击性能的研究

王玲, 梁森, 闫盛宇, 陈新乐

2020, 0(2): 69-75.

摘要 ( 119 )

PDF (4520KB) ( 134 )

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提出一种新型的橡胶基芳纶纤维复合材料结构。应用LS-DYNA动力学软件建立模型,模拟橡胶基芳纶纤维复合材料结构在低速冲击载荷下的抗冲击性能,运用冲击试验仪器对该结构进行低速冲击试验,并将模拟数值与试验结果进行对比分析,证明该模拟方法的有效性。在验证模型的基础上,进一步研究了该结构几何参数的变换对其抗冲击性能的影响,结果表明橡胶基芳纶纤维复合材料具有优良的抗冲击性能,为橡胶基芳纶纤维复合材料在头盔和防弹衣等抗冲击领域的广泛应用奠定了基础。

玻璃纤维泡沫夹芯板挖补修理弯曲性能试验与有限元模拟

刘国春, 庞杰, 杨文锋, 孙婷

2020, 0(2): 76-80.

摘要 ( 104 )

PDF (2380KB) ( 153 )

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针对玻璃纤维泡沫夹芯结构关于维修结构性能研究的缺失,本研究完成了玻纤泡沫夹芯板的维修和弯曲性能测试,并在试验基础上建立了结构有限元模型,进行了强度与刚度的试验数据验证。得到结论如下:通过试验结果,简化了有限元分析模型中的胶层设置;将泡沫芯体和玻纤面板的破坏载荷作为结构的初始与最终破坏载荷,仿真计算的破坏载荷较试验平均载荷超出18.92%,较最大试验破坏载荷超出7.14%;应用线性阶梯载荷步表征模型的应变趋势,在线性变形区域与试验符合较好,在受压面板,最大偏差为11.2%,在受拉面板,最大偏差为24.3%。表明该玻璃纤维泡沫夹芯修补结构的有限元模型分析精度较高,具有较强的工程实用性。

飞机复合材料阶梯式胶接结构的疲劳损伤与寿命

曹双辉, 高弄玥, 刘斌

2020, 0(2): 81-84.

摘要 ( 90 )

PDF (1422KB) ( 168 )

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随着复合材料胶接技术在飞机主承力结构上的广泛应用,阶梯式胶接形式由于在实际工程过程中易于实现而成为复合材料结构修理和连接的主要形式。目前文献多集中于研究金属、复合材料以及两种材料混合的单搭接结构的疲劳性能,但对于具有高效载荷传递的阶梯式结构的疲劳耐久性研究较少,其疲劳失效机制尚需厘清。本文对多级阶梯复合材料胶接结构进行了拉伸疲劳试验研究,应力比为0.1。在疲劳试验过程中观测了宏观裂纹的起始与扩展。根据试验数据拟合的S-N曲线,发现疲劳寿命随应力水平的增加而线性降低。在发现目视可见裂纹后至完全断裂,复合材料胶接结构仍具有10%的剩余寿命,说明当出现目视可见裂纹时,应及时维修或更换部件。从试样受力及破坏形式可知,复合材料胶接结构的剪切破坏是引起疲劳损伤的主要原因。通过阶梯状断口形貌分析,发现了内聚破坏、粘附破坏、基体开裂和分层四种典型破坏形式。

固化压力对厚L形CFRP单向板纤维分布影响的实验研究

张昆桥, 张江涛, 张梅, 翟鹏程

2020, 0(2): 85-90.

摘要 ( 70 )

PDF (4818KB) ( 140 )

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采用热压罐工艺制备了厚L形CFRP单向板,通过对其宏细观结构形貌的分析,研究压力对厚L形CFRP单向板厚度和纤维分布的影响。结果表明:采用热压罐工艺制备厚L形CFRP单向板时会出现褶皱和厚度不均匀等缺陷,预浸料层间有明显的树脂富集带。通过增加固化压力,可以降低树脂富集带的宽度,抑制厚L形CFRP单向板表面褶皱的产生,增加压实量,但会导致不同截面间纤维体积分数差异变大,外侧纤维梯度分布区变大;增加压力还会导致曲面段变薄且靠近底部纤维含量变高,靠近模具侧树脂有向平板/曲面段过渡区流动聚集的趋势。

复合材料帽形长桁加筋曲板的自动化相控阵超声检测技术研究

张继敏, 肖鹏, 刘奎, 刘菲菲

2020, 0(2): 91-96.

