复合材料科学与工程

涂建维, 付金海, 高奎, 谢华

2020, 0(8): 5-11.

摘要 ( 133 )

PDF (3838KB) ( 158 )

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通过设计5根配置螺旋箍筋和3根配置普通箍筋方形截面玻璃纤维筋(GFRP)混凝土柱(200 mm×200 mm×600 mm)的轴心受压试验,重点分析方形截面GFRP筋混凝土柱的极限承载力和延性等在不同箍筋形式下的变化规律,研究螺旋箍筋对方形截面GFRP筋混凝土柱的轴压性能的影响。试验结果表明:GFRP纵筋承载力占GFRP筋混凝土柱极限承载力的3%~7%;配置螺旋箍筋的GFRP筋混凝土柱的极限承载力比配置普通箍筋的增加了0.8%~1.6%,延性增加了13%~33%;缩小箍筋间距可以防止纵筋过早屈曲破坏,同时可提高GFRP筋混凝土柱的延性和承载力;把GFRP筋受压承载力设置为其极限抗拉强度的0.35倍,可以准确预测GFRP筋混凝土柱的极限承载力。

CFRP与铝板胶螺混合连接结构拉伸性能研究

张超禹, 郑艳萍, 熊勇坚, 王旭

2020, 0(8): 12-17.

摘要 ( 99 )

PDF (1663KB) ( 162 )

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基于三维渐进损伤理论,建立了复合材料层合板-铝板双搭接胶接连接、螺栓连接、胶螺混合连接结构拉伸强度预测模型,数值仿真结果与试验高度吻合,验证了所建模型的可行性。在此基础上,探究了搭接宽度、搭接长度、胶层厚度、接触面摩擦系数和螺栓个数等参数对胶螺混合连接结构拉伸性能的影响。结果表明:随着搭接宽度和搭接长度的增加,接头失效载荷先逐渐增加后趋于稳定,最优搭接宽度和搭接长度为30 mm和35 mm;胶层厚度对混合连接结构的拉伸失效载荷基本没有影响;胶螺混合连接结构中螺栓接头和层合板之间、螺栓与孔之间的摩擦系数越大,连接结构的拉伸失效载荷越大;在搭接区域相同的情况下,双钉混合连接结构的拉伸失效载荷比单钉的拉伸失效载荷提高了69%。

碳纤维复合材料地铁车顶板固有频率概率分析

臧晓蕾, 殷奇, 梁海啸

2020, 0(8): 18-24.

摘要 ( 119 )

PDF (2723KB) ( 134 )

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复合材料结构的材料属性或几何参数具有较高的随机离散性,影响可靠度。采用一种随机有限元方法——Modal Stability Procedure(MSP)法,选取材料属性和铺层厚度为不确定参数,对自由振动的碳纤维复合材料地铁车顶板的前四阶固有频率进行了概率分析。这种方法假设模态不变,只需一次有限元分析和一次基于Monte Carlo快速模拟的后处理,极大地降低了计算成本。本文采用这种方法,结合Sobol′灵敏度分析法,分析了不同的随机参数对三明治复合材料地铁车顶板固有频率不确定性的影响。结果表明,在相同的随机离散性水平下,结构的密度和厚度对固有频率的不确定性有着较大的影响。

基于渐进损伤数值模拟的复合材料气瓶爆破压强优化

贾子璇, 林松, 贾晓龙, 杨小平

2020, 0(8): 25-31.

