复合材料科学与工程

余芬, 程吉, 王轩, 周春苹, 丁常方

2021, 0(1): 5-12.

摘要 ( 107 )

PDF (6345KB) ( 98 )

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为研究脱粘对平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧压性能的影响,采用ABAQUS/Explicit有限元分析平台,结合VUMAT子程序,建立基于渐进损伤失效理论的有限元分析模型。开展无损伤和三种不同直径脱粘的平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧压性能试验,并将结果与有限元分析结果进行对照。研究表明:试验与有限元仿真得到的失效载荷和破坏模式吻合很好,验证了所建立有限元模型的正确性;无损伤和含不同直径脱粘的平纹编织面板蜂窝夹芯结构在侧压作用下的破坏模式均为面板屈曲、压缩断裂以及蜂窝芯子的压缩破坏;脱粘对平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧压承载能力的影响较小,面板是侧向压缩的主要受力部分;随着脱粘直径增大,载荷位移曲线波动更剧烈且波动频次更高;胶层损伤主要发生在临近脱粘的较小区域,对结构整体性能影响很小;面板的损伤从自由边沿垂直于承载力的方向扩展,直至断裂。

基于分区域优化模型的复合材料纺锤杆结构优化设计

马森, 赵启林, 柯敏勇, 施丽铭, 穆思奇

2021, 0(1): 13-18.

摘要 ( 86 )

PDF (3417KB) ( 96 )

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本文对航天结构上使用的复合材料纺锤杆优化设计问题进行了研究。在结构层面,复合材料纺锤杆的截面沿轴向是变化的,在材料层面,杆件由各向异性的复合材料制作而成,因此,复合材料纺锤杆的优化设计相比传统材料杆存在更多的特点和难点。针对复合材料纺锤杆优化设计问题的特点和难点,提出了针对性的分区域优化模型,拓宽了优化设计的空间;建立了基于MATLAB和Ansys的优化设计方法,实现了复合材料纺锤杆的智能优化设计。优化结果表明,基于本文提出的优化设计模型和方法,纺锤杆较初始设计减重39.0%,较以往模型减重15.9%,证明了优化设计模型的优越性和优化设计方法的可行性。

不同纱线张力下的三维正交织物微观几何结构建模

刘岳岩, 马莹, 禄盛, 邓聪颖, 陈翔, 赵洋

2021, 0(1): 19-27.

摘要 ( 92 )

PDF (6636KB) ( 157 )

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从织物组织入手,建立纱线截面形状为圆形的三维正交织物拓扑结构。在此基础上,采用数字单元法理论在纱线首尾两端施加周期性边界和恒定张力,并通过纱线纤维化离散方法,将纱线分为既定数量的数字纤维,进而改变其截面形状和空间构型,实现织物织造成型过程的动态仿真。研究结果表明,施加较大的经纬纱张力及较小的接结纱张力,所得数值模型的经纱与纬纱厚度均匀且能保持伸直状态,接结纱截面变化情况与真实正交织物相符。当经纬纱线张力为0.2 N、接结纱张力为0.01 N时,织物数值模型厚度与实验值仅差9.55%,其微观几何结构与织物样本显微图像吻合度较高,验证了数字单元法理论在织物亚纱线尺度建模的有效性。

复合材料机身壁板连接分析及轻量化设计

邵家儒, 张月月, 曾宪君, 刘牛

2021, 0(1): 28-34.

摘要 ( 94 )

PDF (4088KB) ( 106 )

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对复合材料机身壁板的单钉连接、多钉连接和胶接三种形式进行结构损伤分析,基于Hashin准则对基体和纤维的起始损伤进行判定,分析了纵向拉伸载荷下的失效模式。采用Optistruct对机身壁板进行了轻量化设计,在满足力学性能和制造工艺的要求下,对复合材料进行非均匀铺层优化,通过自由尺寸优化确定铺层数量,尺寸优化确定铺层厚度,优化铺层顺序获取最优材料性能,实现减轻结构重量的目标。通过优化设计,机身结构在满足强度、刚度和制造工艺要求的前提下重量得到大幅降低。

复合材料发动机的相控阵超声粘接质量检测技术

陈沛锦, 陈友兴, 李鹏, 赵霞, 王召巴, 金永

2021, 0(1): 35-39.

