复合材料科学与工程

王华毕, 程硕, 祖磊, 张骞

2020, 0(5): 5-11.

摘要 ( 153 )

PDF (2335KB) ( 434 )

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复合材料储氢气瓶因具有较高的比强度、轻质以及耐腐蚀性好等特点,被大量装备于火箭、卫星、新能源汽车和医疗设备等。本文希望通过对复合材料储氢气瓶的理论研究与数值模拟,提供一套快速准确的储氢气瓶设计方法。首先基于网格理论设计了复合材料缠绕层,接着通过三维激光扫描技术对气瓶轮廓进行测量,验证了三次样条封头厚度预测方法的准确性,最后利用Abaqus软件建立了复合材料气瓶高精度有限元模型,研究了自紧对于提高气瓶性能的重要作用,建立渐进损伤模型得到气瓶的爆破压力。结果表明:三次样条法准确预测了气瓶封头上的纤维厚度分布,经过自紧处理后在工作压力下内胆的Mises应力显著降低,得到了最佳自紧压力取值范围为36.3 MPa~42.5 MPa。渐进损伤结果显示气瓶发生了纤维和基体破坏,最终爆破压强达到了69.5 MPa,满足设计要求。研究成果对复合材料储氢气瓶的设计制造具有重要的意义。

CFRP层合板冲击后压缩失效分析数值模拟

李要磊, 铁瑛, 李成, 孙振辉

2020, 0(5): 12-18.

摘要 ( 194 )

PDF (5448KB) ( 280 )

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复合材料层合板的损伤容限是复合材料结构设计的关键因素。针对碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板低速冲击损伤和压缩破坏问题,本文基于连续损伤力学和粘结单元模型,在ABAQUS中对两种不同冲击能量下的层合板进行了低速冲击和冲击后压缩仿真分析,并对层内和层间损伤进行了研究,分析了层合板的冲击损伤与压缩失效行为,通过与试验结果进行对比,验证了该模型的有效性。研究结果表明:冲击损伤对层合板的剩余压缩强度有着重要影响,试件的破坏开始于冲击损伤区域,并逐渐扩展到层合板的边缘,压缩力快速下降,层合板最终失效。

嵌入式共固化缝合阻尼复合材料面内力学性能

闫盛宇, 梁森, 陈新乐, 王玲

2020, 0(5): 19-24.

摘要 ( 113 )

PDF (4240KB) ( 173 )

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为了提高复合材料的面内力学性能,提出了正交对称嵌入式共固化缝合阻尼复合材料结构,建立该结构面内等效弹性参数的数值模拟模型,通过热压罐的中温共固化工艺制备出嵌入式共固化缝合阻尼复合材料试件,利用万能试验机的拉伸测试验证本文数值模拟方法的有效性。使用有效的ANSYS有限元模型进一步分析出面内等效弹性参数E_x、E_y、G_xy、ν_xy随针距、行距和阻尼层厚度的变化规律,为嵌入式共固化缝合阻尼复合材料结构力学性能研究奠定了基础。

湿热与拉伸载荷耦合作用下玻纤/环氧复合材料的吸湿特性

孙同生, 于存贵, 杨文超, 仲健林

2020, 0(5): 25-31.

摘要 ( 130 )

PDF (2105KB) ( 221 )

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为探究环境温度、相对湿度和外部拉伸载荷对聚合物基复合材料吸湿性能的影响,提出一种以温度、水分浓度和基体八面体剪应力为变量的特殊形式的Gibbs自由能函数,获得了湿热与拉伸载荷耦合作用下复合材料水分扩散控制方程。制备E-玻纤/环氧6509树脂复合材料层压板,通过自制压缩弹簧加载装置施加恒定拉伸载荷,在不同湿热环境下开展加速吸湿实验,利用响应曲面法获得代理模型以表征环境因素对平衡吸湿量和湿扩散系数的影响。结果表明:拉伸载荷作用下,基体八面体剪应力越大,复合材料的湿扩散系数和平衡吸湿量越大;升温能加速复合材料吸湿,而提高相对湿度会明显增加平衡吸湿量。利用响应面法获得的代理模型能够准确地预测玻璃纤维/环氧树脂复合材料在湿热与拉伸载荷耦合作用下的吸湿行为。

基于挤压法的复合材料预紧力齿连接预紧力计算方法研究

左扬, 李飞, 赵启林, 高建岗

2020, 0(5): 32-39.

