复合材料科学与工程

关晓宇, 陈建稳, 夏雨凡, 张阳

2020, 0(7): 5-12.

摘要 ( 133 )

PDF (6866KB) ( 428 )

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在实际工程中,织物膜材料双轴撕裂损伤是膜结构破坏的关键诱因,其撕裂力学性能对于膜结构安全至关重要。本文采用试验与数值分析相结合的方法研究经编类织物复合膜材的双轴撕裂力学行为,应用ABAQUS软件建立考虑纱线及基体细观结构的双轴撕裂数值模型,进行了多应力比状态下膜材撕裂破坏过程分析,获得了膜材的撕裂强度和破坏模式特征,探讨分析了应力比状态对膜材撕裂力学性能的影响规律。结果表明:应力比状态的改变显著影响膜材的撕裂破坏模式、应力状态及撕裂强度;依据切缝角度及应力比的不同,可形成一、十及Z字形三类典型裂口。在临界应力状态下,经纬向应力比差值越大,裂缝尖端处应力集中现象越明显;由于经纬向纱线间承载的协调作用,45°切缝撕裂强度的最大值出现于应力比为1∶1时。

含褶皱缺陷玻璃纤维增强复合材料层合板拉伸渐进失效分析

钱若力, 穆晓光, 王轩, 李权舟

2020, 0(7): 13-19.

摘要 ( 111 )

PDF (5462KB) ( 384 )

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为研究褶皱缺陷对玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板拉伸性能的影响,采用Abaqus有限元软件,结合USDFLD子程序,建立含褶皱缺陷的玻璃纤维增强复合材料层合板渐进失效分析模型。通过数值仿真分析方法对含褶皱缺陷层合板在拉伸载荷作用下的强度退化和渐进失效过程进行研究,分析褶皱高宽比对层合板拉伸性能的影响。结果表明:拉伸强度预测值以及损伤初始位置与文献中实验结果吻合较好,验证了建立的仿真分析模型;随着褶皱高宽比的增加,拉伸失效载荷和强度显著降低;在拉伸载荷作用下,在褶皱变形区域与富树脂区域相接的铺层位置存在应力集中;层合板损伤由富树脂区域逐渐向褶皱变形区域扩展,最终在褶皱变形区域完全失效;受褶皱影响,层合板在拉伸过程中发生弯曲变形,在线弹性阶段,相同载荷条件下变形随着褶皱高宽比的增加而增加。

基于Lamb波的复合材料结构分层损伤扩展监测研究

王梓尧, 严刚

2020, 0(7): 20-26.

摘要 ( 137 )

PDF (4182KB) ( 242 )

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分层损伤会严重削弱复合材料结构的强度和稳定性,对其进行监测和识别对保证结构安全具有重要意义。本文提出一种基于Lamb波和时频分析的方法,对复合材料结构中的分层损伤扩展进行在线连续监测。首先研究了Lamb波在含分层复合材料层合板中的传播特性,建立了Lamb波传播时间与分层长度之间的关系,为分层损伤扩展监测提供理论基础;然后采用小波变换对由压电传感元件激励和接收的Lamb波信号在时频域进行分析,测量出Lamb波在压电传感元件之间的传播时间用于确定分层长度等扩展情况。数值仿真和试验研究结果表明,随着分层长度的增加,Lamb波的传播时间逐渐延长,并与分层长度呈线性关系,可以通过小波变换提取的传播时间信息监测出分层的扩展,验证了所提出方法的可行性。

压电-金属结构复合材料层间损伤检测研究

王旭, 郑艳萍, 夏小松, 张超禹

2020, 0(7): 27-32.

摘要 ( 80 )

PDF (2971KB) ( 168 )

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压电阻抗法(EMI)在复合材料无损检测中已经得到了广泛应用,但其在损伤检测中的精度表现依然不能令人满意。本文基于压电阻抗法,借助有限元软件ANSYS,使用压电片-金属片结构在低频范围内对复合材料板层间损伤进行研究,绘制出距离损伤不同位置处的压电阻抗曲线,计算其损伤指标均方根偏差(RMSD)值,并同传统的单一压电片结构进行对比,证明了压电片-金属片结构对低频近距离损伤具有更高的检测精度。

复合材料帽型加筋层合板典型板元的等效刚度计算

邱家波, 李华东

2020, 0(7): 33-39.

摘要 ( 117 )

PDF (2618KB) ( 370 )

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基于经典层合板理论和刚度等效原理,推导了复合材料帽型加筋层合板典型板元的等效面内刚度和等效弯曲刚度的理论解,通过具体算例,将多种工况下典型板元的受力响应和Abaqus有限元计算结果进行比较,结果显示理论解和有限元计算结果吻合较好,说明理论计算方法是准确可靠的。本文的研究成果可应用于复合材料加筋层合板和单板骨架式复合材料船体结构的刚度计算。

复合材料补片胶接修复钢板影响参数仿真分析

许明阳, 殷晨波, 李向东, 陈曦

2020, 0(7): 40-44.