摘要 ( 134 )

PDF (4718KB) ( 93 )

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本文针对金属内衬复合材料气瓶进行渐进损伤的数值模拟并根据不同铺层方案气瓶的爆破结果进行优化选择。在ABAQUS软件中建立了气瓶模型,选用Hashin失效准则和Tan退化模型提出了渐进损伤理论,通过编写USDFLD子程序实现对复合材料模型渐进损伤的预测过程,并使用NOL环验证了损伤理论的准确性;对不同铺层方式的气瓶分别进行爆破结果的预测和渐进损伤分析。NOL环拉伸破坏结果表明,模拟得到的破坏应力与实际值的误差为1.9%,证明了渐进损伤理论用于环形缠绕模型是可行的。气瓶的爆破预测结果表明,预测的压力和失效位置与真实试验结果很接近。不同铺层的气瓶的爆破结果比较表明,铺层角度和数量对气瓶爆破压力及位置有较大影响。气瓶的渐进损伤分析结果表明,复合材料气瓶的损伤是一个从基体开裂逐渐过渡到分层缺陷,最终导致纤维断裂和气瓶爆破的过程。

基于参数化建模的叶片叶根连接强度分析

蒋传鸿, 张石强, 庞晓平, 谷端

2020, 0(8): 32-37.

摘要 ( 174 )

PDF (2075KB) ( 157 )

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针对某一现有2 MW风力机叶片,分析其叶根几何形状及铺层结构,并设定叶根连接各金属件几何尺寸,通过MATLAB编程并结合ANSYS二次开发建立风力机叶片叶根连接参数化几何模型,同时自动进行材料属性设置、网格划分及接触设置。基于GL 2010标准载荷计算结果,提炼出叶根极限载荷工况,同时在最大叶根螺栓预紧力工况下,按载荷步自动对模型进行非线性求解,从而得到极限载荷下的螺栓载荷因子。通过VDI 2230对叶片叶根螺栓进行静强度校核,同时考虑钻孔区域的应力集中效应,对叶根复合材料部分的静强度进行校核分析,校核结果表明,该叶根连接设计能够满足极限载荷条件。该研究全面分析了叶根连接各部件的静态性能,并为后续叶片叶根连接的设计优化奠定了基础。

三维绞织机织物几何建模与仿真

李勇, 胡盛龙, 尚会超, 付晓莉

2020, 0(8): 38-43.

摘要 ( 100 )

PDF (2569KB) ( 229 )

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根据纱罗组织结构特点提出三维绞织机织物,为满足织物结构构建的精准性,利用织物层数、纬纱列数、经纬纱个数等参数进行表征;根据机织造工艺情况与织物结构参数,对经纱绞织规律研究提出经纱系统规律参数方程,使用Matlab构建经纱曲线获取型值点,通过三次B样条曲线控制点建立经纱系统模型,提出纬纱系统结构参数方程,完成织物几何模型;利用Solidworks构建织物仿真模型。

铺层参数对复合材料叶片的振动特性影响研究

马洪光, 杨铮鑫, 龚博, 党鹏飞

2020, 0(8): 44-48.

摘要 ( 103 )

PDF (2589KB) ( 164 )

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考虑复合材料的各向异性特征与铺层角度、厚度、顺序等因素,建立多层复合材料风扇叶片动力学模型。基于模态分析方法计算复合材料叶片自由振动的固有频率、振型,采用谐响应分析方法研究叶片的振动响应特性,利用Campbell图进行不同转速下的叶片固有特性分析。研究了复合材料大风扇叶片铺层参数对振动特性的影响,结果表明通过调整复合材料叶片的铺层厚度、角度、顺序,可以减少共振点并减小振幅,以达到减振的效果。

共固化阻尼薄膜夹芯缝合复合材料的动力学性能

杨功先, 梁森, 闫盛宇

2020, 0(8): 49-57.

摘要 ( 87 )

PDF (4175KB) ( 149 )

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为增强阻尼复合材料的层间结合性能,提出了共固化阻尼薄膜夹芯缝合复合材料结构(Cocuring Damping Film Sandwich Suture Composite Structure,简称“CDFSSCS”)。通过ANSYS软件创建该结构板的有限元分析模型,并运用修改的模态应变能法研究CDFSSCS方形板的动力学性能。用涂刷法制备CDFSSCS方形板,将制作完成的CDFSSCS方形板进行模态实验测试,验证了模拟方法的有效性。通过验证ANSYS模型获得CDFSSCS方形板的一阶模态频率和一阶损耗因子随不同参数(针距、行距、阻尼层分布)下的变化规律。结果表明,调整阻尼夹芯层的位置分布和缝线参数可以改变结构的一阶模态频率和一阶损耗因子,对共固化阻尼薄膜夹芯缝合复合材料的理论设计和工程实际应用具有指导意义。

剪跨比对腹板增强复合材料夹层梁受剪性能影响试验研究

赵旭东, 陈寻, 张富宾

2020, 0(8): 58-63.

