复合材料科学与工程

齐添添, 陈尧, 何才厚, 李秋锋

2020, 0(6): 5-9.

摘要 ( 107 )

PDF (1612KB) ( 192 )

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声发射检测技术可实现材料的动态监测,同时也存在一定的局限性,声发射信号在具有各向异性的碳纤维复合材料中的传播更为复杂,因此声发射源损伤定位有较大偏差。针对碳纤维复合材料板的声发射定位要求,采用一种时间反转聚焦增强算法。首先根据时间反转基本原理推导出信号增强处理方程式,可以推算出声源聚焦时刻,进而使声源信号场波幅值聚焦增强,提高信噪比;然后对检测区域进行波动图重构,通过聚焦信号对声源进行准确定位;最后通过实验对该定位算法进行验证,实验结果表明该定位算法可实现对复杂各向异性材料的声发射源定位,且定位精度较常规仪器定位方法有较大提高。

火灾下CFRP加固RC梁高温抗弯承载力简化计算方法

郝建文, 董坤, 蒋济同, 胡克旭

2020, 0(6): 10-17.

摘要 ( 104 )

PDF (2052KB) ( 151 )

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火灾下粘贴碳纤维复材(CFRP)加固构件的承载力计算是对其进行抗火设计的关键。采用数值模拟手段进行了标准火灾下单面和三面受火的CFRP加固钢筋混凝土(RC)梁温度场分析,考虑温度场的主要影响因素(保护材料厚度和导热系数),提出了加固构件表面及内部温度简化计算公式,并与试验数据对比验证了简化公式的准确性。结合混凝土梁截面承载力极限状态分析方法、材料及界面性能高温退化模型,建立了在ISO 834标准火灾情况下不同时刻CFRP加固RC梁高温抗弯承载力简化计算方法,并与荷载效应进行对比,即可进行防火保护材料厚度的合理选择。该研究成果可用于建立CFRP加固钢筋混凝土梁的火灾保护设计方法,或判断已有保护措施的CFRP加固梁是否能达到要求的耐火极限,能够为CFRP加固构件的抗火设计和安全鉴定提供理论手段和方法。

碳纤维层合板抗球形弹冲击动态响应特性试验研究

彭捷, 张伟岐, 田锐, 邓云飞

2020, 0(6): 18-24.

摘要 ( 70 )

PDF (17474KB) ( 57 )

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为了研究碳纤维复合材料层合板对球形弹的抗冲击特性,利用一级气炮发射弹体对层合板进行高速冲击试验,通过高速摄像机记录弹靶冲击过程。利用C扫成像及显微镜检测层合板的损伤区域,分析不同速度弹体冲击下层合板的能量吸收率、损伤形式及能量吸收机制的变化规律。研究结果表明:弹体剩余速度随着初始速度的增加先减小后增加,而弹体剩余速度变化率先增大后减小。当弹体初始速度比较低时,层合板主要通过分层吸收弹体动能。随着弹体初始速度增加,层合板的冲击响应时间减小,分层面积下降,纤维断裂成为吸能的主要方式,层合板能量吸收量迅速下降。

玻碳混杂低风速风电叶片结构优化及性能分析

郭小锋, 齐剑峰, 黄鑫祥

2020, 0(6): 25-29.

摘要 ( 117 )

PDF (2233KB) ( 293 )

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为了进一步减轻低风速风电叶片的重量及载荷,以长度为54 m的某2 MW风电叶片为研究对象,构建了玻碳混杂叶片铺层结构设计模型,基于Matlab和ANSYS参数化建模和分析方法,对优化设计的玻碳混杂铺层结构叶片进行了强度、载荷特性、质量与最大变形量分析。研究表明:优化后的叶片质量降低了32.46%,其动态载荷及叶尖变形量有明显的减小;在保证叶片优化前后具有相同刚度的前提下,优化叶片的最大拉伸应力明显降低。本文的研究对低风速风电叶片的轻量化设计具有重要的参考意义,有助于降低风电叶片的成本。

基于复杂类回转体90°纤维轨迹规划算法研究

马瑞, 王东立, 聂海平, 王显峰

2020, 0(6): 30-34.

