复合材料科学与工程

邓朗妮, 谢宏, 刘阳, 马晋超

2020, 0(3): 5-10.

摘要 ( 139 )

PDF (1781KB) ( 350 )

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CFRP-OFBG板具备良好的监测性能,其监测数据可用于计算分析加固结构的荷载效应。利用平截面假定及材料应力应变本构关系进行计算推导,提出一种基于CFRP-OFBG板监测应变的加固梁荷载计算方法。采用4根CFRP-OFBG板嵌入式加固钢筋混凝土梁的抗弯承载力试验对该计算方法进行验证,结果表明:计算值与试验值较为吻合,此法用于分析加固梁的实时荷载效应是可行的。

双轴向经编织物的内部结构对三维渗透率的影响

耿奕, 蒋金华, 陈南梁

2020, 0(3): 11-17.

摘要 ( 152 )

PDF (3979KB) ( 200 )

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为了研究双轴向经编织物的内部结构对渗透率的影响,通过一种由图像采集系统和树脂流动仿真软件集成的3D渗透率测试装置,对织物铺层的预制件进行三维渗透率的测试。通过比较缝线组织与密度、纤维束细度、粘结剂涂层等因素引起的面内和厚度方向上渗透率的变化,分析了双轴向经编织物内部结构对其渗透性能的影响。实验结果表明:缝线结构的存在具有降低面内渗透率而提高厚度方向上的渗透率的作用;相较于机织结构,缝线组织为经编组织的双轴向预制件具有更高的面内渗透率;双轴向经编织物的纤维束细度变化引起的面内渗透率变化与不同的纤维压缩状态紧密相关;表面有粘结剂定型的双轴向经编织物,面内渗透率大大提高,而在厚度方向上的渗透率减小。

悬索桥主缆防护用复合材料缠包系统环向膨胀性能试验研究

顾刘勇, 方海, 李成林, 刘伟庆

2020, 0(3): 18-25.

摘要 ( 94 )

PDF (4737KB) ( 242 )

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本文采用预浸料纤维增强复合材料结合丁腈橡胶设计了一套悬索桥主缆防护用组合缠包系统,并对该系统环向膨胀性能进行了试验研究。对比分析各组构件破坏模式的差异,发现构件多数在搭接过渡部位竖向断裂。通过环向承载力-径向位移曲线,分析预浸料层数及橡胶带层数的变化对构件环向承载力及径向位移的影响可得:预浸料层数的增加对构件环向承载力贡献最大,增长率为65.31%~109.01%;橡胶带层数的增加对构件径向位移影响最为显著,增长率为7.06%~23.5%。通过对构件环向应变-径向位移曲线的分析可得,试验初期加载装置压实构件导致各部位应变较小,加载过程中构件的应变值均大致呈线性增长,其中搭接部位应变最小。橡胶带的加入可使主缆变形增大时防护系统拥有更多的变形冗余,延缓外层预浸料缠包带极限应变的到来。

短切碳纤维增强塑料纤维分布的精细化表征

黄珍媛, 程斌, 赵亚萌, 陈邑

2020, 0(3): 26-30.

摘要 ( 104 )

PDF (3688KB) ( 151 )

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碳纤维增强塑料是近几年新兴的优质轻质材料,具有较好的力学性能,被广泛应用于汽车、电子等行业中。短切碳纤维增强塑料通常采用注塑成型工艺,其性能与纤维分布有着密切的关系。为了加深对短切碳纤维增强注塑件内部纤维分布规律的了解,开展SEM和X射线断层扫描试验,结合图像处理技术得到纤维拔出孔直径、流动平面纤维投影长度以及纤维取向分布规律,并与Moldex模拟结果对比,进一步验证纤维取向分布的规律。结果表明:碳纤维增强塑料成型后纤维拔出孔直径的分布受纤维含量的影响不大;纤维取向整体朝向为流动方向,沿流动方向的取向概率随平面到芯层距离的减小先增大后下降;碳纤维增强塑料注塑成型时,沿流动方向取向比例较高的区域均为位于皮层和芯层的中间区域。

碳纤维三维编织复合材料横向变形损伤声发射监测

张彦靖, 魏志远, 刘海涛, 周伟

2020, 0(3): 31-36.