摘要 ( 120 )

PDF (3985KB) ( 138 )

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通过挤压法对复合材料预紧力齿连接接头施加预紧力时,外部挤压量的大小决定了施加在接头上的预紧力大小。本文通过理论、有限元和实验研究了外部挤压量和接头预紧力之间的对应关系。在理论推导时,首先将钢和铝合金简化为理想弹塑性材料,将拉挤复合材料简化为横观各向同性材料,然后通过厚壁圆筒理论得出了在不同挤压量下界面径向压应力的理论计算公式,并通过有限元和实验进行了验证,最后在此基础上进行了参数研究。研究表明:①理论解与有限元解以及实验值吻合较好,这证明了理论公式推导的正确性;②在仅改变壁厚的情况下,界面径向压应力随铝合金内套筒壁厚的增加呈线性增长趋势,而外部钢套筒壁厚对其的影响不大;③将内套筒材料由铝合金换成钢,在其他条件不变的情况下,界面径向压应力会得到显著提高。

高稳定碳纤维格栅夹层反射器结构设计及型面热变形优化

张尉博, 张琦, 徐宏涛, 鞠博文

2020, 0(5): 40-46.

摘要 ( 128 )

PDF (3718KB) ( 190 )

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为控制星载反射器在轨运行期间的型面热变形,本文以一口径为1.2 m的抛物面反射器为研究对象,设计出一种制造工艺简单的高稳定碳纤维格栅夹层结构。首先,建立预测型面热变形的数值模拟方法,探究格栅芯子的结构参数对型面热变形的影响,以热变形均方根(RMS)为指标优化格栅的结构形式。然后,按照优化后的结构形式制备反射器,采用近景摄影技术测量低温下的型面热变形,验证了数值模拟方法的有效性。最后,研究了上蒙皮表面的树脂修型膜对型面热变形的影响规律。结果表明:优化后的格栅夹层反射器在-80 ℃~25 ℃均匀温度场下的型面热变形RMS为4.03 μm,满足亚毫米波天线的使用要求;型面热变形RMS随树脂修型膜厚度和线膨胀系数的增加呈线性增加,因此在修型工艺中应严格控制树脂修型膜的厚度并选用低线膨胀系数的树脂。

玻璃纤维复合材料在雷电冲击电流下的沿面损伤试验研究

杨春浩, 赵洋, 肖瑶, 行鸿彦

2020, 0(5): 47-52.

摘要 ( 125 )

PDF (6251KB) ( 195 )

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为研究玻璃纤维增强树脂基复合材料遭雷击时的损伤特性,进行了沿面放电模式下的雷击模拟试验研究,通过视觉观察、高清扫描、图像处理分析和电镜分析等方法对损伤形貌进行观测。结果表明:试验板厚度和沿面放电方向的变化对树脂的损伤影响明显;试验材料的损伤面积与电流幅值和作用积分呈正相关关系,与试样板的厚度呈负相关关系;沿面放电主要造成放电路径上树脂的热分解损伤,纤维损伤并不明显,树脂热分解处形成界面分层。

垫片尺寸对碳纤维复合材料螺栓连接单搭接挤压强度影响研究

张新异, 孔海娟, 胡之峰, 孙泽玉

2020, 0(5): 53-62.