摘要 ( 77 )

PDF (5482KB) ( 155 )

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铺放轨迹设计是控制自动铺丝工艺质量的关键,为进一步提高复杂类回转体复合材料构件轨迹铺放质量,提出以类回转构件的形心曲线为基准参考线,综合考虑角度偏差、轨迹间距及轨迹测地曲率的多目标轨迹规划算法。根据丝束宽度、丝束数量等工艺参数生成满足工艺要求的基准轨迹,通过对基准轨迹偏移生成偏移轨迹并对其进行局部调整和全局优化,设计其他轨迹。最后以Visual Studio 2010为开发平台,利用CATIA Automation技术开发了复杂类回转体铺放软件,并在复杂类回转体曲面上进行了验证,结果证明了该算法的有效性。

不同复合材料板簧的性能比较及结构优化

陈广豪, 梁智洪, 张芝芳

2020, 0(6): 35-45.

摘要 ( 95 )

PDF (4246KB) ( 236 )

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随着汽车行业日益激烈的竞争和环境问题的不断凸显,有必要对汽车部件进行优化减重设计。本文利用CATIA三维软件建立了某轻型汽车的板簧几何模型,并导入ANSYS 15.0有限元软件中,分别赋予其五种材料属性,包括传统金属材料和四种新型纤维增强复合材料(E玻纤、S玻纤、碳纤、凯夫拉增强纤维)。计算并对比双片钢板板簧、双片复合材料板簧和单片复合材料板簧的应力、挠度、刚度及重量,所得结果表明,在满足板簧性能指标的前提下,单片E玻纤复合材料板簧具有最优的性价比,重量相比传统钢材板簧减轻了80%。为进一步减轻单片E玻纤复合材料板簧的重量,对其应力较小区域进行变截面宽度的结构优化。结果表明优化后的单片变宽度E玻纤复合材料板簧重量相比优化前板簧,进一步减重5.2%。对钢板板簧及优化前后的单片E-玻纤复合材料板簧的安全系数、振动频率及应变能等进行综合比较,结果表明,结构优化后的单片变宽度E玻纤复合材料板簧性能符合要求,性价比高,且减重效果显著。

嵌入式共固化穿孔阻尼复合材料的制备与性能

闫云鹏, 梁森, 古恒, 郑长升

2020, 0(6): 46-50.

摘要 ( 99 )

PDF (2564KB) ( 158 )

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为了提高复合材料的阻尼性能,促进阻尼复合材料的发展,本文探索一种新的嵌入式共固化穿孔阻尼复合材料。在T300碳纤维布上刷涂阻尼胶浆,晾干后制出规则分布的小孔,按真空导入成型工艺制备预成型体,将其放入温度试验箱进行固化,得到嵌入式共固化穿孔阻尼复合材料,并将复合材料按尺寸切割成试件。对试件进行模态试验、自由衰减试验和层间剪切试验。试件板的一阶模态阻尼达到3.65%,固有频率为12.88 Hz;试件梁的一阶模态阻尼达到2.02%,固有频率为34.25 Hz;试件梁的层间剪切力最大值为6488.452 N,剪切强度为5.19 MPa。结果表明这种嵌入式共固化穿孔阻尼复合材料具有较好的阻尼性能与层间力学性能。

钢筋布设对GFRP-混凝土组合板弯曲性能影响的研究

佟兆杰, 陈宜言, 黄侨, 许翔

2020, 0(6): 51-56.

摘要 ( 92 )

PDF (1678KB) ( 139 )

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钢筋的布设可以提高GFRP-混凝土组合桥面板的弯曲刚度,改善组合板的延性,降低组合板的造价。此外,配筋组合板具有优于钢筋混凝土板的耐久性。本文基于截面分析法对配筋组合板的弯曲性能进行研究。首先基于平截面假定推导配筋组合板的截面分析模型,并通过2片试验板进行验证。然后采用截面分析法对钢筋布设与组合板刚度及延性的关系进行分析。分析表明:钢筋面积、GFRP底板厚度都可以提高组合板的弯曲刚度;钢筋面积越大组合板延性越差,GFRP底板越厚组合板延性越差;可以通过增加钢筋面积、减少GFRP底板厚度的方法提高组合板的刚度,并使组合板具有一定延性;当钢筋面积和GFRP板尺寸不变时,可以使钢筋尽量靠近桥面板底面布置,从而获得较好的弯曲刚度及延性。

自紧压力对全缠绕复合气瓶疲劳性能的影响

秦小强, 邓贵德, 梁海峰

2020, 0(6): 57-61.