摘要 ( 81 )

PDF (2994KB) ( 136 )

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对不同剪跨比(a/d)的纤维腹板增强复合材料夹层梁进行四点弯试验,得到其荷载-位移曲线和典型破坏模式,分析了不同剪跨比和纤维腹板厚度对其受剪机理影响规律。结果表明:剪跨比为1的试件承载力最大;随着剪跨比增加,腹板增强夹层梁极限承载力降低,延性性能降低,比强度降低;当夹层梁剪跨比小于3时,试件发生上面板压陷/芯材剪切破坏,当剪跨比大于3时,试件发生上面板受压屈服破坏;对具有相同剪跨比试件,纤维腹板能显著提高其极限承载力和延性性能,厚度越大,极限承载力提高效果越明显。

含碳纳米管上浆剂上浆改性碳纤维及其界面研究

柴进, 孔海娟, 张新异, 余木火

2020, 0(8): 64-69.

摘要 ( 104 )

PDF (5299KB) ( 223 )

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碳纤维(CF)是一种高强度、高模量的高性能纤维,被广泛应用于复合材料中,但是纤维表面的活性官能团含量低,与基体之间的界面结合性能较差。本文利用含氨基化碳纳米管(NH₂-CNTs)上浆剂对光威GQ4922/12K型碳纤维表面进行改性,改善碳纤维与环氧树脂之间的界面结合性能。通过傅里叶红外光谱、扫描电镜、X射线光电子能谱、接触角和微脱粘对改性后的纤维表面组成、表面形貌、表面自由能和界面剪切强度进行分析,发现NH₂-CNTs可成功接枝到碳纤维表面,改性后纤维表面的氧(氮)元素含量增加,与水接触角从67.1°降低到50.5°,表面自由能从32.2 mN/m增加到了41.1 mN/m;界面剪切强度在氨基化碳纳米管质量浓度为0.6%时达到最大,相比未改性纤维从62.3 MPa提高到76.8 MPa,提高了23.3%。结果表明通过在上浆剂中引入氨基化碳纳米管,可以增加碳纤维表面活性,提高碳纤维与基体树脂的界面结合性能。

冻融循环作用下嵌入式BFRP筋与混凝土粘结性能研究

金亮亮, 杨树桐

2020, 0(8): 70-75.

摘要 ( 108 )

PDF (5810KB) ( 128 )

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为探究高寒地区冻融循环作用对嵌入式FRP加固混凝土界面粘结耐久性能的影响,针对玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋嵌入式加固混凝土结构,通过采用环氧树脂胶(EP)和高韧性纤维增强水泥基复合材料(ECC)作为粘结材料的嵌入式FRP筋-从混凝土中拉拔试验,分析冻融循环作用下嵌入式FRP-混凝土相邻层之间的破坏模式和粘结退化机理,研究冻融循环次数、粘结材料、混凝土基体性能对粘结性能的影响。结果表明:不同侵蚀条件下试件破坏模式基本表现为胶基体与混凝土剪切破坏、胶基体劈裂破坏、毗邻混凝土-胶界面混凝土薄层剪切破坏、ECC基体与混凝土剪切破坏、FRP与ECC界面粘结破坏五种破坏模式,试件的极限粘结承载力随着循环次数的增加而呈不同程度的下降,50次循环内对试件粘结性能的影响较小,ECC试件相比环氧树脂胶试件,粘结承载力低,但表现出良好的延性。

热压罐始加压预浸料用高温树脂体系的制备与性能研究

张琦, 韦振海, 刘千立, 徐小魁

2020, 0(8): 76-82.