摘要 ( 68 )

PDF (2641KB) ( 88 )

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碳纤维复合材料具有高比强度和比模量,能满足航空航天系统对减轻结构质量的特殊要求,现已应用于航天运载和导弹武器领域。纤维缠绕的固体火箭发动机壳体由于粘接连接区域受力复杂,粘接结构不可靠时可能造成严重影响。本文采用相控阵超声检测技术进行脱粘检测研究,制作不同大小的脱粘缺陷进行检测实验,由于固体火箭发动机壳体与绝热层均为复合材料,材料内部的各向异性造成信号衰减较大,可利用变分模态分解方法对干扰信号进行降噪处理,并通过对回波信号进行延迟叠加得到脱粘缺陷信号,检测脱粘缺陷精度达到1 mm,检测结果表明相控阵超声对碳纤维复合材料发动机壳体脱粘检测具有可行性及准确性。

压痕SMA丝复合材料界面本构与性能分析

朱同舟, 袁国青

2021, 0(1): 40-46.

摘要 ( 76 )

PDF (2215KB) ( 68 )

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基于混杂形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称“SMA”)驱动器的自适应可变形复合材料结构正常服役的前提是界面性能良好。研究表明在光圆SMA丝上引入细压痕可显著提升界面性能。进一步研究压痕SMA丝复合材料的本构是开展混杂压痕SMA丝复合材料结构设计、应用的基础。本文通过圆柱拉拔试验,基于搭建的粘结-滑移测试系统,采集到了载荷-滑移数据,结合理论分析,建立了界面的粘结-滑移本构模型,并通过分析得出了基于区域平均准则思想的界面临界失效剪应力强度值。

风电叶片叶根瓦模具的复合材料固化变形研究

黄尚洪, 陈忠丽, 刘平忠, 张雷达

2021, 0(1): 47-51.

摘要 ( 126 )

PDF (2493KB) ( 110 )

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建立了风电叶片叶根瓦模具的复合材料热传导-化学模型和粘弹性本构模型,对其固化变形进行了有限元模拟,并通过光纤光栅传感器的监测结果验证了模拟结果的可靠性。结果表明延长高温下的恒温时间可以有效提高树脂的固化反应程度,而改变升温速率和低温下的保温时间对固化度的提高效果不明显;叶根瓦模具的复合材料最大变形位于法兰边缘,导致法兰平整度差,因而减小法兰的变形是控制叶根瓦模具制造精度的关键,建议设计刚性约束来减小变形。

GNP/CNT/EP复合薄膜的电磁屏蔽性能研究

邢一龙, 赵欣, 李梦

2021, 0(1): 52-57.

摘要 ( 117 )

PDF (6442KB) ( 90 )

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通过物理混合的方法制备了石墨烯(Graphene Nanoplatelets,简称“GNP”)与碳纳米管(Carbon Nanotubes,简称“CNT”)质量比为2∶1、1∶1、1∶2的石墨烯/碳纳米管(GNP/CNT)复合结构体,并通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)对其形貌进行了表征,结果表明:质量比为1∶1的复合结构体中CNT分布较均匀。通过Raman光谱、电阻率测试、沉降试验对其结构、导电性、分散性进行了表征,结果表明在GNP和CNT质量比为1∶1条件下制备的GNP/CNT复合结构体具有较小的缺陷密度、较小的电阻率和较好的分散性。通过环氧树脂(EP)真空浸渍的方法制备了GNP/CNT/EP复合薄膜,并利用矢量网络分析仪对其在2 GHz~18 GHz频率范围内进行了测试,研究了薄膜厚度、GNP和CNT质量比对屏蔽性能的影响,结果表明:GNP和CNT质量比为1∶1条件下制备的复合薄膜在带宽10 GHz频段内具有15 dB~20 dB的屏蔽效能,且电磁屏蔽效能主要为吸收损耗,可实现电磁波的绿色防护;在较宽频段内增加厚度可提升屏蔽效能。

金属网对玻璃纤维增强复合材料低速冲击损伤特性的影响

胡静, 蔡雄峰, 胡昂, 邓云飞

2021, 0(1): 58-64.