摘要 ( 98 )

PDF (4568KB) ( 187 )

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利用声发射(Acoustic Emission,简称“AE”)技术和数字图像相关(Digital Image Correlation,简称“DIC”)方法,结合破坏断口形貌,研究三维五向编织复合材料横向拉伸状态下的变形与损伤规律,分析横向拉伸力学响应、表层变形场及声发射信号特征。结果表明:三维五向编织复合材料的横向拉伸极限载荷较小,力学曲线分线性和非线性两个阶段,破坏曲线为非线性,与横向拉伸破坏机理有关。撞击累计数的递增趋势能较好地反映材料的损伤演化过程。三维编织复合材料横向拉伸破坏断口沿纤维编织方向呈非平齐状,失效模式主要为基体开裂和纤维脱粘以及少量的纤维断裂。表面全场信息很好地反映了材料横向拉伸损伤演化特征,为三维编织复合材料结构健康监测提供了依据。

变刚度圆柱壳屈曲分析及铺丝路径优化

吴双华, 尹冠生, 陈童, 张博

2020, 0(3): 37-43.

摘要 ( 94 )

PDF (3713KB) ( 164 )

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为提高变刚度圆柱壳的抗屈曲性能,设计两种铺丝方案并运用径向基函数代理模型优化两种铺丝方案中的参数。将ABAQUS和ANSYS的计算结果进行对比,验证ABAQUS建模的可靠性;运用ABAQUS分别对外压荷载、内压荷载、外压轴压组合荷载和内压轴压组合荷载下的变刚度圆柱壳进行屈曲分析,并由MATLAB实现径向基函数代理模型优化算法,优化铺丝方案中的设计参数。结果表明:对比铺设角度线性变化的铺设方案,铺设角度非线性变化有利于提高内压轴压组合荷载下圆柱壳的抗屈曲性能;对于内压轴压组合荷载下的圆柱壳,增大参数m和n可以提高优化后的屈曲荷载;两种铺丝方案优化后的屈曲临界荷载和铺丝路径十分接近,验证了代理模型优化的准确性。径向基函数代理模型优化复杂铺丝方案中的参数是可行的,其优化结果可为纤维变角度铺丝构件提供一定的参考。

CFRP螺栓连接结构的渐进损伤研究和强度分析

黄昱翔, 黄向阳, 宋春生, 孙成

2020, 0(3): 44-52.

摘要 ( 109 )

PDF (5892KB) ( 174 )

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为获得CFRP螺栓连接结构的动态损伤过程,采用基于渐进失效的研究方法,确立了拉伸载荷下CFRP螺栓连接结构的失效准则和材料性能退化模型,并在Abaqus Explicit显式分析模块中建立了螺栓连接结构的有限元模型,运用VUMAT子程序进行分析。文章分析了CFRP单螺栓连接结构受拉伸载荷时,5种损伤的扩展过程,并分析了“螺栓-孔”配合间隙对于CFRP单螺栓连接结构强度的影响,还在此基础上提出了CFRP多螺栓连接结构的强度优化方案。结果表明:基于渐进失效方法的有限元准静态分析能有效地模拟CFRP螺栓连接结构的损伤扩展过程;CFRP单螺栓连接结构中,连接强度会随着配合间隙的增大而降低;设置合适的配合间隙使CFRP多螺栓连接结构的整体强度提升了32.1%。

基于已有试验结果和理论公式预测加固钢筋混凝土箱梁碳纤维布剪力贡献

马生强, 赵锐, 张广泰, 蔡儆

2020, 0(3): 53-60.