摘要 ( 74 )

PDF (7257KB) ( 180 )

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针对碳纤维复合材料单搭接螺栓连接结构,研究不同垫片外径对螺栓连接的挤压强度及损伤的影响,并仿真分析其失效模式。发现在单搭接螺栓连接结构中,加入垫片可以提高连接的挤压强度,且强度随着垫片外径尺寸的增加而增加。当垫片外径从11.8 mm逐渐增加到13.8 mm 、15.8 mm和17.8 mm时,挤压强度分别在前一基础上提升了5.76%、5.87%和2.4%。试验结果表明垫片外径增加到一定程度时,挤压强度的增强效应开始减弱,但对失效模式并没有影响,仍为挤压失效模式。在Abaqus有限元软件中建立碳纤维复合材料单搭接螺栓连接三维有限元模型,引入含拉伸分层损伤、压缩分层损伤的三维Hashin准则和改进了的Tan、Tserpes材料刚度退化模型,仿真得到的载荷-位移曲线和失效模式与试验结果相吻合。

不同内径碳纤维复合材料轴管的振动性能研究

孙泽玉, 余许多, 陶雷, 高洪平

2020, 0(5): 63-68.

摘要 ( 129 )

PDF (2789KB) ( 188 )

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利用脉冲激振实验技术和有限元分析方法,分别采用实验和有限元计算两种方法研究了轴管内径对碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)轴管自由状态下的振动性能的影响。结果表明:随着CFRP轴管内径的增加,其固有频率值增大,当轴管内径从50 mm增加到70 mm时,固有频率增加了39.13％,仿真和实测固有频率结果基本一致,仿真模型可靠。不同内径CFRP轴管在自由状态条件下第一阶振动都发生了弯曲振动,振动时1/4和3/4处不变形而中间和两端变形较大。随着CFRP轴管内径增加,振动衰减系数逐渐减小,衰减系数下降速率逐渐变缓。轴管内径引起阻尼性能的变化对轴管自由状态振幅衰减有较大影响,但是对固有频率影响较小。

不同无纺布对玻纤/乙烯基酯复合材料力学性能的影响

马鹏, 李进, 康少付, 周少雄

2020, 0(5): 69-73.

摘要 ( 109 )

PDF (4459KB) ( 176 )

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为了改善玻纤/乙烯基酯(GF/VE)复合材料的层间性能,采用VARI工艺制备层间加入共聚酯(PEs)、聚氨酯(TPU)、聚酰胺(PA)、乙烯-醋酸乙烯基酯(EVA)无纺布的GF/VE复合材料,对其拉伸、弯曲和Ⅰ型层间断裂韧性进行了研究。结果表明:加入PEs、TPU、PA、EVA无纺布分别使GF/VE复合材料Ⅰ型层间断裂韧性提高了142%、103%、46%、45%;加入TPU无纺布使GF/VE复合材料拉伸强度提升了6.43%,其余分别下降了2.93%、3.72%、28.67%;加入不同无纺布后弯曲强度分别下降了13%、14%、25%、60%。共聚酯和聚氨酯无纺布对GF/VE复合材料的增强、增韧效果优于聚酰胺材料。

双排小管径管替代单孔大管径涵洞的可行性分析

王清洲, 孙言文, 张文宇, 张玉宁

2020, 0(5): 74-79.

摘要 ( 97 )

PDF (1529KB) ( 196 )

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为解决大直径玻璃钢夹砂管的应用受路基标高和管顶填土高度限制的问题,对小管径双排玻璃钢夹砂管涵洞和大管径单排玻璃钢夹砂管涵洞的力学性能、管涵成本和工程费用等方面进行对比分析,论证小管径双排管替代大直径管道的可行性。研究结果表明:路基设计标高相同条件下,小管径双排管涵洞能够获得更加充足的覆土高度,从而显著削弱外荷载对管涵产生的应力效应,替代方案能够保证管道在低应力状态下服役,对延长管道的使用寿命有利;在相同工况下,单排管与双排管的应力值满足各自抗压强度和抗拉强度的要求,小管径双排管涵洞更具备良好的安全储备;小管径双排管涵洞较大管径单管涵的生产成本和工程费用每延米可节约1172.39元,经济效益显著。

鞍形碳纤维复合材料构件固化变形修正技术研究

刘宝明

2020, 0(5): 80-83.