摘要 ( 99 )

PDF (7741KB) ( 80 )

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为研究304不锈钢网对玻璃纤维编织复合材料低速冲击损伤特性的影响,利用落锤试验机分别对2 mm厚的不含、含一层和含三层304不锈钢网的玻璃纤维编织复合材料板进行5 J、20 J、40 J和60 J能量下的冲击实验,从层合板载荷峰值、最大凹陷位移、能量吸收和损伤机理等方面,分析不锈钢网对层合板抗冲击性能的影响规律。研究结果表明,当冲击能量未达到层合板击穿能量阈值前,载荷峰值和最大凹陷位移随着冲击能量的增大而增大。三层不锈钢网的加入使得层合板在较小凹陷位移时就能达到最大载荷,具有良好的抗冲击性能。层合板损伤形状呈十字形,损伤程度沿着厚度方向逐渐加深,背面中心点处损伤最为严重。当冲击能量超过层合板能量阈值时,中心区域损伤呈花瓣开裂状,主要损伤模式为纤维拉伸断裂和基体破碎、金属丝拉伸断裂。

碳纤维表面处理对碳纤维/聚丙烯复合材料界面结合性能的影响

徐胜, 黄雪飞, 杨斌

2021, 0(1): 65-71.

摘要 ( 113 )

PDF (6290KB) ( 101 )

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研究了电化学氧化、环氧上浆处理对碳纤维/聚丙烯(CF/PP)复合材料界面结合性能的影响,首先通过AFM、XPS等测试不同碳纤维的表面形貌和化学性质,然后借助微球脱粘实验考察对比不同CF/PP的界面剪切强度(IFSS)。结果显示高温碳化后的碳纤维表面呈惰性,复合材料IFSS仅有3.76 MPa;经过电化学氧化处理,表面粗糙度增大,羟基和羧基基团增多,IFSS增加到4.85 MPa;上浆处理后,表面引入活性的环氧基团,IFSS进一步增加到5.51 MPa,同时界面均匀性也有所改善。根据结果分析,碳纤维表面性质改变引起的界面区域机械锁合、范德华力以及分子链缠结作用增加是界面性能提升的主要原因。但与相容剂相比,传统碳纤维表面处理对CF/PP界面改善效果相对较弱,开发更加有效的改性方法十分必要。

基于内聚力模型的斜接修补复合材料强度分析

杜晓伟

2021, 0(1): 72-77.

摘要 ( 105 )

PDF (5388KB) ( 62 )

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在战争环境下,机身复合材料损坏会降低战机战斗力,如何通过修补恢复战机的作战能力是一个急需解决的问题。为探究修补复合材料的强度恢复规律,本文基于内聚力模型和有限单元法,建立斜接修补复合材料强度预测模型,并对缺陷尺寸、修复斜度等因素对强度的影响进行分析。结果表明:在0°与90°铺层的交点处出现应力集中现象,可达平均应力的6.3倍之多,该应力集中效应可能是斜接修复复合材料损伤的始发诱因。随着缺陷尺寸的增加,修复强度呈降低趋势。修补复合材料初期损伤主要萌生于胶层内部,当损伤尺寸大于3 mm后,损伤路径沿着界面发展。随着修补斜度的增加,强度呈增加趋势。从修补效率来看,斜度大于1∶15即满足修补要求。研究成果可为提升飞机复合材料修复工艺及修复效率评估提供理论依据。

DP590高强钢/碳纤维复合层板制备及拉伸性能研究

胡海朝, 徐士新, 武晋, 邓素怀, 王占辉, 毕彦

2021, 0(1): 78-84.

摘要 ( 96 )

PDF (7689KB) ( 56 )

