复合材料科学与工程

程杰, 齐玉军

2021, 0(2): 5-10.

摘要 ( 141 )

PDF (4512KB) ( 126 )

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纤维增强聚氨酯泡沫(Fiber-reinforced Foamed Urethane,简称“FFU”)短柱由硬质聚氨酯树脂发泡体经玻璃纤维纱束补强,以拉挤成型法制造而成。为研究不同密度的FFU短柱轴压力学性能,对三组不同密度的FFU短柱进行静力轴压试验,并与普通混凝土柱和钢柱进行对比分析。试验结果表明:高、低密度FFU短柱具有不同的轴压破坏模式;密度的增加能有效提高极限承载力、初始刚度和抵抗变形能力,但试件延性有所下降;FFU柱具有轻质高强的特点,承受相同承载力时,FFU短柱质量仅为钢筋混凝土柱的1/7及工字形截面钢柱的1/3。

基于断裂理论的竹纤维复合材料拉伸强度的尺寸效应研究

哈维尔, 刘问, 孟鑫淼, 张涵政, 李康宁

2021, 0(2): 11-18.

摘要 ( 146 )

PDF (6249KB) ( 131 )

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以重组竹为代表的竹纤维复合材料是具准脆性断裂特征的生物基纤维复合材料,强度值存在尺寸效应问题,影响其构件的设计理论。为研究重组竹的强度尤其是纵向拉伸强度的尺寸效应现象,进行了三点弯曲试验与直接拉伸试验测试材料的尺寸效应行为,并应用基于断裂理论的拉伸强度模型分析材料缺陷尺寸及尺寸效应的计算方法。试验结果表明,重组竹的拉伸强度存在明显的尺寸效应现象,而基于断裂理论的拉伸强度模型可计算不受尺寸效应限制的理论塑性拉伸强度,且该塑性拉伸强度考虑了材料表面的缺陷影响。因此,尺寸效应对重组竹纵向拉伸强度的影响可采用理论塑性拉伸强度与表面缺陷尺寸确定。

基于模态频率的风力机叶片覆冰检测方法

李飞宇, 崔红梅, 苏宏杰, 王念富, 马志鹏

2021, 0(2): 19-23.

摘要 ( 103 )

PDF (1359KB) ( 122 )

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目前,风力机叶片覆冰后通常使用加热系统除冰,其消耗的能源是发电机组1%~4%的年发电量。本文通过试验模态调校叶片有限元模型,用有限元模型的仿真模态得出不同位置的覆冰厚度和固有频率对应关系方程,用这些方程生成随机样本训练BP神经网络模型,建立以固有频率为输入,以覆冰厚度为输出的非线性关系,以实现覆冰状态的检测。研究表明,通过叶片的力锤激励模态试验结果,调整叶片模型参数,优化后的叶片覆冰中空实体三维模型前三阶固有频率与试验值误差在2%以内。通过BP神经网络建模和训练,模型检测覆冰厚度的结果与实际值相对误差率平均值为8.83%,叶尖处误差最小,叶根处误差最大,相对误差率随着冰层厚度的增加而降低。训练好的BP神经网络模型可以基本实现覆冰的位置和厚度信息检测,为加热系统精确加热位置和加热时间、降低能源消耗提供理论依据。

连续碳纤维增强聚苯硫醚预浸料层间滑移行为研究

李林秀, 岳广全, 杨洋, 李哲夫, 潘利剑, 刘卫平, 刘富

2021, 0(2): 24-31.

摘要 ( 140 )

PDF (3257KB) ( 114 )

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层间滑移是热塑性复合材料零件热变形工艺的重要成型机制,对预浸料层间滑移行为的研究是热变形成型复合材料零件的褶皱缺陷预测和控制的基础。本文研究了连续碳纤维/聚苯硫醚预浸料热变形成型中的滑移行为,采用自行设计制作的测试系统,对缎纹织物预浸料、单向预浸料的滑移行为进行了表征,并考虑了温度、法向压力、速度对滑移行为的影响。结果表明提高试验温度、降低拉动速度和法向压力,都有利于纤维的运动,促进预浸料的层间滑移变形。采用Stribeck模型对连续碳纤维/聚苯硫醚预浸料的层间摩擦系数进行预测并与实验结果进行对比,结果表明赫西数与摩擦系数之间存在线性关系。

X850复合材料热压罐成型固化行为研究

汪敏, 栾英伟, 徐鹏, 高龙飞, 王世杰, 李振友

2021, 0(2): 32-37.