摘要 ( 106 )

PDF (2162KB) ( 171 )

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针对鞍形碳纤维复材构件固化变形问题,通过试验的方法获取变形规律,以截面角度为参数,建立了型面各变形参数的变化规律方程,预测构件的固化变形。利用CATIA/CAA二次开发技术,实现了鞍形件的修正软件开发,并通过对鞍形件进行实际修正,减小了零件的制造误差,证明该方法可以有效地降低变形量,提高制件精度。

玻纤复合材料多尺度本构建模及其应用研究

陈有松, 韩红阳, 胡红成, 张道童

2020, 0(5): 84-89.

摘要 ( 186 )

PDF (3504KB) ( 250 )

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本构模型对复合材料结构设计及分析具有十分重要的作用,在本构模型中应用最广泛的强度准则之一就是蔡-吴(Tsai-Wu)准则。在蔡-吴准则中,交叉项参数需要通过双轴试验确定。工程中常以经验值代替交叉项参数,但是这会影响本构模型的精度。本研究基于玻纤增强复合材料,建立了材料多尺度模型,通过仿真研究材料在双轴加载下的力学性能,确定蔡吴准则中的交叉项参数。在此基础上,建立了玻纤复合材料多尺度本构模型,通过三点弯曲仿真和试验验证本构模型精度,结果表明计算误差小于5%。最后,将建立的本构模型应用于某款车型的玻纤复合材料板簧的设计和分析中,结果满足设计要求。

夹层结构天线罩的低成本制造工艺

朱永明, 杨春霞, 吴东

2020, 0(5): 90-94.

摘要 ( 202 )

PDF (1086KB) ( 316 )

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随着复合材料技术的发展,天线罩原材料的低成本化与成型工艺的低成本化是天线罩设计、生产的方向。本文对夹层结构天线罩的原材料进行了优化选择及性能测试,采用无溶剂湿法预浸料和真空袋压法制造了雷达夹层结构天线罩。通过对天线罩进行电性能及环境适应性测试,制造的天线罩满足产品设计使用要求。采用湿法预浸料的低压成型夹层结构天线罩工艺可以大幅度降低主材费用,在加工成本相仿的条件下较传统的干法预浸料/PMI芯材天线罩成本降低超过50%,与蜂窝夹层结构天线罩制造成本相比总成本降幅可达70%,具有较好的经济效益,可在各类地面雷达天线罩的生产制造中推广应用。

复杂蜂窝夹层结构二次胶接校验精度影响因素研究

袁超, 李韶亮, 陈静

2020, 0(5): 95-99.

摘要 ( 126 )

PDF (3003KB) ( 294 )

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针对复杂蜂窝夹层结构的二次胶接工艺,通过采用不同校验压力、校验膜组合模式进行校验精度影响因素研究。结果表明:在较低压力下,校验外加压力对复杂蜂窝夹层结构的校验精度影响很小;校验膜组合方式对校验精度影响较大,板-板与板-芯胶接区域采用不同校验膜组合校验方式得到的校验结果优于板-板与板-芯胶接区域采用单一校验膜校验方式的结果。根据组合校验试验结果,建立了组合校验膜选择模型并对模型进行了验证。

风电叶片后缘建模方法对屈曲稳定性的影响

赵春妮, 刘清, 陈文光, 李军向

2020, 0(5): 100-104.

摘要 ( 154 )

PDF (1201KB) ( 165 )

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后缘失稳是风电叶片常见的失效模式之一,本文主要通过有限元方法研究了后缘芯材斜角、密集的后缘UD(即铺放在后缘的单向布)错层等情况的不同处理方式对屈曲稳定性的影响。结果表明:计算风电叶片屈曲稳定性时,后缘粘接胶可定义为实体单元或壳体单元(等效为小腹板);可用不少于三个厚度台阶模拟后缘芯材斜角;对逐层错层的后缘UD建模时可进行一定程度的合并简化。

玻璃纤维/聚丙烯复合纤维纱拉挤成型过程

荆蓉, 张锐涛, 孟雨辰, 王彦辉

2020, 0(5): 105-111.

