复合材料科学与工程

龚民, 倪爱清, 王继辉, 秦志文

2020, 0(9): 5-10.

摘要 ( 124 )

PDF (2888KB) ( 228 )

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建立了风电叶片预埋螺栓套螺栓连接模型,通过有限元软件ANSYS研究预埋螺栓套连接螺栓在受拉、受压和不同大小预紧力等工况下的受力形式及其对螺栓连接性能、载荷系数和疲劳寿命的影响。结果表明:在外载为拉力的情况下,当外载荷小于临界载荷时,螺栓载荷随外载荷线性增加,螺栓系数为定值;当外载荷大于临界载荷时,螺栓载荷系数迅速增高,大大降低螺栓的使用寿命;在外载为压力的情况下,螺栓载荷系数为定值;在满足螺栓使用标准的情况下,预紧力越大,螺栓载荷系数越小,螺栓使用寿命越长。

水面光伏电站复合材料浮体结构流固耦合分析

杨晨, 方海, 韩娟, 刘伟庆

2020, 0(9): 11-16.

摘要 ( 102 )

PDF (3064KB) ( 173 )

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鉴于传统水面光伏电站用塑料浮体结构具有强度低、耐久性差、易沉没等缺陷和不足,本文提出了一种面向水面漂浮式光伏电站的复合材料浮体结构。在UPVC塑料圆管外侧缠绕成型玻璃纤维增强复合材料,设计并制造出了一种新型UPVC-FRP复合圆管浮体,对其制造安装流程进行了介绍,并进行了静载浮力分析。运用流固耦合数值分析方法,研究了复合圆管浮体结构因风、浪、流作用引起的水动力特性。结果表明,最大吃水深度为0.346 m,满足浮体对荷载组合下静载的浮力要求,且复合圆管浮体结构方阵具备抵御风、浪、流破坏作用的能力。

油气输送用玻璃纤维增强复合材料粘接柔性管内衬层厚度优化研究

李平, 颜廷俊, 李鹏, 丛日峰

2020, 0(9): 17-24.

摘要 ( 90 )

PDF (8163KB) ( 63 )

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内衬层在玻璃纤维增强复合材料粘接柔性管制造过程中起支撑作用,为保证内衬层强度,通常采用增加壁厚的办法,这不仅会增加管道制造成本,还会降低管道柔韧性。为保证有限元模拟结果的准确性,本文通过力学性能实验测得内衬层所用材料的力学性能参数。根据内衬层受力特点,研究了缠绕方式、缠绕层数和加热温度对内衬层厚度的影响。利用ABAQUS有限元分析软件计算了直径为65 mm的玻璃纤维增强复合材料粘接柔性管内衬层最小厚度,为内衬层厚度的合理选择提供理论参考。

陶瓷基复合材料火箭弹天线罩撞击玻璃纤维易碎盖的应力响应研究

王敏, 李兴德

2020, 0(9): 25-28.

摘要 ( 96 )

PDF (4310KB) ( 124 )

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本文以陶瓷基复合材料天线罩为研究对象,建立了陶瓷基复合材料天线罩和冲破式多瓣分离复合材料易碎盖的有限元模型,采用Abaqus软件进行了陶瓷基复合材料天线罩撞击冲破式多瓣分离复合材料易碎盖过程中的瞬态动力学分析,结合Fortran软件编程,得到了整个撞击过程的动态响应和失效模式,计算结果表明,天线罩撞击易碎盖后,其结构完整性良好,易碎盖从预定的应力槽破坏;进行了天线罩撞击易碎盖的试验,试验结果与有限元仿真结果的一致性良好,为类似型号的设计提供了技术支持。

CFRP加固钢筋混凝土箱形梁在不同扭剪比作用下抗扭性能的试验研究

马生强, 孙鉴峰

2020, 0(9): 29-36.

摘要 ( 79 )

PDF (3810KB) ( 86 )

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本文对碳纤维布(CFRP)加固钢筋混凝土箱形梁在不同的扭剪比作用下进行抗扭性能的试验研究。根据不同的扭剪比(即0.958、1.597和2.556)将12片钢筋混凝土箱梁分为3组,每组中3片梁采用不同的CFRP加固方式,如U形条带加固和U形条带+纵向条带加固。试验结果表明,在极限荷载作用下,所有梁其裂缝的开裂角与扭剪比成正比,但当扭剪比为0.958时接近纯剪破坏下裂缝角度的45°角。试验中出现两种破坏模式:“CBS”中U形条带和部分“CBSL”在主裂缝处剥落和“1CBSL2”中纵向条带断裂,纵向条带对于箱梁的极限扭矩的提高具有一定的作用。对于加固效果,2层U形条带+纵向条带的粘压,使得加固梁的抗扭性能有最大限度的提升,其抗扭提高量:3CBSL2为76.2%,1CBSL2为55.2%,2CBSL2为46.9%,抗扭的提高量与扭剪比成反比,但对于仅采用U形条带加固的箱梁其抗扭承载力提高量最小,U形条带对箱梁的加固效果未能有显著的增强。从总的趋势来看扭转角与扭剪比成正比,扭剪比的增大使抗扭强度的增加量降低,其扭转角峰值却在增加,而抗扭强度并没有与扭转角成一定比例的关系。

基于参数化方法的层合板单钉连接结构承载特性研究

王帅培, 倪凯强

2020, 0(9): 37-41.