摘要 ( 79 )

PDF (1434KB) ( 258 )

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对于纤维布抗剪加固矩形梁和T形梁,中外学者已进行了大量的试验和理论研究,并且提出纤维布剪力贡献计算公式,部分公式被不同国家的规范收录。但对于加固钢筋混凝土箱形截面梁的纤维布剪力贡献计算鲜有文献记录,因此本研究在已有试验和理论公式的基础上预测箱形截面纤维布剪力贡献计算。本文讨论了5种不同规范计算纤维布剪力贡献公式,同时收集了现有文献的181片纤维布抗剪加固矩形梁和T形梁试验结果,通过采用5种计算公式计算181片梁的纤维布剪力贡献值与试验结果对比,发现所有计算公式均有不同程度的离散,但fib Bulletin 14能较准确地计算矩形梁和T形梁的纤维布剪力贡献。此外,同样收集已有文献中的碳纤维布加固钢筋混凝土箱梁试验结果,采用已讨论的5种计算公式计算剪力,与试验结果相比,其计算值均大于试验值,研究发现规范中的计算公式都高估了纤维布的有效应变,而fib Bulletin 14的计算结果接近于试验值。因此,通过纤维布有效应变的试验值和fib Bulletin 14计算值的比较,引入有效应变修正系数1.31,计算出加固箱形梁纤维布剪力贡献值,与试验值能够较好地吻合。

玄武岩纤维对树脂基摩擦材料摩擦磨损性能的影响

贺怀文, 宋绪丁, 房尚龙

2020, 0(3): 61-65.

摘要 ( 91 )

PDF (4823KB) ( 179 )

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为探究玄武岩纤维在树脂基摩擦材料中的应用,采用热模压工艺制备了玄武岩纤维质量分数为0~20%的树脂基复合材料,对其进行摩擦磨损性能试验,并检测硬度和抗剪强度,观察磨损表面微观形貌,探讨其磨损机制。结果表明:向树脂基摩擦材料中添加玄武岩纤维,具有显著提高材料的硬度、抗剪强度,降低磨损率,增大摩擦系数和热衰退温度的作用。玄武岩纤维增强的摩擦材料硬度越高,摩擦系数越大,剪切强度和硬度越高,磨损率越小;当玄武岩纤维含量为15%时,磨损率最低,达到0.23 cm³/(N·m);当玄武岩纤维含量为20%时,摩擦系数最大,达到0.45。玄武岩纤维增强的树脂基摩擦材料,其磨损机理以磨粒磨损为主。

复合材料加筋圆柱壳的低频声散射特性研究

王晓强

2020, 0(3): 66-69.

摘要 ( 73 )

PDF (1942KB) ( 130 )

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采用有限元/无限元相结合的方法对复合材料加筋圆柱壳以及金属加筋圆柱壳低频声散射特性进行了仿真分析。计算了不同波数情况下加筋圆柱壳和非加筋圆柱壳的散射情况,其中加筋情况分别采用了两种处理方法,包括梁单元建模与壳单元建模,结果表明加强筋的建模方法对于计算结果产生了一定影响,在一些频率点甚至十分显著。

连续纤维增强聚醚砜复合材料制备及性能研究

周振君, 张宁, 王临江, 程静琪

2020, 0(3): 70-74.

摘要 ( 145 )

PDF (2446KB) ( 219 )

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碳纤维增强热塑性树脂基复合材料由于具有轻质、高强、加工周期短、可回收循环使用等优异性能逐渐受到航空航天、汽车工业等多个领域的关注,也成为未来复合材料增材制造的重要发展方向。本文以高性能热塑性树脂聚醚砜(PES)为基体,通过溶液浸渍-相转化法制备树脂含量可控,柔韧性好,有可能用于三维编织和自动铺放成型的热塑性预浸纱。将其经过热压成型制成单向带试样,与常用环氧树脂及其复合材料热性能和力学性能进行对比。研究发现PES基复合材料具有优异的耐热性能,其热分解温度(T_5%)为576 ℃,800 ℃残碳率(N₂)为90%,其单向带纵向拉伸强度可达1781 MPa,拉伸模量为60.17 GPa,虽然略低于相同树脂含量的环氧树脂基复合材料,但PES基复合材料是一种很有发展潜力的高性能热塑性复合材料。

频率选择性阻尼夹芯吸波复合材料

陈新乐, 梁森, 闫盛宇, 郑长升

2020, 0(3): 75-79.