摘要 ( 101 )

PDF (6574KB) ( 155 )

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本文设计合成了一种噁唑烷酮环结构高温韧性环氧树脂(OXEP),采用化学流变剂调节和OXEP改性四官能团环氧树脂,制备符合热压罐始加压成型工艺的热熔法专用树脂体系。研究了OXEP含量对树脂体系拉伸性能、韧性和耐热性的影响,利用热压罐始加压成型工艺制备碳纤维复合材料,并与常规热压罐工艺复合材料力学性能进行对比。结果表明:化学流变剂反应120 min可达到始加压工艺要求;OXEP的加入可有效改善固化树脂的力学性能,加入OXEP改性环氧32 phr时,改性树脂的拉伸强度和冲击强度相对于未改性树脂分别提升了29%和73%,断裂韧性提高了3.3倍;改性树脂试样断裂面微观形貌较为粗糙,且有较深的沟壑,断裂耗散的能量较多,增韧效果明显;热压罐始加压热熔法复合材料力学性能优于常规热压罐工艺,复合材料0°拉伸强度和层间剪切强度提升明显,分别提高了34.5%和38.6%。

大型风力发电叶片碳/玻界面性能研究

罗莎莎, 荣光, 李小波, 袁炜

2020, 0(8): 83-88.

摘要 ( 133 )

PDF (6292KB) ( 182 )

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大型风电叶片碳纤与玻纤复合材料界面结合性能受测试方法、脱模布材质、脱模布克重的影响较大。相对于界面结合性能评价常用的层间剪切测试方法,T剥离测试方法能更好地反映出材料的界面结合性能及变化趋势。基于T剥离测试方法得到:采用尼龙脱模布的碳/玻界面结合性能优于采用聚酯脱模布的性能,采用大克重尼龙脱模布的性能相对最高。最后,通过碳/玻界面结合性能影响机理、界面失效模式、显微结构分析得到与T剥离测试结果一致的结论,为评价碳/玻界面结合性能选择合适的测试方法及脱模布类型提供依据。

表层嵌贴CFRP板条加固混凝土梁抗剪性能的研究

张智梅, 徐钰淇

2020, 0(8): 89-96.

摘要 ( 85 )

PDF (1906KB) ( 140 )

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为研究采用表层嵌贴法加固后钢筋混凝土梁的抗剪性能,推导加固梁抗剪承载力设计公式。本文基于Abaqus软件,构建表层嵌贴CFRP板条的T型梁模型,研究混凝土强度、配箍率、剪跨比、嵌贴角度、嵌贴间距对加固梁抗剪性能的影响,通过回归得到相关影响因素下的CFRP板条的有效应力表达式,建立表层嵌贴法的加固梁抗剪承载力表达式。研究表明:混凝土强度、剪跨比、板条的嵌贴间距和嵌贴角度对加固梁抗剪性能影响较大,配箍率对加固效果有一定的影响。表层嵌贴法对加固梁的挠度和极限承载力均有提高。将采用本文抗剪承载力表达式计算的结果与相关试验值对比,吻合较好。

埋地FF双层油罐结构设计与验证

黄其忠, 黄勇, 张雪梅, 彭玉刚

2020, 0(8): 97-101.

摘要 ( 115 )

PDF (5895KB) ( 154 )

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采用纤维增强塑料(FRP)制备的双层油罐具有轻质高强、耐腐蚀抗疲劳、成型方便等优点而受到用户青睐。根据埋地FF双层油罐的服役工况,设计采用缠绕工艺制备30 m³罐体,其结构由4 mm内结构层、3.5 mm中间贯通层、5 mm外结构层及13道环向增强筋构成。外压、稳定性、车载等工况的有限元分析结果表明所设计的FF双层油罐可满足服役要求,所制备产品亦顺利通过了65 t车载实验。本文的结构设计方法可推广至其他容积FF双层油罐的结构设计。

基于阻尼影响的风电叶片疲劳测试加载位置优化

朱瑞, 黄辉秀, 于永峰, 苑轶南

2020, 0(8): 102-106.