摘要 ( 116 )

PDF (2838KB) ( 147 )

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为了提高天然气汽车的续航里程,设计了30 MPa车用全缠绕压缩天然气气瓶。本文基于有限元软件平台下的复合材料分析模块,研究了不同的自紧压力对采用小角度螺旋缠绕、大角度螺旋缠绕加环向缠绕三种混合缠绕的全缠绕复合气瓶疲劳性能的影响,分析时采用SWT平均应力修正方程对交变应力幅进行了修正。结果表明:对气瓶进行自紧处理,基本不会改变内胆的交变应力幅,但是却可以降低其平均应力;在满足纤维应力比的前提下得出其最佳自紧压力为52 MPa,此时其疲劳循环次数约为15000次。

碳纤维八面体骨架增强泡沫复合结构的制备及力学性能分析

徐香新

2020, 0(6): 62-67.

摘要 ( 91 )

PDF (4244KB) ( 152 )

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设计了一种不需加装面板的碳纤维八面体骨架增强泡沫复合结构,介绍了碳纤维八面体骨架增强泡沫复合结构的制作工艺。分别从实验测试以及理论分析两个方面,获得了碳纤维八面体骨架增强泡沫复合结构的抗压强度及压缩模量等力学性能。研究结果表明:受边界效应影响,碳纤维八面体骨架增强泡沫复合结构的抗压强度及压缩模量明显降低,实测抗压强度介于理论最大值与最小值,压缩模量甚至低于最小值。对比其他类型的碳纤维-泡沫复合结构,碳纤维八面体骨架增强泡沫复合结构在抗压强度与压缩模量上具有一定优势。碳纤维八面体骨架增强泡沫复合结构具有近乎各向同性的力学性能,密度低于水,耐腐蚀性高,在航海领域的应用前景广泛。

RTM复合材料中分层缺陷的超声表征及量化分析

史俊伟, 刘松平, 刘菲菲, 杨玉森

2020, 0(6): 68-73.

摘要 ( 133 )

PDF (2587KB) ( 169 )

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以ZT7H/QY8911碳纤维增强树脂基RTM工艺成型复合材料为研究对象,通过预埋单层聚四氟乙烯薄膜(PTFE)模拟不同尺寸(=3 mm,6 mm,10 mm)和不同深度(近上表面、中间深度、近下表明)的分层缺陷,制备了RTM复合材料超声检测试样。基于水浸式超声反射法对缺陷进行超声A-Scan、B-Scan和C-Scan检测表征,并对检测结果进行量化分析。结果表明:超声反射法对RTM复合材料层压板中分层缺陷具有定性、定量检测能力,超声A-Scan检测信号中幅值、相位、时域渡越等特征量与缺陷的尺寸、深度、性质等具有相关性,超声B-Scan检测可以对缺陷深度进行表征,超声C-Scan可以对缺陷尺寸进行表征,深度方向检测分辨率达1个铺层厚度,缺陷尺寸的检测偏差≤1.0 mm。

风电叶片模具型面测量方法的研究

陈万康, 曹忠元, 张驰, 黄赛

2020, 0(6): 74-78.