摘要 ( 93 )

PDF (6479KB) ( 149 )

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采用基于脉冲反射模式的自动化相控阵超声检测技术,对复合材料帽形长桁加筋曲板结构进行自动化检测研究。分别针对曲面蒙皮和帽形长桁R角结构,选取不同探头、不同频率、不同聚焦方式,开展相控阵自动化检测仿形、C扫描成像及缺陷判定。结果表明,采用超声仿形测量的方法实现曲面蒙皮的自动化检测,能够检测出最小达Φ3 mm的缺陷;针对帽形长桁R角结构特点制定特殊的R角水靴,实现R角的自动化相控阵检测。

T800/607低温复合材料应用评价研究

张建宝, 尚呈元, 周宇, 刘永佼

2020, 0(2): 97-100.

摘要 ( 88 )

PDF (932KB) ( 135 )

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在阐述国内外低温复合材料贮箱技术研究现状的基础上,从工艺性、力学性能、渗透性等方面对自主研发的T800/607低温复合材料体系进行了性能评价研究,并最终通过圆筒试验件评价试验对T800/607复合材料在液氢无内衬复合材料贮箱中应用的可行性进行了测试评价。

导热聚氨酯灌封胶的制备与性能研究

张博文, 梅启林, 黄延楷, 谢超

2020, 0(2): 101-105.

摘要 ( 87 )

PDF (2355KB) ( 116 )

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采用聚四氢呋喃二醇(PTMG)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)以及球形氧化铝以一步法制备了聚氨酯灌封胶。研究了偶联剂用量、氧化铝粒径及填充量等对聚氨酯灌封胶导热性能的影响。通过正交实验设计确定影响灌封胶导热性能的最关键因素为Al₂O₃填充量。聚氨酯灌封胶的导热性能在偶联剂的加入后得到有效改善。加入相同含量的Al₂O₃时,2 μm Al₂O₃填充的灌封胶导热性能较好,同种粒径下,灌封胶导热系数随Al₂O₃的加入逐渐升高。灌封胶体积电阻率随Al₂O₃填充量的增加逐渐降低,但灌封胶的绝缘性能仍能满足电子设备封装要求。

填料对拉挤环氧树脂浇铸体力学性能及玻璃化转变温度的影响

王志伟, 张春颖, 田超凯, 刘传瑞

2020, 0(2): 106-110.

摘要 ( 80 )

PDF (4537KB) ( 133 )

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在拉挤环氧树脂中添加不同粒径、相同种类的Al(OH)₃填料和相同粒径、不同种类的填料,来研究填料粒径和填料种类对拉挤环氧树脂浇铸体的力学性能及玻璃化转变温度的影响。结果显示:在加入相同填充量、不同粒径、相同种类填料的情况下,加入的Al(OH)₃填料粒径为5 μm时,拉挤环氧树脂浇铸体的拉伸和压缩强度最高;加入相同填充量、相同粒径、不同种类填料的情况下,加入重质碳酸钙的拉挤环氧树脂浇铸体的拉伸和压缩强度最高,其弯曲强度差别不大。加入填料后拉挤环氧树脂的玻璃化转变温度均得到了提高,其中加入粒径为1 μm的Al(OH)₃填料和煅烧高岭土时的玻璃化转变温度较高。

补片形状对复合材料胶接贴补修补影响的预测与试验研究

侯炳强

2020, 0(2): 111-116.

摘要 ( 110 )

PDF (3420KB) ( 132 )

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为研究复合材料胶接贴补方法的修补性能,对胶接结构开展了准静态拉伸试验,研究了室温下T9001复合材料胶接修补结构的静拉伸载荷-位移行为。以三维逐渐损伤理论为基础,创建了复合材料胶接修补模型,利用APDL语言实现对不同补片形状的胶接修补结构在静拉伸载荷作用下的最终失效载荷的预测分析。同时,进行相关试验,测得的胶接修补结构的失效载荷与预测结果吻合较好。结果表明,正放的方形补片的修补效果最佳。最后利用X光机对胶接修补结构的最终损伤模式及损伤范围进行了检测,试验结果与计算预测结果较吻合。

改性2-乙基咪唑环氧树脂潜伏型固化剂的制备

沈仲淘, 章桥新

2020, 0(2): 117-121.

摘要 ( 122 )

PDF (1191KB) ( 134 )

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通过2-乙基咪唑(2EI)分别与N-(4-羟基苯基)马来酰亚胺(HPM)和三聚氯氰反应,成功地合成了两种改性2-乙基咪唑衍生物,分别采用红外光谱、核磁共振对其分子结构进行表征。将制备的改性咪唑类固化剂与环氧树脂混合,研究了树脂体系的固化特性和潜伏性。研究表明:相比EP/2EI体系,改性固化体系的固化放热区间均向高温区域移动;此外,改性固化体系在室温下具有更长的储存期。具有强吸电子效应的马来酰亚胺基团和三嗪环降低了咪唑环的亲核性,抑制了固化剂的室温固化活性。此外,在升温条件下,改性固化剂可以克服固化反应能量势垒,恢复快速固化能力。

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