复合材料科学与工程

孙可可, 马连华, 曹亚阔, 朱思宪

2021, 0(4): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.001

摘要 ( 223 )

PDF (1807KB) ( 219 )

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高体分比颗粒增强复合材料被广泛应用于工程领域。本文通过建立该类复合材料的弹塑性细观力学模型,系统研究了该类材料在单轴拉压情况下的宏观弹塑性力学性能。在有效模量预测方面,分别采用Mori-Tanaka模型和Ju等提出的相互作用细观力学模型研究了高体分比颗粒增强复合材料的宏观有效模量,指出了Mori-Tanaka模型的局限性。针对高体分比颗粒增强复合材料弹塑性力学性能,采用Hill定理和场扰动方法建立了宏观应力与基体等效应力的关系,分别采用Mori-Tanaka模型和Ju模型研究了颗粒增强复合材料在不同体分比下的宏观弹塑性力学性能,并将理论预测与实验数据和有限元模拟结果进行了对比分析。结果表明,针对高体分比颗粒增强复合材料宏观弹塑性力学性能预测,本文方法相比传统模型结果更准确,可为工程领域中该类材料的弹塑性力学性能预测提供一定的理论参考。

CFRP筋-高强钢筋增强高强混凝土梁抗弯性能研究

王作虎, 邵明哲, 刘杜, 杨菊

2021, 0(4): 12-17. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.002

摘要 ( 181 )

PDF (1961KB) ( 194 )

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碳纤维增强复合材料(CFRP)筋和高强钢筋混合配置在高强混凝土梁中,能更好地发挥材料各自的性能,提高建筑材料的利用率。以配有CFRP筋和高强钢筋的高强混凝土梁为研究对象,进行了弯曲破坏试验,并对其承载力进行了理论计算。研究结果表明:CFRP筋-高强钢筋高强混凝土梁表现出典型的延性破坏特征;在相同的等截面配筋的条件下,混和配筋高强混凝土梁和高强钢筋高强混凝土梁相比,极限载荷减少15%,但极限位移提高了34%;添加钢纤维的高强钢筋高强混凝土梁与未添加钢纤维的试件相比,屈服荷载和极限荷载分别提高了12.6%和15.8%。

复合材料双钉胶-螺混合连接结构参数对失效载荷的影响

郑艳萍, 李明坤, 熊勇坚, 张超禹

2021, 0(4): 18-27. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.003

摘要 ( 134 )

PDF (15308KB) ( 67 )

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在试验验证仿真模型可行性的基础上,通过数值模拟的方法探究了复合材料的铺层顺序,混合连接结构的宽径比、端径比、孔径比等参数对钛合金-复合材料双钉胶-螺混合连接结构承载能力的影响。研究结果表明:在常用的铺层顺序中,铺层顺序为[45°/0°/-45°/90°]_3s时,混合连接结构的承载能力最好;增加宽径比,连接结构的失效载荷会逐渐上升,但是连接强度却逐渐下降;在一定范围内,适当增加端径比或孔径比可以提高连接结构的承载能力,当超过这个范围时,连接结构的承载能力会下降。

轻骨料纤维喷射混凝土力学性能及破坏特征数值研究

孙秋荣, 刘磊

2021, 0(4): 28-34. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.004

摘要 ( 126 )

PDF (12572KB) ( 61 )

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以喷射混凝土配比为基准,将3种不同掺量的陶粒和玄武岩纤维进行组合,配制出9组轻骨料喷射混凝土(Lightweight Aggregate Fiber Shotcrete,简称“LAFS”)来探究陶粒与玄武岩纤维对LAFS抗压、抗拉及抗剪强度的影响规律,根据试验结果建立了LAFS强度预测模型,同时借助RFPA^2D软件模拟得到了LAFS受力过程中陶粒及玄武岩纤维的受力特征和破坏规律。结果表明:陶粒掺量与玄武岩纤维掺量对LAFS抗压、抗拉及抗剪强度的影响是交互的。试验分析得到陶粒掺量为116.248 kg/m³、玄武岩纤维掺量为5.26 kg/m³时LAFS性能最优。陶粒与LAFS的充分粘结是保证LAFS强度的关键,纤维在LAFS受力过程中整体性良好,在LAFS破坏之前可与混凝土基体共同受力。本研究可为工程上发展LAFS提供试验及理论依据。

三维织造复合材料预制体纤维体积含量的预测及实验验证

李春晖, 贺磊, 王正方, 程祥

2021, 0(4): 35-40. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.005

摘要 ( 155 )

PDF (5252KB) ( 156 )