摘要 ( 162 )

PDF (1432KB) ( 149 )

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复合材料风电叶片是风力发电系统的关键部件之一,在其全尺寸疲劳测试的周期内,复合材料的结构阻尼及测试环境中气动阻力等因素形成模态阻尼,对风电叶片的动力学特性产生不确定的影响。准确获取风电叶片的振动特性,对于精确设计疲劳测试的加载位置具有重要的理论意义和现实指导作用。本文基于振动理论的传递函数原理将风电叶片的疲劳测试系统简化为单自由度的含阻尼系统的动力学模型,结合有限元仿真模型的频响分析,对风电叶片在疲劳测试中的振动特性展开研究。对三种不同的加载位置比例系数进行讨论,确定疲劳测试中单点加载位置的优化方案,并以LZ76-3.X叶型挥舞方向的疲劳测试为案例,验证有限元仿真分析的正确性和优化方案的可靠性。

超细玻纤的长度分布调控及其PTFE基复合材料力学性能

王军山, 金霞, 贾倩倩, 刘正

2020, 0(8): 107-112.

摘要 ( 139 )

PDF (7835KB) ( 94 )

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为了提高聚四氟乙烯(PTFE)基复合材料的力学性能,须在树脂基体中添加玻璃纤维作为增强材料。本文以超细玻璃纤维棉为研究对象,采用一种低速磨碎设备,通过调节设备的转速和磨碎的时间,调控棉状纤维的长度分布,采用鲍尔筛分仪表征纤维的长度分布,并与PTFE和陶瓷粉混合,制成短玻纤增强材料随机填充的PTFE基超薄复合片材。实验结果表明,以70 rpm、10 s的低速磨碎工艺条件制备的短玻纤长度分布适中,满足制备PTFE基复合材料的条件,在50目、100目、200目和400目筛网截留玻纤的质量分数分别为15.3wt%、20.8wt%、19.5wt%和14.6wt%,配置的纤维水浆料分散均匀无团聚体,制备的PTFE基复合材料的拉伸强度、拉伸模量和压缩模量分别提升至15.4 MPa、762 MPa和1232 MPa。

玄武岩纤维增强聚合物锚杆在岩土锚固中的研究进展

王海刚, 白晓宇, 张明义, 闫楠

2020, 0(8): 113-122.

摘要 ( 129 )

PDF (4672KB) ( 173 )

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玄武岩纤维增强聚合物(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)筋具有抗拉强度高、抗碱腐蚀性能强、稳定性好、绿色环保等优点,已逐渐成为非金属锚杆的最佳选择,开始在岩土锚固领域崭露头角。本文主要介绍了BFRP锚杆在试验、理论及数值计算方面的研究进展,总结了锚杆拉拔试验所需监测锚杆应力传感器的种类;归纳分析现有的FRP界面黏结滑移模型和BFRP锚杆黏结强度影响因素,并对BFRP锚杆耐久性以及在试验基础上进行的数值模拟分析等相关研究进行介绍,最后分析讨论了BFRP锚杆研究中存在的不足,并对BFRP锚杆在岩土锚固领域的未来发展提出建议。

连续纤维增强热塑性预浸料制备工艺的研究进展

许云鹏, 颜春, 刘东, 徐海兵

2020, 0(8): 123-128.

摘要 ( 181 )

PDF (1387KB) ( 437 )

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连续纤维增强热塑性复合材料综合性能优异,其应用与日俱增。作为热塑性复合材料制造用中间材料,连续纤维增强热塑性预浸料的制备和质量控制技术对于热塑性复合材料的发展来说至关重要。本文详细介绍了熔融浸渍法、溶剂浸渍法和粉末浸渍法三种工艺制备连续纤维增强热塑性预浸料的研究进展,总结了各种制备工艺的优缺点,并对高性能热塑性预浸料的发展趋势进行了展望。

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