摘要 ( 125 )

PDF (1854KB) ( 163 )

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提出多层吸波预浸料层和吸波阻尼层相互嵌合的频率选择性阻尼夹芯吸波复合材料,通过规律性调节吸波预浸料层和吸波阻尼层的厚度,实现对不同频段电磁波的吸收,运用Matlab对其吸波频率选择性进行了理论分析,吸波预浸料层和吸波阻尼层的具体厚度可以根据电磁吸波频段的具体要求来设计。电磁吸波试验验证了电磁吸波频率的选择性以及理论分析方法的有效性和合理性。模态试验、自由衰减试验获得了模态参数、阻尼损耗因子随吸波预浸料厚度变化的曲线,实验数据表明:随着试件吸波预浸料层厚度的增加,电磁吸收频率发生改变,模态固有频率升高,模态阻尼比增大,阻尼损耗因子增加。

连接件对碳纤维复合材料汽车传动轴振动性能的影响

孙泽玉, 高洪平, 余许多, 陶雷

2020, 0(3): 80-83.

摘要 ( 96 )

PDF (2506KB) ( 195 )

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利用脉冲激振实验技术和有限元分析方法,分别从实验和有限元计算的角度研究了不同的连接件重量和结构对碳纤维复合材料传动轴自由状态下的固有频率的影响。结果表明:具有不同重量和不同结构的连接件的碳纤维复合材料传动轴的固有频率具有很大差异,随着重量的增加,固有频率降低;当连接结构变化时还会引起传动轴振型的变化。另外,传动轴固有频率的有限元分析结果与实测结果误差在5%以内,仿真模型分析有效。在保证连接件性能的前提下,传动轴连接件轻量化和结构优化是有效提高复合材料传动轴固有频率的重要途径。

大容积纤维缠绕气瓶的X射线数字成像检测方法研究

黄良, 金明哲, 何琦, 王骞

2020, 0(3): 84-89.

摘要 ( 89 )

PDF (7136KB) ( 42 )

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为了验证数字射线对大容积钢内胆纤维缠绕气瓶主要缺陷的检出能力,并给出检出能力的定量数据,本文针对气瓶在使用和制造过程中可能出现的纤维层断裂、划伤、气孔及内胆腐蚀、裂纹等缺陷,在纤维层和内胆上制作了系列刻槽和平底孔等人工缺陷,以模拟上述自然缺陷,通过优化后的透照参数,拍摄人工试样影像。检测结果表明,数字射线检测方法能够检出纤维层上深度为0.25 mm的纵向刻槽和深度为0.5 mm的环向刻槽,同时还能检出内胆上深度为0.25 mm的纵、环向刻槽等人工缺陷。由此证明了数字射线检测能用于大容积钢内胆纤维缠绕气瓶危害较大缺陷的初期检测,为其安全使用提供有力支持。

缝合复合材料T型加筋壁板拉伸性能研究

宦华松, 文立伟, 肖军, 封桥桥

2020, 0(3): 90-97.

摘要 ( 105 )

PDF (5101KB) ( 226 )

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为了提高复合材料T型加筋壁板中筋条与蒙皮的连接强度,引入缝合增强技术。利用自主研发的弯针缝合机器,并通过真空辅助树脂灌注技术(VARI)制备缝合T型接头试样,并对其进行拉伸实验,研究缝合对T型接头界面增强机理及不同缝合密度、缝线细度对T型接头拉伸性能的影响规律。结果表明:缝合细度为1000 D,缝合密度在0~10×10范围内,缝合增强T型接头拉伸极限载荷随缝合密度的增加而增加,缝合密度为10×10的缝合增强T型接头比未缝合接头极限载荷提高了38%,缝合密度在10×10~-8×8范围内,缝合T型接头拉伸极限载荷呈下降趋势;缝合密度为10×10,缝线细度在0~1000 D范围内,缝合T型接头拉伸承载力随缝线的增粗而增加,缝线细度增加至1500 D时,T型接头拉伸极限载荷呈下降趋势。缝合密度和缝线细度的变化对T型接头初始失效载荷影响不显著。

火力发电厂悬挂式玻璃钢内筒协同分析研究

龚节福, 彭雄志, 周泉, 漆桧

2020, 0(3): 98-103.