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为确定三维织造复合材料预制体的纤维体积含量,建立四边形和三角形预制体的细观结构模型,将预制体划分为内胞、边胞、角胞等单胞形式,确定单胞类型系数并根据单胞排布方式将预制体用矩阵表示,将计算的纤维体积含量理论值与称重法得到的实测值进行比较。结果表明:预制体纤维体积含量的理论计算模型较为准确,误差控制在4%以内;纤维体积含量随Z向纤维股数的增大而增大,随规格的增大而减小,当规格增大到一定值时,纤维体积含量趋近相同;纤维体积含量实测值随织造层数和水平面内纤维股数的增大而减小。

复合材料蜂窝夹芯修补结构弯曲特性与温度相关性研究

余芬, 郭拓, 何振鹏, 但敏

2021, 0(4): 41-49. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.006

摘要 ( 132 )

PDF (7755KB) ( 72 )

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建立复合材料蜂窝夹芯修补结构的渐进损伤分析模型,研究修补后蜂窝夹芯结构在弯曲载荷作用下的极限承载能力及损伤破坏模式,并进一步研究修补结构弯曲性能与温度的相关性。通过编写VUMAT子程序,设置补片以及蜂窝损伤板的失效准则及刚度退化模式,选用Cohesive单元以模拟修补结构中胶层的损伤状况,完成复合材料蜂窝夹芯修补结构的渐进损伤分析。研究结果表明:结构弯曲承载能力和胶层的粘结能力受温度影响较大,结构弯曲承载强度随温度的升高而减小,且脱粘失效会破坏结构的完整性;蜂窝夹芯结构面板基体损伤首先发生在90°方向铺层处,纤维基体剪切损伤首先发生在面板0°铺层处,并沿垂直于施载方向扩展至自由边界。

一种基于内置FBG的复合材料模具型面应力-应变监测模块设计方法及性能分析

黄尚洪, 颜晨, 李瑞盈, 李义全

2021, 0(4): 50-54. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.007

摘要 ( 129 )

PDF (3783KB) ( 89 )

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介绍了一种自主开发的复合材料模具的内置光纤光栅传感器(FBG)模块,首先在垂直集中静压力作用下标定传感器模块的线性应变敏感度,通过分析该传感器模块的模态屈曲,判定其在内置条件下的使用稳定性。之后将模块应用至大型风电叶片模具型面监测过程,在调节模具型面的过程中通过对照激光跟踪仪收集到的挠度位移矢量与传感器模块得到垂直分量应变,最后验证该模块性能满足实际应用可行性。

玄武岩纤维再生混凝土抗冻性能及损伤劣化模型

解国梁, 申向东, 刘金云, 张斌

2021, 0(4): 55-60. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.008

摘要 ( 156 )

PDF (3267KB) ( 144 )

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为了研究纤维再生混凝土的抗冻性能,提高寒区再生混凝土结构服役寿命,试验采用等体积再生骨料替代石子制备了5组不同玄武岩纤维掺量的再生混凝土,分别从质量损失率、相对动弹性模量、抗压强度和抗拉强度等方面探讨纤维再生混凝土抗冻性能损伤劣化规律。研究结果表明:冻融初期,再生混凝土质量损失率呈现负增长现象,相对动弹性模量、抗压强度和抗拉强度曲线随冻融循环次数的增加呈下降趋势;玄武岩纤维加入能够减缓再生混凝土冻融破坏,掺量为1.2 kg·m^-3时再生混凝土的抗冻性能最优;纤维加入对冻融作用下再生混凝土抗拉强度的作用效果优于抗压强度。建立了基于相对动弹性模量和强度为损伤变量的线性及多项式损伤劣化模型,模型可以准确预测纤维再生混凝土冻融损伤劣化程度。

乳化剂对耐高温热塑性水分散乳液上浆剂性能的影响

李佳乐, 李楠, 胡方圆, 蹇锡高, 刘程, 王锦艳

2021, 0(4): 61-65. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.009

摘要 ( 99 )

PDF (5014KB) ( 71 )

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在本项工作中,选用不同的表面活性剂,通过乳液/溶剂蒸发法制备杂萘联苯共聚芳醚砜(PPBES)水分散乳液上浆剂,以改善高性能热塑性复合材料中碳纤维与PPBES树脂之间的界面相容性。为获得最佳上浆效果,研究了PPBES浓度、表面活性剂种类及浓度对上浆剂平均粒径的影响;通过扫描电子显微镜(SEM)对上浆剂的成膜能力进行了分析,并研究了上浆处理对碳纤维性能的影响,结果表明:上浆后碳纤维制备的CFs/PPBES复合材料弯曲强度高达1781 MPa,相对于未上浆CFs制备的复合材料弯曲强度提高了15.6%,界面剪切强度提升了5.0%。