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采用模压成型工艺,以DP590钢板与碳纤维预浸料成功制备高强钢/碳纤维层板,针对其微观结构和拉伸性能进行了测试,研究了钢板表面粗糙度对层板拉伸强度的影响,并结合DP590高强钢拉伸性能特点与MVF理论提出了层合板拉伸强度预测公式。研究结果表明:所制备的层合板0°碳纤维层、90°碳纤维层、树脂基体、金属基体结合致密。金属基体与碳纤维层之间由树脂填充,起到了良好的粘结作用,微观结构基本无成型不良缺陷,所制备层合板的密度相比DP590高强钢降低达24%,具备明显的减重效果。说明模压成型工艺适用于高强钢/碳纤维复合层板的制备,该类材料具备较大的轻量化潜力。采用喷丸处理提高钢板表面粗糙度可以一定程度提升层合板强度,最大增幅达68 MPa,但钢板粗糙度与层合板平均拉伸强度呈明显的非线性关系。以MVF理论为基础,分别以高强钢抗拉强度、屈服强度、复合层板断裂时高强钢应力值对复合层板强度进行预测,结果发现最高预测误差分别为38.5%、12.8%、8.1%,说明采用塑性较高的金属制备金属/纤维复合层板类结构时,应用MVF理论进行预测应充分考虑金属塑性较高对预测误差的影响。采用复合层板断裂时对应的高强钢应力值代入MVF理论公式可获得更好的拉伸强度预测精度。

基于松香酸酐的生物质树脂基体湿热性能研究

黎迪晖, 仝建峰, 张旭锋, 益小苏

2021, 0(1): 85-91.

摘要 ( 98 )

PDF (3850KB) ( 61 )

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研究了室温和70 ℃条件下松香酸酐生物质树脂基体(AGMP3600)在蒸馏水和海水中的吸水性能,通过经典Fick模型模拟了树脂基体的水吸收过程,并与双氰胺固化环氧树脂基体(AP2300)的吸水性能进行了对比,对吸水前后试样的动态力学性能及微观形貌进行了分析。结果表明AGMP3600具有较好的耐水性能,在70 ℃海水环境中的准平衡吸水率为2.01%,扩散系数为1.77×10^-6 mm²/s,AP2300准平衡吸水率为6.60%,扩散系数为0.46×10^-6 mm²/s。AGMP3600浇注体储能模量随浸泡时间增加先下降后上升,力学损耗对应的峰值温度(T_g)随浸泡时间增加略有降低;AP2300浇注体随树脂浸泡时间增加,储能模量和玻璃化转变温度T_g都有所下降。由显微金相照片可看出水吸收对AGMP3600树脂微孔破坏程度小,而AP2300树脂由于水吸收率高,微孔孔隙增大、增多。

纤维织物增强磷酸盐透波复合材料研究

焦春荣, 刘晓丽

2021, 0(1): 92-96.

摘要 ( 146 )

PDF (2087KB) ( 88 )

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研究了石英纤维织物和氧化铝纤维织物增强磷酸盐复合材料的成型工艺、介电性能及力学性能,并分析了影响力学性能高温稳定性的主要原因,获得了可分别在300 ℃、700 ℃下长期稳定使用的石英、氧化铝纤维织物增强磷酸盐透波复合材料,在8 GHz~18 GHz范围内,介电损耗均小于0.015,具有宽频低介电损耗的特点,是一类性能优异的耐高温透波复合材料。

流场稳定性及烧蚀时间对玻璃钢材料烧蚀性能的影响研究

张蕾, 江柏红, 吴宪, 彭广瑞, 原涛

2021, 0(1): 97-101.

摘要 ( 64 )

PDF (4833KB) ( 51 )

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本文以模压玻璃钢材料为研究对象,模拟材料高温烧蚀环境,以氧-丙烷焰流为热源,拟定测试方案,对材料进行烧蚀试验。探究在不同的热流密度值下,烧蚀距离对流场稳定性的影响,发现当热流密度值≥1.0 MW/m²时,烧蚀距离改变,热流密度值波动较小,流场稳定性较好。探究烧蚀时间对玻璃钢材料烧蚀性能的影响,分析材料表面形貌变化的原因,发现随着烧蚀时间延长,质量烧蚀率明显下降,材料的线烧蚀率和质量烧蚀率一致性较差,这是因为在较短的烧蚀时间内,模压玻璃钢材料分层膨胀导致线烧蚀率较小,但薄弱的炭层结构会导致材料质量下降明显,质量烧蚀率较大。随着烧蚀时间从60 s升至120 s,材料分层积聚导致材料强度相对增大,抗冲刷能力增强,质量烧蚀率下降。并且在材料可承受的范围内,较长的烧蚀时间才能相对准确地反映材料的线烧蚀率。

风电叶片预埋型叶根连接螺栓抗疲劳优化设计研究

言婷, 周海波, 邓航

2021, 0(1): 102-106.