摘要 ( 103 )

PDF (3624KB) ( 131 )

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基于Abaqus有限元分析平台,采用三维累积损伤理论和Yamada-Sun失效准则对层合板单钉连接结构的失效过程和承载特性进行了数值模拟,模拟结果与试验结果一致性较好。借助于Python语言和自编程序提出了一种层合板单钉连接结构三维有限元建模的参数化实现方法。该方法可以实现建模→分析→后处理的整个流程的自动化,极大降低了前期建模的时间成本。最后研究了几何参数、紧固件参数、载荷因素对层合板单钉连接结构承载特性的影响,研究结果表明:选择合适的板件长度、端距-孔径比、宽度-孔径比,增大孔的直径、孔的粗糙度和螺栓的预紧力可以有效提高层合板单钉连接结构的承载能力。

高密经编浮空器蒙皮材料的制备与力学行为研究

张成龙, 陈南梁, 耿奕, 邵慧奇

2020, 0(9): 42-47.

摘要 ( 106 )

PDF (3504KB) ( 114 )

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柔性蒙皮的国产化对于实现平流层飞艇等浮空器的工程化应用有着重要的战略意义,由于其服役环境严苛,一般采用高性能特种纤维织成平纹布作为承力层。然而,聚芳酯、PBO等特种纤维目前由国外垄断,价格较高且有对国内禁售的风险。为实现浮空器蒙皮的国产化,本文采用国产的涤纶高密双轴向经编织物与聚酯薄膜通过TPU层压复合,制备了一种新型的高性能低成本飞艇蒙皮材料,并对其拉伸、撕裂以及裂纹响应等力学性能与失效机理进行了试验探讨分析。试验结果表明:涤纶基高密双轴向经编蒙皮力学性能优异(拉伸强度>950 N/cm,撕裂强度>600 N),能够满足浮空器蒙皮力学性能要求,并且可以良好地改善蒙皮材料各向同性的问题,同时发现高密经编蒙皮材料纬向撕裂性能优于经向,并且裂纹的存在使得裂纹区发生应力集中效应,会加剧蒙皮的失效,其强力损失率主要取决于裂纹在横向方向上的投影长度。

复合材料套管加固钢柱的压弯性能

魏劭杰, 冯鹏, 杨家琦, 刘天桥

2020, 0(9): 48-60.

摘要 ( 97 )

PDF (9819KB) ( 73 )

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本文对采用复合材料拉挤型材套管、灌浆料及单向复材布加固的偏心受压钢构件的性能进行了试验研究,通过20根钢柱的压弯试验,研究了截面形状、长细比、偏心率等参数对加固效果的影响,得到了各构件极限承载力、破坏模式、荷载-位移曲线及关键位置应变的变化规律。试验结果表明:加固可使钢柱的偏心受压承载力大幅提升,最大提高了169%;同时构件的破坏模式从整体压弯屈曲转变为钢柱未加固段钢材的屈服破坏。本文还通过三维有限元分析,对加强段长度比、加强段抗弯刚度比、钢材屈服强度和强屈比、核心钢初始挠曲和核心钢长细比等6个参数进行了分析,得到了各加固参数对钢柱压弯性能的影响规律。此研究为复合材料套管加固钢柱技术应用提供了参考依据。

玻璃纤维布单边缝合装置与实验研究

田会方, 苏晓伟, 吴迎峰, 张阳

2020, 0(9): 61-67.

摘要 ( 110 )

PDF (2411KB) ( 161 )

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缝合技术因能有效改善玻璃纤维等增强体树脂基复合材料的分层破坏,提高冲击损伤容限而得到广泛应用。本文首先对比分析当前缝合技术,设计出一种新式单边缝合装置,该装置具有双线缝合增强以及可变角度缝合的特点。对双针配合进行理论分析以验证其满足缝合工作原理。其次分析并确定各机构的运动配合关系,为装置的调试和使用提供理论指导。实验部分首先研究双针夹角对缝合成功率的影响,得出角度越大成功率越高的结论,并验证该缝合技术与装置能基本满足缝合要求。其次研究其他缝合参数对缝合的影响,表明线径增大不利于缝合,针径增大有利于缝合,需要合理选择缝合参数;采用开槽支撑比泡沫支撑缝合效果好,但泡沫支撑方式的成功率可高达94.3%,仍有研究和应用价值。

基于ANSYS的PVC芯材剪切性能仿真分析与应用研究

张振聪, 黄辉秀, 陈礼贵, 刘卫生

2020, 0(9): 68-73.