摘要 ( 107 )

PDF (1673KB) ( 138 )

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玻璃钢作为新型复合材料,具有强度高、质量轻、高温下耐腐蚀和性价比高等特点,是目前火力发电厂湿烟囱首选的内筒材料;火力发电厂玻璃钢内筒采用悬挂式,相较于自立式和斜拉式具有结构受力合理、经济性好等优点。目前针对烟囱设计多采用对内、外筒进行独立分析,而更能反映出烟囱内、外筒之间的相互变形及应力变化的协同分析方法却欠缺相关规范。本文结合某火力发电厂210 m高悬挂式三玻璃钢内筒烟囱的设计,通过有限元软件分析玻璃钢内筒分别在杆系和板系单元类型下,不同分段悬挂式的内筒设计安全性,并对比单独外筒与内外筒联合模型在荷载作用上的差异。

石英纤维布/J-284PD氰酸酯树脂复合材料的制备与性能

敖辽辉

2020, 0(3): 104-107.

摘要 ( 142 )

PDF (966KB) ( 371 )

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采用热压罐成型的方法制备了石英纤维布/J-284PD氰酸酯复合材料,并验证了其力学性能、介电性能和耐湿热性能。结果表明:中温固化的石英纤维布/J-284PD复合材料,其介电性能、力学性能和耐湿热性能优异,其中拉伸强度为630 MPa,层间剪切强度为58.8 MPa,介电常数为3.1,损耗角正切为0.003;经过10 d湿热试验后,性能最大仅下降10%。

悬浮聚合法制备SiO₂气凝胶-聚苯乙烯复合材料

杨镇源, 王炫捷, 李荣勋

2020, 0(3): 108-113.

摘要 ( 123 )

PDF (2768KB) ( 159 )

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采用悬浮聚合的方法制备了SiO₂气凝胶-聚苯乙烯复合材料,研究了SiO₂气凝胶添加量对复合材料在合成过程中的聚合时间、聚合度、分子量及其分布的影响,以及对复合材料的T_g、高温稳定性等性能的影响。结果表明,随着SiO₂气凝胶含量的增多,聚合反应时复合材料的聚合时间增长,单体转化率下降;GPC测试表明,随着SiO₂气凝胶添加量的增加,数均分子量减低,且PDI有所增加,同时平均粒径增长迅速;DSC与TG测试表明,玻璃化转变温度与初始分解温度逐渐升高,失重速率有所降低。

玄武岩二维编织结构复合材料力学性能研究

杨超越, 肖志杰, 高翼强

2020, 0(3): 114-119.

摘要 ( 113 )

PDF (4072KB) ( 179 )

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以采用不同编织节距编织绳作为绳芯的双编绳与无捻粗纱作为绳芯的编织平行纤维绳为增强体,与环氧树脂CYD-128复合固化后制成具有一定形状及性能的复合材料,测试绳芯形式对复合材料力学性能的影响。结果表明:增强体绳芯节距对增强体的拉伸性能以及复合材料的拉伸性能、弯曲性能、压缩性能影响显著。在本试验范围内,绳芯节距为60 mm的增强体断裂强力最高,比最低值高出56%;增强体绳芯节距为60 mm的复合材料拉伸强度、压缩强度最高,比最低值分别高出77%、238%;增强体为编织平行纤维绳的复合材料弯曲强度最高,比最低值高出59%。

纤维增强复合材料转向架的研发现状

陈广豪, 梁智洪, 张芝芳

2020, 0(3): 120-130.

摘要 ( 153 )

PDF (6266KB) ( 257 )

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复合材料凭借着其优异性能,从航空领域快速发展到了铁路交通领域,以满足轨道交通车辆对轻量化、低能耗、舒适性的需求。文章首先介绍了复合材料在国内外轨道列车上的运用情况,阐述了传统金属转向架的缺点,总结了德国、英国、法国、日本和韩国在复合材料转向架方面的研发和试验成果,还阐述了复合材料在轨道交通上亟需解决的问题并提出相关建议。本文可为我国的纤维增强复合材料转向架的研发工作提供思路和参考。

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