摘要 ( 103 )

PDF (1218KB) ( 153 )

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在对钢结构进行胶接修复时,不同的胶接方案对修复结果有显著影响。为更好制定胶接修复方案,在ABAQUS中建立有限元模型,侧重探究补片尺寸和胶层参数对应力强度因子(SIF)和胶层应力的综合影响。分析表明,增加补片厚度和胶层剪切刚度都可以有效降低裂纹尖端应力强度因子,同时会增大胶层端部应力。增加补片厚度比增加胶层剪切刚度能得到更好的修复效果。补片厚度选在1.5 mm左右最佳,胶层剪切刚度选在5 GPa左右最佳。补片等宽修复对钢板有更好的补强效果,不建议对较厚的结构进行胶接修复。

O₂等离子体改性玻璃纤维增强SiO₂气凝胶复合材料的制备及表征

田佳琦, 谭慧君, Sameera Shafi, 赵亚平

2020, 0(7): 45-52.

摘要 ( 118 )

PDF (5546KB) ( 210 )

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为了制备得到性能优异的疏水SiO₂气凝胶复合材料,以O₂等离子体处理的玻璃纤维作为增强相,结合溶胶-凝胶法和超临界CO₂干燥工艺制备SiO₂气凝胶复合材料并对复合材料的结构、表面基团、疏水性、热稳定性以及绝热、力学性能进行表征。结果一方面表明O₂等离子体处理改善了玻璃纤维与SiO₂气凝胶的结合能力,使复合材料具有更加优异的绝热性能和力学性能;另一方面表明疏水改性后的O₂等离子体处理玻璃纤维增强的SiO₂气凝胶复合材料在MTMS与TEOS比例为0.4∶1时,具有低密度(0.228 g/cm³)、低导热率(0.0214 W/m·K)、高孔隙率(80.0%)、高比表面积(741.66 m²·g^-1)、高疏水角(129.2°)以及高抗压强度(σ_20%=152.88 kPa)的特点。这些优异的性能促进了O₂等离子体处理玻璃纤维增强的SiO₂气凝胶复合材料在绝热领域更加广泛的应用。

偏置椭球冠状先进复合材料后压力框格栅结构方案

徐非凡, 周仕刚, 蔡启阳

2020, 0(7): 53-57.

摘要 ( 94 )

PDF (4009KB) ( 365 )

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本文研究了偏置椭球方程,改变相关参数可得到不同尺寸和形状的后压力框,得到了一种偏置椭球冠状后压力框外形的确定方法。由某型飞机的尺寸相关要求确定后压力框的外形,采用有限元法对此种形式的后压力框进行内压作用下的应变分析以及外压作用下的稳定性分析,采用局部壳体稳定性分析的研究方法确定加筋基本方案,并对格栅加筋后的后压力框进行外压下稳定性分析,考虑不同加筋形式的影响,最终得出较优的格栅加筋结构方案。

基于贝叶斯理论的FRP约束矩形混凝土柱轴压极限强度研究

陈景, 李翔宇

2020, 0(7): 58-67.

摘要 ( 141 )

PDF (1431KB) ( 251 )

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基于贝叶斯理论的模型参数识别方法,不仅可以考虑模型误差的影响,还可以得到模型中参数的最有可能值,同时定量描述各参数的不确定性。为获得更合理的FRP约束矩形(含方形)混凝土柱轴压极限强度模型,广泛整理了已有试验数据,并对已有极限强度模型进行评估,归纳出四种典型的应力-应变曲线形态以及三种典型的极限强度模型形式。在对已有平均断裂应变率计算公式进行修正的基础上,进一步建立了基于贝叶斯理论的极限强度模型参数识别框架,采用MATLAB编程获取到模型参数最有可能值和协方差矩阵。基于所识别的最有可能值,进一步优化得到了与FRP约束圆形混凝土柱轴压强度模型相统一的模型。与部分已有极限强度模型对比发现,新提出的模型在强度预测上更为准确,模型形式更加科学合理。

基于深度学习的复合材料铺层优化方法

白国栋, 童小燕, 姚磊江

2020, 0(7): 68-73.

摘要 ( 170 )

PDF (1837KB) ( 374 )

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复合材料在航空工程中有着广泛的应用,其中铺层优化对提高结构承载能力至关重要。本文中首先运用基于神经网络的深度学习方法快速预测设计结果,然后依据预测结果,通过遗传算法搜索复合材料层合板设计问题的最优解,提高铺层设计效率,最后对比应用深度学习技术与传统优化算法得到的优化结果,证明了深度学习技术在层合板铺层优化中的便捷性和有效性。

紫外老化对玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料疲劳性能的影响

付晨阳, 倪爱清, 王继辉, 孙亮亮

2020, 0(7): 74-80.