摘要 ( 93 )

PDF (7462KB) ( 250 )

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采用恒温DSC试验手段,分别研究了X850体系材料树脂在100 ℃、110 ℃、120 ℃以及130 ℃下的固化放热效应,基于自催化反应模型对树脂固化行为进行非线性拟合得到了树脂固化动力学方程为dα/dt=7.76×10⁸exp(-10352.8/T)α^0.5928(1-α)^1.4628。借助二次开发技术,将所得到的固化动力学方程嵌入Fluent软件中,模拟了X850预浸料层合板的固化过程,试验与模拟对比结果表明:所建立的固化动力学模型能够准确反映热压罐固化过程中树脂的放热效应,树脂固化放热是造成实际生产过程中出现“温度过冲”现象的主要原因,而且随着层合板铺层厚度的增加,树脂的放热效应加剧,内部产生的热量难以有效地往外传递,在零件实际制备时需要做好散热处理。

外载荷作用下夹层梁的理论弯曲计算分析

吴晓, 刘奇元

2021, 0(2): 38-42.

摘要 ( 90 )

PDF (1014KB) ( 95 )

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利用弹性体的剪应变与位移的几何方程,推导出了夹层梁的弯曲微分方程,研究了夹层梁的弯曲挠度计算问题。采用该弯曲微分方程可以方便计算出外载荷作用下夹层梁的弯曲挠度,而弹性理论对外载荷作用下夹层梁的弯曲计算仅能给出一题一解,本文方法则克服了弹性理论的缺陷。有关试验结果验证了该方法的计算精度较高。

碳/玻璃纤维混编复合材料压簧制作方法及实验研究

刘宇宸, 花军, 宁礼佳

2021, 0(2): 43-48.

摘要 ( 99 )

PDF (3131KB) ( 75 )

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碳/玻璃纤维混编复合材料(C/GFRP)压簧相比碳纤维复合材料(CFRP)压簧具有纤维材料利用率高、成本低的特点。针对拥有PU内芯的C/GFRP压簧,根据其静刚度与最大工作载荷的理论分析,计算给定静刚度与最大工作载荷下的压簧结构参数;提出一种C/GFRP压簧的制作方法,制作压簧试件;对试件进行准静态力学性能实验,得出试件的静刚度与最大工作载荷。实验表明,试件静刚度、最大工作载荷与理论值结果误差分别为6.92%、4.43%,验证此种制作方法可以应用于工程实际C/GFRP压簧的定制化生产,C/GFRP压簧可以成为CFRP压簧的低成本替代品。

考虑就位效应的复合材料强度分析模型及试验

叶梯, 岳源, 马铭泽

2021, 0(2): 49-53.

摘要 ( 101 )

PDF (2831KB) ( 133 )

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针对复合材料破坏强度预测问题,建立了数值分析模型。模型以三维PUCK准则为失效判据,采用基于连续介质损伤力学(CDM)的退化准则,并考虑了就位效应的影响。分析模型通过将自编材料子程序(UMAT)嵌入ABAQUS实现。进行了碳纤维复合材料开孔拉伸试验以验证模型的准确性,试验结果与分析结果对比表明:模型能较好地预测试验件的破坏强度,并能推演整个损伤发展过程;复合材料强度分析中应适当考虑就位效应。

湿热环境对含板芯脱胶复合材料蜂窝板固有频率的影响

王玉鑫, 郝彤星, 宋昊, 卢翔

2021, 0(2): 54-64.

摘要 ( 134 )

PDF (6264KB) ( 110 )

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对于由复合材料层合板和Nomex芯层构成的含板芯脱胶蜂窝板,进行了不同温湿度下固有频率的数值分析,以探究板芯脱胶对复合材料蜂窝板在湿热环境下固有频率的影响。基于分段剪切变形理论,利用湿热膨胀的等效性,考虑变形后上面板与芯层在脱胶区域处的位移差值,对蜂窝板的运动控制方程进行求解。建立了四端固支的含板芯脱胶复合材料蜂窝板有限元模型。分别讨论了温度、湿度、温湿度联合作用对不同板芯脱胶面积蜂窝板固有频率的影响。算例结果表明:吸湿量在0.5%~0.75%之间时,25%脱胶面积的蜂窝板首先出现了屈曲效应;湿热条件不变时,随着脱胶面积的扩大,复合材料蜂窝板的前三阶固有频率逐渐降低,且对第一阶固有频率的影响最大;当湿热应力达到一定程度时,脱胶面积的增加,会使蜂窝板结构更早地进入湿热屈曲状态,且屈曲效应的影响是从低阶频率逐步扩展到高阶频率;湿、热联合作用下,18%脱胶面积蜂窝板的固有频率受环境的影响最严重。

端部诱导孔对Al-CFRP混合薄壁管轴向压缩性能的影响

王凯, 马其华, 查一斌

2021, 0(2): 65-71.