摘要 ( 172 )

PDF (3272KB) ( 193 )

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根据当前复合材料用芯材的通用表面处理方式,基于ANSYS建立的芯材仿真模型,预测其面外剪切模量,使用复合材料力学的经典薄片模型理论计算结果与之校核,两者吻合良好。利用仿真模型的计算结果进一步讨论芯材表面处理的不同因素水平对芯材剪切模量的影响,结果表明选用孔径为2 mm,深槽宽度为1.2 mm,深槽留底高度为2 mm和浅槽高度为3 mm时,芯材具有较高的剪切模量,将试验结果与之对比发现,两者误差为1.74%,在可接受范围内;实现了“理论模拟,试验校核”的设计理念,高效、节时、省力。同时,将模拟结果与王耀先半经验公式对比发现,当P=2.047时,两者误差不超过0.97%,吻合度较好;可使用该经验公式预测简单形式的芯材剪切模量。

航空复合材料多层蜂窝夹芯结构的空气耦合式超声检测技术研究

张继敏, 周晖, 刘奎

2020, 0(9): 74-78.

摘要 ( 98 )

PDF (7225KB) ( 48 )

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采用基于穿透式异侧检测模式的空气耦合超声C扫描检测技术,对复合材料多层蜂窝夹芯结构进行无损检测研究。研究三层蜂窝垂直拼接固化后,蜂窝表面裸露状态下的空气耦合超声检测结果;同时研究三层蜂窝垂直拼接且粘接了表面蒙皮后的空气耦合超声检测结果,并与常规超声喷水穿透C扫描检测结果进行了对比分析。通过声束传播路径分析以及传统射线和CR检测,验证了空气耦合超声C扫描检测结果的适用性和可靠性。结果表明,在蜂窝表面裸露状态下的空气耦合超声检测无法实现全部粘接界面的脱粘检测,而在有表面蒙皮粘接的情况下,空气耦合超声检测方法相比于常规超声喷水穿透C扫描检测,可以不受蜂窝格拼接无法对齐影响,实现快速、有效地检测。

Nomex蜂窝夹层复合材料力学性能研究

贺靖, 杨晓琳, 朱秀迪, 孙超明

2020, 0(9): 79-84.

摘要 ( 143 )

PDF (3849KB) ( 162 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

为了研究蜂窝夹层复合材料的力学性能,本文使用三种牌号单向预浸布、不同面密度胶膜以及一种Nomex蜂窝芯材通过热压一体成型工艺制备蜂窝夹层复合材料。研究了蜂窝夹层板的滚筒剥离、长梁弯曲、板剪切(三点弯曲)以及嵌件剪切性能的影响因素。研究结果表明使用相同Nomex蜂窝芯材时:胶膜面密度对蜂窝夹层板的滚筒剥离性能影响显著;蜂窝夹层板的长梁弯曲性能和450 N载荷下的挠度主要受预浸布影响;预浸布和胶膜对蜂窝夹层板的板剪切性能影响较小;蜂窝夹层板的嵌件剪切性能和胶膜面密度无明显关系,受预浸布影响较大。

基于无人机的风机叶片缺陷自动检测技术

毛希玮, 徐莹莹

2020, 0(9): 85-89.

摘要 ( 117 )

PDF (7189KB) ( 210 )

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随着我国风力发电产业的迅速发展,风电机组容量不断扩展,风机叶片长度增加,叶片发生损伤的概率也随之变大,因此对风机叶片进行状态监测和缺陷识别至关重要。因为目前用于检测风机叶片的传统方法费时费力且成本高,所以本研究提出了一种基于无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)与图像处理(Image processing)技术相结合的方法,推动风机叶片检测朝着自动化、快速化、低成本的方向发展。利用实际场景下采集的风机叶片图像进行自动化缺陷检测实验,实验结果验证了算法的有效性、可靠性和准确性,能较好地满足对风机叶片缺陷的检测要求。

舰船Y型复合材料-钢板连接接头力学研究

徐鲁杰, 潘斌, 张桂明, 王继辉

2020, 0(9): 90-94.