摘要 ( 107 )

PDF (2125KB) ( 131 )

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疲劳断裂是风电叶片叶根连接螺栓的主要失效形式。本文在《典型参数对风电叶片预埋型叶根连接螺栓承载性能的影响》分析数据的基础上,增加分析了变桨轴承高度、螺栓套外径对连接螺栓疲劳性能的影响;采用典型的疲劳载荷,综合分析对比了螺栓预紧力、法兰厚度、螺栓套初始螺纹深度、螺栓光杆直径、变桨轴承高度以及螺栓套外径等参数对叶根连接螺栓疲劳性能的影响。分析结果表明:增加变桨轴承高度、增大螺栓套外径是提高连接螺栓疲劳寿命的最有效方法;从减重降本角度考虑,提高连接螺栓的疲劳寿命,应优先考虑减小光杆直径,同时增大螺栓预紧力,如螺栓疲劳寿命仍无法满足设计要求,应依次考虑增大螺栓套外径,增加法兰厚度,增加变桨轴承高度。

气密载荷下高铁司机室结构强度分析及优化

林鹏, 姚刚, 罗剑岚, 王明, 蔡计杰, 惠述俭, 俞伊姗

2021, 0(1): 107-111.

摘要 ( 71 )

PDF (3774KB) ( 40 )

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为了探究气密载荷对高铁司机室结构强度的影响,以某高铁产品为研究对象,利用Hypermesh软件建立司机室有限元模型,对其在气密载荷作用下的结构强度进行评估。根据强度评估结果,利用OptiStruct对侧墙复合材料铺层方案进行优化。研究结果表明:气密载荷作用会对司机室大开口附近的结构造成较大的位移;通过对复合材料铺层的优化,不仅可以改善结构位移,还能达到结构轻量化效果,优化后的结构位移减少了14.2%,质量下降了6.95%。

预固化温度对风电叶片复合材料性能的影响

翟保利, 杨青海, 周百能, 王萍

2021, 0(1): 112-115.

摘要 ( 109 )

PDF (5610KB) ( 101 )

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设计了四种预固化制度对风电叶片用树脂静力性能和单向织物的复合材料疲劳性能进行了研究,研究结果表明预固化温度对环氧树脂基体和复合材料的静力学性能影响不显著,但对复合材料的疲劳性能具有较大的影响,通过实验测试验证了预固化温度对疲劳性能m值的影响趋势,结合叶片制造不同预固化温度对复合材料叶片制造出现的泛白现象进行了分析,明确了玻纤增强树脂基复合材料的制造固化过程的温度边界。

城轨车辆复合材料板件及组合结构隔声量分析研究

刘晓波, 王先锋, 李登科

2021, 0(1): 116-120.

摘要 ( 75 )

PDF (1408KB) ( 69 )

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纤维增强复合材料、高分子复合材料、三明治板等基础板件及其组合结构在城轨车辆中已经被广泛应用。由于其特有的性能和功能以及组合方案的多样性,在使用过程中往往很难判断和取舍。基于试验测试数据,重点分析了目前几种典型的单层复合材料板,玻璃纤维与碳纤维复合材料板,铝蜂窝、泡沫夹芯等三明治板及多种材料组合结构的隔声量,同时综合考虑了轻量化要求,提出了城轨车辆复合材料选择的基本建议,可为城轨车辆复合材料的选择提供参考。

BFRP-FRCM复合层研究进展

王秋婉, 廖维张, 王俊杰

2021, 0(1): 121-128.

摘要 ( 88 )

PDF (7076KB) ( 50 )

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玄武岩纤维网格-纤维增强水泥基基质复合层(BFRP-FRCM)作为一种新型加固材料,既能充分利用玄武岩纤维轻质高强和易于施工的特点,又能避免使用粘结剂在潮湿、高温、火灾等环境因素下导致的加固效果下降,是一种具有良好加固性能的材料,在混凝土结构和砖砌体结构加固方面得到了广泛应用。本文通过总结国内外对该复合层的材料性能、力学性能及耐久性的研究现状,分析将其应用于加固工程的利弊,为该项加固技术的优化与发展提供一定的参考。

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