摘要 ( 181 )

PDF (4252KB) ( 242 )

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以玻璃纤维/环氧树脂复合材料为研究对象,研究紫外老化对复合材料疲劳性能的影响。利用扫描电镜、红外光谱和动态热力学分析对复合材料的微观形貌、化学结构和动态力学行为进行测试分析。研究表明:紫外线照射使环氧树脂发生了光氧老化降解,破坏了链段中的化学键,环氧树脂发生脱落,使树脂与纤维的结合变得薄弱,界面部分区域发生了脱粘。紫外老化28 d后,复合材料静拉伸强度下降了18%。拉-拉疲劳实验表明,紫外老化对复合材料低周疲劳的影响大于对高周疲劳的影响。紫外老化后复合材料的刚度退化速率和退化幅度均高于未老化试样,表明紫外老化使复合材料的疲劳性能下降。

铺层方式和成型参数对层压板滚筒剥离性能的影响

朱秀迪, 孙超明, 侯鑫, 贺靖

2020, 0(7): 81-84.

摘要 ( 125 )

PDF (2321KB) ( 209 )

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以玻璃纤维布/增韧酚醛树脂的热压成型层压板为研究对象,通过滚筒剥离强度表征层压板面-面结合性能,采用电子显微镜观察粘接面破坏形式的微观形貌。结合以上测试研究了铺层方式、测试方向、经纬密、成型参数等对八枚三飞缎纹布层压板滚筒剥离强度的影响并找出其中的规律。结果表明:剥离面为纬面缎时,加载方向平行、垂直剥离面长浮纤维的滚筒剥离强度优于剥离面为经面缎的铺层,其中0°的层间粘接性能最优,非剥离面的铺层方向对滚筒剥离强度无影响;经纬密增加有助于提高滚筒剥离性能;在一定升温速率范围内,降低升温速率有助于提高滚筒剥离强度,加压时机对层间滚筒剥离基本无影响。

玻璃纤维增强聚乙烯树脂热塑性复合材料的冲击定位

汪晗, 倪爱清, 王继辉, 陈宏达

2020, 0(7): 85-92.

摘要 ( 105 )

PDF (2653KB) ( 283 )

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为解决玻璃纤维增强聚乙烯树脂复合材料(CGF/PE)层合板的冲击定位问题,本文提出了基于光纤传感方法和相关系数法的冲击定位方法。首先将连续的实验区域划分为面积相等的9个部分,进行冲击定位实验,由光纤Bragg光栅(FBG)收集冲击响应信号,经小波阈值方法进行降噪,提取中心波长变化最大值处的时域特征信号,根据计算得到的时域信号相关系数的大小实现对冲击点的定位。结果表明,对于初始划分区域的层合板冲击实验,该方法的冲击定位预测准确率为100%,有效验证了该方法的可靠性。接着,进一步细分实验区域,对该方法的实验精度进行了探究,结果表明,在细分区域的层合板冲击实验中,在70 mm和23.3 mm尺度上,该方法的冲击定位精度达100%,在11.6 mm尺度上达到了87.5%。最后对3种能量下冲击点定位准确率进行了探究,结果表明,70 mm和23.3 mm尺度上准确率达到100%,11.6 mm尺度上达到了87.5%,因此该方法显示出较高的冲击定位预测准确率和工程应用价值。

一种高效无卤阻燃型液体成型环氧树脂体系

南巡, 蒋文革, 周宇, 尚呈元

2020, 0(7): 93-97.

摘要 ( 163 )

PDF (986KB) ( 273 )

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以反应型磷-硅一体阻燃剂为主体阻燃剂,低黏度液体阻燃剂为强化阻燃剂,协同强化阻燃的同时提升体系的工艺性能。通过探究不同组分对双酚F型环氧树脂耐热性能、工艺性能、力学等性能的影响,制备一种60 ℃下适用期达1 h的高效无卤阻燃环氧树脂体系。结果表明:该树脂体系力学性能优良,固化后拉伸强度达72.4 MPa,弯曲强度达105 MPa,冲击韧性达8.43 kJ/m²;阻燃防火性能优异,氧指数可达30.0,阻燃级别可达UL-94-VO,无余焰时间,离火立熄。使用VARI工艺成型的玻璃纤维复合材料,力学性能突出,拉伸强度可达459 MPa,弯曲强度达612 MPa,层间剪切强度达52.4 MPa,其综合性能与已商业化的无卤阻燃预浸料性能基本相当。

大型风电叶片灌注银纹问题研究与解决

吴双, 何贵斌, 牛彭彭

2020, 0(7): 98-102.