陶瓷/UHMWPE层合板/阻尼材料复合靶板防弹性能研究

周越松, 梁森, 王得盼, 刘龙

2021, 0(4): 66-74. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.010

摘要 ( 200 )

PDF (4227KB) ( 170 )

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提出一种由碳化硼陶瓷、UHMWPE层合板、阻尼材料构成的复合靶板。应用LS-DYNA动力学软件进行数值仿真分析,研究该靶板在12.7 mm穿甲爆炸燃烧弹高速冲击下的性能,并通过实验对数值模拟进行可行性验证。进一步研究靶板抗侵彻性能随结构几何参数变化的关系,探究阻尼材料的最佳分布位置和最佳厚度。结果表明:随着陶瓷厚度增大,靶板吸收子弹动能和弹道性能指数呈线性增加;在UHMWPE层合板厚度较大时,增加其厚度对靶板抗侵彻性能的提升更明显;同等面密度条件下,与提高陶瓷或者UHMWPE层合板的厚度相比,涂刷1 mm背层阻尼材料时,复合靶板弹道性能指数最高,抗高速侵彻性能最好,为阻尼材料作为减震层在抗高速冲击领域的广泛应用奠定了基础。

基于CFRP的柔性装配式圬工拱桥结构承载及装配过程的有限元分析

温宇立, 潘美萍, 夏立鹏, 郑愚

2021, 0(4): 75-82. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.011

摘要 ( 121 )

PDF (3683KB) ( 73 )

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基于FRP材料抗拉强度高、耐久性好的特点,本文对1种基于CFRP的新型柔性装配式圬工拱桥结构的力学性能进行分析,该结构体系在拥有传统圬工拱桥结构承载力高、耐久性好等特点的基础上,可解决施工难度高和危险性高的问题,具有广阔的应用前景。为研究装配式圬工拱桥结构的力学性能,基于ABAQUS有限元分析软件模拟装配式圬工拱桥的施工起吊过程及承载。通过对比装配式圬工拱桥承载时的试验结果,验证了此装配式圬工拱桥有限元模型的准确性,并根据结构各构件的受力情况分析了此柔性装配式圬工拱桥结构的破坏机理,数值模拟结果表明此装配式圬工拱桥结构具有较高的承载力且1/3跨是结构的最不利荷载作用点。此外,分析了不同起吊方案下装配式圬工拱桥的应力分布以及成拱后拱轴线的变化情况,结果表明CFRP材料作为结构连接件能够有效增强拱桥的整体稳定性,不同的起吊位置对于预制装配式圬工拱桥的应力分布以及变形有着较大的影响,施工方案7的整体应力应变分布满足结构安全要求、成拱后轴线流畅、拱圈稳定,对该类结构的设计以及施工控制提供了依据。

大型风电叶片全尺寸结构测试准确性研究

李成良, 张金峰, 张登刚, 李占营

2021, 0(4): 83-88. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.012

摘要 ( 183 )

PDF (5259KB) ( 132 )

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结构测试是检验叶片产品与设计吻合性以及设计准确性的必要手段,准确地验证大型叶片的结构特性成为提高叶片结构设计与制造可靠性的关键环节。本文从理论建模分析、静力加载方式、疲劳加载方式和变形、应变、频率测量方面研究如何提升大叶片的全尺寸测试准确性,通过对比分析获知测试结果准确性高的方法和手段。

PMI泡沫夹层碳纤维复合材料的制备及力学表征

原崇新, 董青海, 何斌

2021, 0(4): 89-92. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.013

摘要 ( 196 )

PDF (6570KB) ( 343 )

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由于具有较好的力学性能和工艺稳定性,聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫夹层结构在航空领域得到了大量的应用。目前飞机上通常采用预浸料与泡沫热压罐固化制造夹层结构,这种工艺成本较高且只能保证贴模面的表面质量。本文中采用闭模液体成型工艺制备了质量稳定的泡沫夹层结构,对比了同时注胶与交替注胶的制备方法,结果表明交替注胶可以得到更好的成型质量。并对泡沫芯材的力学性能进行了测试,在此基础上建立了泡沫材料的失效模型,并通过有限元分析了其三点弯曲、侧压屈曲等力学性能,有限元模型分析结果与实际测试结果基本一致,有限元模型可揭示在这些加载条件下夹层结构的破坏机理及渐进损伤过程,研究结果可推动高性能的航空用复合材料夹层结构的低成本化制备以及结构服役的虚拟试验。

复合材料加筋壁板装配应力对结构失效影响的试验与数值分析

王世杰, 陈振, 徐鹏, 刘小林, 汪海

2021, 0(4): 96-101. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.014

摘要 ( 137 )