摘要 ( 101 )

PDF (9546KB) ( 44 )

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为了研究不同开孔形式对Al-CFRP管轴向压缩性能的影响,本文基于初始峰值、吸能总量和压溃效率,针对不同端部开孔形式的铝-碳纤维复合材料混合管(Al-CFRP管)进行了准静态轴向压缩试验,同时也进行了纯铝管(Al管)和纯碳纤维增强树脂基复合材料管(CFRP管)的对照试验,并采用结合压溃效率及吸能总量的加权组合形式的评价指标W对薄壁管轴向压缩性能进行综合评价。结果表明:Al-CFRP管具有更稳定的失效变形模式;相比未提升轴向压缩性能的端部开孔纯Al管和纯CFRP管,端部开孔Al-CFRP管的压溃效率均有提升,其吸能总量随着开孔数的增加先降低再升高,其中开4个孔对Al-CFRP管的轴压性能提升作用最为明显,对比未开孔Al-CFRP管,其吸能总量和压溃效率分别提升了4.2%和28.3%,同时其加权评价指标W_AC4为1.16,也明显高于基准值。

芳纶/阻燃环氧树脂复合材料的性能研究

刘吉凯, 潘利剑

2021, 0(2): 72-76.

摘要 ( 135 )

PDF (4141KB) ( 151 )

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以对位芳纶增强无卤阻燃环氧树脂预浸料为原料,采用模压成型工艺制备了芳纶/环氧复合材料层合板。对不同成型压力条件下复合材料层合板的厚度、纤维体积含量以及力学性能进行了测试,用金相显微镜对不同成型压力条件下试样横截面的微观形貌进行表征,并对层合板的阻燃性能进行了测试。结果表明,在固化温度(160 ℃)和固化时间(90 min)恒定的情况下,当固化压力为0.8 MPa时,层合板厚度和纤维体积含量基本不再发生变化,层间结合紧密,综合力学性能最优,成型质量最好。层合板的极限氧指数为44.57%,垂直燃烧等级可达V-0级,耐热性能、阻燃性能优异。

温度和圆孔缺陷对层合板线性屈曲特性的影响分析

苏君, 孔琳, 夏志平

2021, 0(2): 77-83.

摘要 ( 86 )

PDF (2678KB) ( 68 )

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随着应用环境趋于复杂,层合板经常会处于不同的温度环境以及经常需要开圆孔进行机械连接,且厚度方向尺寸较小,受压缩时容易发生屈曲现象,因此,研究不同温度和圆孔缺陷对层合板屈曲特性的影响具有重要的意义。首先对欧拉梁理论进行简单回顾,推导出梁在两端铰接受压状态时的平衡载荷和挠曲线的解析解。进一步用有限元方法对各向同性板屈曲问题进行研究,将屈曲载荷和屈曲模态与基于欧拉梁理论的解析解进行对照,确定合适的网格密度,验证模型的正确性。然后对含不同圆孔尺寸的准各向同性层合板在不同温度下进行屈曲特性分析,分别得到前五阶的屈曲载荷和屈曲模态。最后研究了不同圆孔尺寸下,圆孔深度对层合板屈曲特性的影响。结果表明:随着温度的升高,含相同圆孔尺寸的层合板的屈曲载荷线性下降;同一温度下,随着圆孔尺寸的增大,屈曲载荷下降越来越快;同一圆孔尺寸下,随着圆孔深度的增加,屈曲载荷下降速度先减小后增大,呈现出对称性。

基于桥联模型参数反演的复合材料力学性能预测

杨万庆, 王艳超, 李能文, 徐希宇, 叶国锐

2021, 0(2): 84-88.

摘要 ( 191 )

PDF (1794KB) ( 160 )

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复合材料的性能参数是结构设计计算的关键。在实际工程中厂商提供的数据资料往往不全,直接影响结构分析设计的精度。因此,本文基于桥联模型提出了在有部分单向复合材料和纤维或基体数据的前提下,反演计算其余关键参数的方法。并进一步将该方法应用于T700/Epoxy单向复合材料偏轴拉伸强度的预测中,与实验结果进行了对比分析。研究表明所研究的方法可以利用有限信息反演计算出结构计算所需要的材料性能数据,在T700/Epoxy单向板的预测中,10°、15°、60°、75°、90°理论与实验误差在10%以内,预测精度较高。本文提出的方法有助于提高复合材料结构的设计效率,减少实验成本。

单向碳/碳复合材料高温拉伸行为失效机理研究

陈波, 翁少东, 温卫东, 杨兴林

2021, 0(2): 89-94.