摘要 ( 117 )

PDF (6100KB) ( 109 )

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本文针对舰船Y型复合材料-钢板连接接头做了相关研究,利用有限元方法对复合材料Y型连接接头进行计算,纤维破坏选用三维Hashin失效准则进行校核,夹芯层选用最大应力准则进行校核,并编写UMAT失效子程序进行材料破坏分析,对加筋接头和无筋接头进行计算,最后通过实验方法进行验证。结果表明:加筋能够显著提高Y型预埋钢板接头载荷,并且改变了接头的破坏形式,由接头蒙皮损伤破坏转变成预埋钢板处胶层分层破坏和PVC剪切破坏;另外,随着钢板与PVC距离的增大,接头承载能力降低,破坏也会提前发生。

复合材料成型模具气密检测技术研究

郑伟涛, 张勇兵, 张小波, 邹震宇

2020, 0(9): 95-99.

摘要 ( 102 )

PDF (1421KB) ( 237 )

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本文在热压罐内采用静态升压法进行了复合材料(简称“复材”)成型模具气密检测,针对复材成型模具气密检测结果不稳定的问题,结合基于静态升压法的复材成型模具气密检测原理,分析了影响复材成型模具漏气的关键因素,优化了复材成型模具气密检测系统,并结合复材成型模具气密检测标准,通过试验验证了优化后气密检测系统的稳定性。

一维差分法在复合材料工艺力学中的应用

张伟, 张雪梅, 马君毅

2020, 0(9): 100-105.

摘要 ( 123 )

PDF (1620KB) ( 132 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

随着人们认识的深入,有限元、边界元等数值方法在复合材料工艺力学中的应用日益受到重视,但因其分析过程烦琐而不利于工程人员的使用。根据复合材料制备工艺特点,推导了以复合材料厚度方向物理场分布变化为研究对象的一维差分算法。分析结果表明,一维差分法具有分析简便、计算迅速、精度足够等特点,直观揭示出复合材料内部温度场、固化度场、材料性能等参数的变化,能够快速评估出固化制度、厚度变化等参数对产品的影响。

风电叶片模具冷却系统研究

李瑞盈, 武健丹, 樊虎, 李义全

2020, 0(9): 106-110.

摘要 ( 138 )

PDF (1678KB) ( 140 )

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结合风电叶片制造参数以及叶片模具运行性能的要求,参考介质各方面性能对比以及考虑液压翻转设备压力选择冷却降温介质,通过热平衡原理对模具降温进行散热设计分析,研究模具各部分热量消耗,最大合理化地进行能源分布,综合考虑模具原有结构和功能,进行冷却通道设计,建立模具冷却系统的开发与制造模型,建立基于PLC控制的模具冷却循环监测调节系统,针对试验结果进行参数性能优化,形成完整的冷却系统工艺流程,并通过ANSYS模具结构强度校核,成功研发一种带有快速降温功能的风电叶片电加热复合材料模具。

自诊断复合材料研究进展

韦君, 颜春, 赵岳, 赵德刚

2020, 0(9): 111-117.

摘要 ( 189 )

PDF (1036KB) ( 218 )

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自诊断复合材料是一种可以动态监测自身结构健康状态的功能材料,已被广泛应用于航空航天、车辆工程、土木工程等领域。本文详细介绍了这类复合材料的自诊断原理,包括压阻效应自诊断、压电效应自诊断和光纤自诊断,结合国内外近几年对复合材料自诊断的研究,重点讨论了树脂基复合材料和水泥基复合材料的自诊断研究进展。最后总结了目前自诊断复合材料的不足之处,分析了其未来的应用前景。

缝合泡沫夹层复合材料力学性能研究进展

徐学宏, 郑义珠, 陈晨, 陈吉平

2020, 0(9): 118-122.

摘要 ( 135 )

PDF (1384KB) ( 135 )

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缝合泡沫夹层复合材料是一种制造成本低、抗分层能力强、结构效率高的先进轻质结构材料,备受航空、航天等工业领域的关注。介绍了泡沫夹层结构的缝合技术,综述了缝合泡沫夹层复合材料的基本力学性能及抗冲击性能研究进展,并展望了缝合泡沫夹层复合材料的应用前景。

复合材料铺放成型装备的架构及其适用范围

付忠奎, 张浩天

2020, 0(9): 123-128.

摘要 ( 116 )

PDF (6720KB) ( 305 )

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自动铺放设备以高效、快速、低废料率等特点被广泛应用于复合材料构件的自动化成型。本文首先从基本构架着手,对龙门式、卧式等现有的自动铺带机和铺丝机进行介绍,分析各种铺放设备的优缺点,并对各铺放设备可铺放工件的范围进行概述。最后从提高生产效率和降低成本两方面对自动铺放设备未来的多可能性和更高效性进行展望。

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