摘要 ( 194 )

PDF (4642KB) ( 622 )

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海上及陆上低风速风电的发展促使风电叶片的长度和根部直径急速增大,随之而来的是超大型叶片根部灌注银纹问题的产生。研究表明叶片根部灌注的银纹问题主要发生在树脂灌注固化过程。本文通过研究调整叶片根部树脂灌注固化产生的内应力,减缓叶片后固化过程的内应力释放,有效地解决了大型风电叶片根部的灌注银纹问题。

金属网复合膜对ZT7H/5429复合材料平板固化变形的影响

张晨乾, 李韶亮, 翟全胜, 叶宏军

2020, 0(7): 103-109.

摘要 ( 116 )

PDF (5514KB) ( 184 )

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通过不同的方法测试5429树脂及ZT7H/5429复合材料固化后的弹性模量、密度、泊松比、热传导系数等材料物性参数,基于5429树脂固化度与化学收缩应变的关系表达式,推导出5429粘流态和粘弹态的密度、弹性模量与固化度的关系表达式。据此建立了包含热传导模型、固化动力学模型、残余应力模型的含金属网复合膜的ZT7H/5429复合材料整个固化过程的三维有限元分析模型。使用该模型对ZT7H/5429固化过程中温度场和固化度的分布进行计算,将计算结果与实验结果进行比较,验证了该三维有限元分析模型的可靠性。在此基础上,对J-403C对ZT7H/5429复合材料平板固化变形的影响进行分析。结果表明,增加铺层厚度、调整铺层顺序能够有效降低金属网复合膜对ZT7H/5429复合材料平板固化变形的影响,实验数据与计算结果的误差不大于5%,再次证明了模型的有效性。

碳纤维叶片大梁真空灌注工艺仿真和验证

陈星宇, 王遵, 卜继玲, 陈煌

2020, 0(7): 110-113.

摘要 ( 183 )

PDF (2059KB) ( 380 )

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碳纤维叶片是风电叶片的重要发展方向之一,本文通过PAM-RTM工艺仿真软件对碳纤维叶片大梁结构进行了工艺仿真分析。测得玻璃纤维双轴布的三维渗透率,开展了5 m碳纤维大梁结构真空灌注工艺仿真研究,并进行了工艺试验验证。结果表明,注胶总时间计算值与实测值偏差+18%,树脂流动前沿计算值与实测值偏差最大为+18%,灌注大梁成型后未发现缺陷。

大型张拉膜天线罩结构计算和实验验证

徐晓晨, 戴苏亚, 顾叶青

2020, 0(7): 114-116.

摘要 ( 137 )

PDF (3378KB) ( 170 )

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对负高斯曲面张拉膜天线罩结构刚强度进行仿真计算和实验验证。首先采用小弹性模量法进行找形分析,然后参考建筑结构荷载规范施加风载荷进行几何非线性分析计算,并根据膜结构技术规程进行刚强度校核,最后进行实物样机力学实验验证。将仿真计算结果和实验结果对比发现,加载后膜面应力最大误差为8.4%,膜面变形最大误差为5.1%,均在工程允许范围内,表明仿真计算方法的合理性。

FRP布加固结构粘结界面耐久性的研究进展

王作虎, 申书洋, 杨菊, 邵明哲

2020, 0(7): 117-122.

摘要 ( 132 )

PDF (831KB) ( 293 )

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纤维增强复合材料(FRP)因其质量轻、强度高和抗疲劳性能好等优势受到土木工程师的青睐。用FRP布进行加固的加固效果依赖于FRP与加固结构界面之间的粘结性能,而对于户外混凝土结构和砌体结构,则要保证环境侵蚀下界面的长期粘结性能。国内外学者在冻融循环、干湿循环、酸碱介质等加速老化试验条件下对FRP布加固混凝土结构和FRP布加固砌体结构粘结界面的耐久性进行了大量的试验研究,提出了很多的粘结性能退化模型。本文总结了国内外关于FRP加固混凝土结构和砌体结构粘结界面耐久性的研究现状,并对今后拟开展的研究工作提出了建议。

玻璃纤维增强热固性塑料管蠕变性能研究进展

杨节标, 张立晨, 王哲

2020, 0(7): 123-128.

摘要 ( 157 )

PDF (842KB) ( 356 )

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玻璃纤维增强塑料在长期使用过程中会发生蠕变,可能导致其失效。蠕变性能研究逐渐成为玻璃纤维增强塑料设计、制造、使用过程中所关注的一项重要内容。本文简要介绍了玻璃纤维增强塑料蠕变性能的国内外研究进展,主要对玻璃纤维增强塑料中的代表性产品——玻璃纤维增强热固性塑料管的蠕变性能相关的数学模型及试验的国内外研究进展进行了概述和分析,对玻璃纤维增强热固性塑料管蠕变性能相关的国内外标准进行了总结,并对未来国内玻璃纤维增强塑料蠕变性能研究前景进行了展望。

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