摘要 ( 121 )

PDF (11481KB) ( 46 )

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碳/碳复合材料是一种耐高温、耐摩擦的新型复合材料。为了研究碳/碳复合材料在高温环境拉伸载荷作用下的损伤和失效机理,针对有、无抗氧化涂层(以下简称“涂层”)[0]₁₆单向板碳/碳复合材料,开展了700 ℃下轴向拉伸测试,并对相应试验件的断口进行了SEM显微观测分析。拉伸试验结果表明:有涂层单向碳/碳复合材料在700 ℃下的应力-应变曲线呈线性,相比于室温,700 ℃下有涂层单向碳/碳复合材料的拉伸强度和弹性模量均得到了强化;无涂层单向碳/碳复合材料在700 ℃下的应力-应变曲线呈高度非线性,相应的力学性能下降明显。显微观测结果表明:试验700 ℃下有涂层单向碳/碳复合材料纤维束损伤形式为纤维束内纤维拉伸破坏、基体开裂和纤维拔出破坏;无涂层单向碳/碳复合材料纤维束断口变细且呈散状分布。

高速磁悬浮列车用碳纤维复合材料裙板的设计与分析

仇亚萍, 沈真, 陈海军, 董晴晴, 单永林

2021, 0(2): 95-101.

摘要 ( 201 )

PDF (3022KB) ( 124 )

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基于树脂基复合材料的可设计性优势和复杂结构可一次成型的特点,本文借鉴飞机复合材料设计规范,并同时对比分析两种结构设计方案,最终研制了一款用于高速磁悬浮列车的碳纤维复合材料裙板结构,该结构采用型腔结构一体化成型技术,典型优点为在满足设计要求的前提下实现了33%减重,抗冲击性能更加优异,并同时降低了生产成本。本文结合新型裙板结构的研制过程,从材料选择、结构选型、设计规范修正、设计值取值、仿真计算到成品试验几个方面系统论述了树脂基复合材料用于轨道交通领域的设计思路。

玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料的拉伸及低速冲击性能研究

王海雷, 段跃新, 王维维, 蒋金隆

2021, 0(2): 102-109.

摘要 ( 95 )

PDF (9129KB) ( 97 )

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本文采用真空辅助树脂渗透成型(VARI)工艺成型了0°/90°玻璃纤维经编织物和0°/90°碳纤维经编织物不同混杂比的复合材料板,并探讨了混杂比、混杂方式等因素对碳-玻纤混杂纤维复合材料的拉伸性能及低速冲击性能的影响。研究结果表明:少量碳纤维的加入便可很好地改善纯玻璃纤维材料的拉伸和冲击性能;同种混杂比下,玻璃纤维铺覆表面的层间混杂结构拥有最好的拉伸性能;对于低速冲击性能来说,随着试样中碳纤维含量的增加,冲击能降低,扩展能降低,韧性指数降低,冲击后剩余压缩强度增大;碳纤维、玻璃纤维含量相接近时,玻璃纤维铺覆表面的层间混杂结构表现出较好的抗低速冲击性能;碳纤维、玻璃纤维含量相差较大时,玻璃纤维铺覆表面的夹芯结构的抗低速冲击性能较好。

复合材料管状制品拉挤-缠绕装置的设计与分析

田会方, 陈海清, 吴迎峰

2021, 0(2): 110-114.

摘要 ( 77 )

PDF (3449KB) ( 87 )

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本文首先介绍了复合材料管状制品的特点,然后说明拉挤-缠绕技术相结合的优点,接着阐述了拉挤-缠绕工艺成型技术,以及拉挤速度和缠绕速度之间应满足的关系,再对缠绕装置和牵引装置进行了结构设计,最后将夹紧装置导入Workbench中进行静力学分析,验证设计的合理性。

复合材料层合结构抗冲击性能研究进展

石南南, 亢志宽, 王利辉, 王小娟, 赵卓

2021, 0(2): 115-122.

摘要 ( 199 )

PDF (4826KB) ( 293 )

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层压复合材料因具有良好的综合力学性能,被广泛用于工业民用、建筑桥梁、军事等结构中。综述了四类复合材料层合结构的抗冲击性能,包括纤维增强复合材料、混杂纤维增强复合材料、仿生复合材料和功能梯度复合材料。总结了国内外复合材料层合结构抗冲击性能的研究现状,分析四类常见复合材料层合结构的抗冲击特性。结合复合材料层合结构抗冲击性能的研究进展,对未来复合材料层合结构在抗冲击方面的应用进行了展望。

树脂基烧蚀材料研究进展

许孔力, 夏雨, 李丽英, 许学伟, 汪东, 李峥, 谢永旺

2021, 0(2): 123-128.

摘要 ( 111 )

PDF (909KB) ( 165 )

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树脂基烧蚀材料目前已成为应用最成熟、最广泛的热防护材料体系之一。随着航天技术的不断发展,为满足不断严苛的飞行器热防护的需求,国内外均针对树脂基烧蚀材料开展了大量研究工作。本文重点从树脂基烧蚀材料的树脂基体、填料、增强纤维、轻量化和烧蚀性能测试等五个方面,介绍了国内外树脂基烧蚀材料的研究进展与现状,并指出未来树脂基烧蚀材料的研究工作将呈现出多元化、协同化等特点。

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