PDF (6006KB) ( 129 )

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复合材料层压板由于各向异性及沿厚度方向的不连续性的特点,在承受面外载荷作用下,会产生层间应力。层间应力值超过层压板层间开裂强度时,层压板会发生层间分层现象。为了研究装配应力对加筋壁板破坏行为的影响,本文进行了相应的试验和数值分析。首先对加筋壁板结构进行静力加载试验,得到了试验件的破坏载荷和破坏模式。其次通过螺栓加载至工况载荷并保载一定时间,实现了保载试验。最后利用有限元分析了结构的应力分布规律。结果显示,试验件在静力载荷的作用下会发生共胶接区脱粘破坏并伴随缘条分层破坏,在保载作用下长桁下缘条产生了微分层现象,数值分析获取的应力分布规律与试验结果吻合良好。研究结果可为复合材料壁板的装配作业规范和铺层方案设计验证提供参考。

复合材料层合板阻尼参数敏感性分析

武海鹏

2021, 0(4): 102-106. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.015

摘要 ( 135 )

PDF (3993KB) ( 66 )

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本文针对复合材料层合板阻尼性能参数进行敏感性分析,采用悬臂梁振动试验测试与应变能有限元仿真相互验证,试验结果表明纤维种类、纤维体积含量、纤维角度和加载频率均是影响复合材料阻尼性能的重要参数,其中纤维角度和加载频率影响程度明显,同时本文采用的应变能有限元法与实验结果拟合较好,可以用于预测复合材料层合板不同纤维角度下的阻尼损耗因子。

固体火箭发动机复合壳体胶接质量的自动化超声C扫描检测

盛涛, 郑金华, 冯君伟, 余娜, 钱云翔, 徐红杰

2021, 0(4): 107-110. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.016

摘要 ( 145 )

PDF (3327KB) ( 98 )

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为解决采用人工手动超声A扫描检测某型号固体火箭发动机燃烧室壳体与绝热层胶接质量时,检测结果追溯性差、检测波形无法实时保存等问题,设计并研制了复合壳体胶接质量自动化超声C扫描检测系统;运用该系统实施检测工作,减少了人工操作,提高了检测效率,提升了检测结果的可靠性。

基于编织结构的针刺复合材料拉伸性能预测

付金毅, 孙向春

2021, 0(4): 111-118. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.017

摘要 ( 150 )

PDF (6028KB) ( 134 )

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基于针刺石英/石英复合材料的细观结构,建立了考虑编织结构的单胞模型;引入周期性边界条件以及体素单元(Voxel)网格,建立单胞的有限元分析模型;假设针刺复合材料的非线性力学行为主要由基体产生,将针刺过程对复合材料力学性能的影响等效为复合材料基体性能的改变,使用J2塑性模型对基体性能进行修正;采用最大主应力准则、Mises应力准则以及Tsai-Wu失效准则作为各组分材料的失效判据,并将纤维束的失效模式进行区分,根据主损伤模式对相应方向的刚度性能进行折减,模拟了针刺石英/石英复合材料在单轴拉伸载荷下的渐进损伤过程。得到的仿真结果与试验曲线较为吻合,并且利用修正的基体本构模型,较好地表现了针刺复合材料的非线性特征。在完成以上工作的基础上,分析了经线纬线所成角度对复合材料拉伸性能的影响,可为后续针刺复合材料的力学性能设计提供一定的理论依据。

纤维增强复合材料筋材拉挤组合工艺研究进展

付成龙

2021, 0(4): 119-123. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.018

摘要 ( 173 )

PDF (1009KB) ( 223 )

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FRP筋材具有轻质高强、耐腐蚀、疲劳性好等优点,在土木工程领域具有广泛的应用前景。本文介绍了FRP筋材的使用背景及制备工艺,重点综述了制备FRP筋材所使用的几种组合工艺的研究概况,包括注射拉挤、缠绕拉挤和编织拉挤工艺,并指出了今后的发展方向。

燃料电池复合材料双极板的研究现状与发展

孟豪宇, 唐泽辉, 闫承磊, 安昕

2021, 0(4): 124-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.019

摘要 ( 189 )

PDF (822KB) ( 122 )

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燃料电池作为一种新型的发电方式,可以同时解决清洁和环保两大问题,具有非常广阔的应用前景。双极板作为燃料电池的关键部件,其性能的优劣严重影响着燃料电池的使用寿命及相关性能。复合材料双极板因可设计性强、材料成本低廉、性能稳定,成为诸多学者的研究热点。本文综合分析了复合材料双极板的类型及双极板的研究现状,并对其发展前景做了一定的分析和展望。

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