摘要 ( 112 )

PDF (3423KB) ( 335 )

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采用复合纤维纱拉挤制备连续玻璃纤维增强聚丙烯(GF/PP)热塑性型材,研究了复合纤维纱中PP树脂浸渍连续GF过程。以达西定律为理论基础,研究了影响径向浸渍速率的渗透率、压力、树脂流体黏度等参数随着纤维体积分数、拉挤成型模具结构参数、复合纱物性参数、成型温度的变化。在自主设计的试验线上制备了不同模具结构参数、不同成型温度下的拉挤型材样条,测试其孔隙率和机械性能,并对成型制品断面进行形态观察。实验结果的规律与理论模型分析相符,结果表明:在GF/PP复合纱拉挤过程中,在入模处对纱线施加张力有利于制品的浸渍均匀性;200 ℃~220 ℃的成型温度最有利于树脂的流动浸渍;成型模具热熔区壁面倾角对树脂向纤维束内部的浸渍过程是必要的。

UV光引发环氧树脂前沿聚合及其碳纤维复合材料的力学性能

赵培仲, 谭晓明, 戴京涛

2020, 0(5): 112-116.

摘要 ( 189 )

PDF (1084KB) ( 241 )

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设计实现了脂环族环氧树脂(CEP)及其和甲基丙烯酸丁酯(BMA)共混物的UV光引发前沿聚合,通过对聚合过程中反应物温度的监测,分析了对热敏感的阳离子引发剂对聚合前沿下移速度的影响。结果发现热敏感的阳离子引发剂的加入能够提高聚合前沿的下移速度。在CEP中引入BMA后,CEP/BMA可以通过UV诱发前沿聚合形成半IPNs结构,聚合前沿下移速度下降。TG和DSC测试表明,BMA的引入降低了玻璃化转变温度和起始降解温度。以CEP或CEP/BMA为基体,以碳纤维为增强相制备复合材料,可以实现UV快速固化,并具有较好的力学性能。

模压方式和工艺参数对GF/PP复合纤维织物层压板力学性能的影响

赵玉, 张用兵, 张兴刚, 王彦辉

2020, 0(5): 117-122.

摘要 ( 136 )

PDF (3789KB) ( 223 )

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在不同的工艺参数下对玻璃纤维/聚丙烯纤维(GF/PP)复合纤维织物使用模压成型方式制成层压板,通过正交试验方法,研究模压温度、模压压力、保压时间对复合纤维织物GF/PP复合材料力学性能的影响。采用拉伸强度、弯曲强度、冲击强度作为评价GF/PP复合材料层压板的力学性能指标。结果表明:采用先制成预浸料再模压成型的方式制作的层压板的综合力学性能要优于直接将GF/PP复合纤维织物叠放在模具里通过模压成型制成层压板的力学性能。模压温度为210 ℃,模压压力为10 MPa,保压时间为20 min是采用GF/PP复合纤维织物制作连续纤维增强聚丙烯层压板的最佳工艺参数。

先进复合材料在飞机上的应用及其制造技术发展概述

宁莉, 杨绍昌, 冷悦, 任学明

2020, 0(5): 123-128.

摘要 ( 189 )

PDF (7348KB) ( 303 )

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总结了40多年来欧美国家执行的一系列推动复合材料在飞机上应用的发展计划,以及各个阶段具有代表性的军民用飞机的复合材料用量,对比分析了国内航空用复合材料的发展状况及各个时期国内军民用飞机的复合材料用量,概述了复合材料成型技术的发展趋势,介绍了复合材料自动化制造技术以及复合材料液体成型的低成本制造技术,提出了我国在新时期所面临的先进复合材料制造领域的机遇和挑战。

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