摘要 ( 125 )

PDF (936KB) ( 159 )

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为了提升风电叶片模具安装调试过程中的型面精度,本文对风电叶片模具型面测量精度的影响因素进行了分析研究,并重点分析了测量方法和数据拟合方法,总结出适合于风电叶片模具安装调试过程中型面测量的测量方法和测量数据拟合方法。同时,对激光跟踪仪自由状态和调平状态下测得的两组结果进行对比,得出激光跟踪仪的调平操作对测量结果有直观增益的效果。采用不同的拟合方法对全局测量数据进行分析,并对分析结果进行对比,得出全局测量和关系匹配拟合数据方式处理的判定结果最为理想,作为型面控制的数据会更加精确。实际操作验证,通过规范测量方式及数据处理方式达到了提升风电叶片模具安装调试过程中型面精度的目的。

傅里叶变换在玻璃钢复合材料胶接质量检测中的应用

郑金华, 冯君伟, 盛涛, 钱云翔

2020, 0(6): 79-83.

摘要 ( 100 )

PDF (4288KB) ( 162 )

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通过对钢/玻璃钢的胶接质量的超声信号进行傅里叶变换并分析,发现超声波在钢里面产生了共振。因胶接良好时玻璃钢对超声信号的衰减使得其共振幅值要明显小于脱粘超声信号,再通过对比不同特征下的超声C扫描图像,发现只有在基频幅值下的超声C扫检测效果和常规超声C扫检测效果一致。因此可以通过超声幅-频曲线来评价钢/玻璃钢的胶接界面是否存在脱粘。

复合材料机载天线罩多学科优化设计

程阳, 丁晓红

2020, 0(6): 84-88.

摘要 ( 118 )

PDF (1788KB) ( 202 )

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提出一种复合材料机载天线罩多学科优化策略。以满足天线罩透波率为要求,基于等效传输线理论,对天线罩电性能进行分析,找出符合电性能指标的铺层厚度区间,将对透波率的约束转换到设计变量铺层厚度中。在满足透波率要求的前提下,建立了以质量最小为目标,结构刚度强度为约束,罩壁不同方向铺层厚度为设计变量的优化数学模型,以实现天线罩的轻量化设计。以某A-夹层机载天线罩为例进行了优化分析,研究结果表明,优化后的天线罩有显著的轻量化效果和较高的透波率表现,验证了优化方法的可行性。

平流层飞艇碳纤维复合材料刚性骨架的管件连接方法研究

肖畅, 陈永霖, 李帅, 付功义

2020, 0(6): 89-94.

摘要 ( 110 )

PDF (3073KB) ( 201 )

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碳纤维复合材料凭借优良的力学性能在浮空器领域具有很好的应用前景。根据某平流层飞艇项目的工程需求,本文对飞艇刚性骨架的碳纤维管件结构件连接问题开展了初步研究。基于对目前碳纤维复合材料管件连接方法现状的调查,对法兰接头连接、卡槽接头连接和榫卯接头连接三种简易连接方法进行了轴向拉伸试验研究及适用性分析。在此基础上,提出了一种使用螺纹套管接头的连接方法,并通过试验和有限元软件模拟,验证了该方法可以满足飞艇工程设计的抗拉能力指标要求和作为平流层飞艇刚性结构件的构造要求,并具有安装/拆装便捷等优点,解决了平流层飞艇项目的工程需求。

碳纤维复合管-铝合金胶接接头拉伸性能研究

王华, 王希杰, 王增加

2020, 0(6): 95-97.

摘要 ( 111 )

PDF (3748KB) ( 162 )

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以直径为80 mm,壁厚为1 mm的碳纤维复合管-Al合金胶接接头为研究对象,通过整体拉伸试验比较了不同胶接长度、胶层厚度、外加紧固件对接头破坏载荷的影响。结果表明:胶接面的破坏载荷随着胶接长度的增大先增大后减小,随着胶层厚度的增大而降低。随着胶接长度和厚度的增加,胶接面由复合材料分层破坏和部分胶层的剪切破坏转向胶接界面剥离破坏。在胶接面上施加紧固件能够抵消部分附加弯矩引起的剥离应力,从而提高接头的破坏载荷。胶接长度为100 mm,胶层厚度为0.01 mm~0.02 mm,施加三条非均布紧固件的胶接面能够承受最大为255 kN的破坏载荷。

固化工艺参数对国产T800增强高韧性复合材料性能的影响

李伟, 张晨乾, 叶宏军, 包建文

2020, 0(6): 98-104.

摘要 ( 204 )

PDF (4260KB) ( 270 )

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针对AC531/CCF800H高韧性复合材料在0.2 MPa+真空(-0.07 MPa)条件下出现的固化缺陷问题,采用流变仪表征法分析了AC531树脂在不同温度条件下的黏度变化及其流动特性。AC531/CCF800H预成型体固化过程中,AC531树脂在纤维层间的流动可以用 Darcy定理来描述。利用Darcy定理可知AC531/CCF800H复合材料内部的孔隙率随着固化压力的增加而减小,浸渍实验结果表明两者近似呈线性关系。织物和单向带替代铺层的A扫检测结果表明AC531/CCF800H复合材料在固化过程中,以面内流动为主。根据不同固化压力条件下AC531/CCF800H复合材料的内部质量及力学性能测试结果可知,有效固化压力是影响AC531/CCF800H复合材料内部质量的关键影响因素。其有效固化压力应至少为0.3 MPa,继续提高压力对其常温力学性能影响不大,但可以降低制件内部的孔隙率,减小制件的单层厚度。

复合材料锥形缠绕机构及控制系统设计

邹财勇, 孔令国, 李张增

2020, 0(6): 105-108.

摘要 ( 122 )

PDF (1863KB) ( 169 )

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复合材料锥形缠绕不同于对称规则构件,其不规则缠绕方式对设备控制要求高。本文阐述了锥形缠绕原理及缠绕机构设计,具体介绍了锥形缠绕机主缠绕单元和复合放卷单元。锥形缠绕机控制系统分为张力控制单元、温度控制单元及运动控制单元,整体以可编程控制器为核心。试验结果表明:温度控制响应准确,稳态误差低于3%;张力波动控制在(100±5) N内,能较好地满足使用要求。

风机叶片检测的研究现状及进展

杨家欢, 宗哲英, 王祯, 刘国强

2020, 0(6): 109-113.

摘要 ( 131 )

PDF (820KB) ( 406 )

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随着人们对风能利用的重视,风电装机总容量逐年提升,装机叶片数量不断增加。为追求单个风力发电机更大发电量和更高能量转化效率,人们不得不增大叶片尺寸。装机叶片的数量和叶片尺寸的增长给叶片的检测带来不便。叶片作为风力发电机中将风能转化为机械能的核心部件,面对多变的环境和复杂的应力耦合作用,极易发生故障和损坏。为了安全生产,使经济效益得到保障,同时预防灾难性事故的发生,现已发展出多种对风机叶片的检测手段。

纳米无机填料改性酚醛树脂基防热复合材料烧蚀性能研究现状

李然, 郭安儒, 吴文敬, 李杰

2020, 0(6): 114-120.

摘要 ( 81 )

PDF (7620KB) ( 50 )

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树脂基体中共混纳米无机填料是提高酚醛树脂基复合材料烧蚀性能的一种有效途径,无机填料与酚醛树脂共混改性制备复合材料的工艺简单、成本低、改性效果明显,已成为重要的研究方向。本文对无机填料特别是纳米无机填料改性酚醛树脂基烧蚀材料的烧蚀性能研究进行了梳理,并对多种纳米填料改性复合材料的烧蚀机理研究进行总结归纳。

树脂基复合材料与金属材料胶接体系研究进展

付文强, 王小兵, 王宝春, 徐洪敏

2020, 0(6): 121-128.

摘要 ( 167 )

PDF (976KB) ( 352 )

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树脂基复合材料由于具有优异的性能而一直广受关注,其在应用过程中不可避免地存在与金属等异种材料的连接问题。本文以树脂基复合材料在实际生产应用中的发展历程为出发点,从化学键连接理论、机械互锁连接理论、表面润湿和吸附理论、双电层连接理论等方面简要阐述了复合材料和金属材料胶接体系设计的相关理论,并从物理和化学两方面介绍了几种常用的表面预处理方法,其中包括喷砂、磨蚀、溶剂清洗等物理预处理方法与化学蚀刻、阳极氧化、等离子体处理、硅烷偶联剂处理及激光处理等化学预处理方法,最后列举了有关胶粘剂改性的一些思路。

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