复合材料科学与工程

基于微CT-RVE模型和Mori-Tanaka模型的短切碳纤维增强尼龙力学性能预测方法研究

刘颖, 马艺涛, 刘强

2021, 0(6): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.001

摘要 ( 138 )

PDF (6752KB) ( 108 )

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本文研究了基于微CT图像的纤维增强复合材料代表性体积元模型(CT-RVE)建构方法和性能预测方法。基于四种尺寸的CT-RVE模型对碳纤维增强尼龙(PA66CF)弹性性能开展了预测,并与Mori-Tanaka模型(M-T)预测结果进行了对比。采用注塑成型工艺制备了10wt%纤维含量的PA66CF拉伸样件,使用扫描电子显微镜(SEM)获取样件拉伸断面信息,使用X射线CT断层扫描获取内部微观结构信息,综合运用ImageJ、Photoshop、Mimics、Cero、HyperMesh、ABAQUS等工具,建立了四种尺寸的CT-RVE模型,并与具有相同几何参数的M-T模型在性能预测结果方面进行对比分析。研究结果表明:RVE模型中纤维的随机分布具有规律性,纤维数量与RVE体积呈线性增长关系,纤维取向以X方向为主;CT-RVE模型对弹性性能的预测结果略低于M-T模型,当RVE尺寸为114.4 μm×114.4 μm×77 μm时,CT-RVE模型与M-T模型对弹性性能预测结果相近。本文的研究可为短纤增强复合材料的性能精确预测提供指导。

轴压作用下GFRP管钢骨混凝土组合短柱传力机制分析

尹朝正, 李顺涛, 杨文伟

2021, 0(6): 12-19. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.002

摘要 ( 95 )

PDF (5984KB) ( 70 )

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通过6根GFRP管钢骨混凝土组合短柱和1根GFRP管约束素混凝土组合短柱轴压试验,并利用ABAQUS进行有限元数值分析,研究截面形式、截面含钢率、混凝土强度对组合短柱受力性能的影响,探究组合柱的工作原理。试验结果表明:与未内置钢骨试件相比,内置钢骨可以显著提升短柱的极限承载能力和极限变形能力;随着截面含钢率的增大,GFRP管钢管混凝土短柱的极限承载能力和极限变形能力得到明显提升;增大混凝土强度能够小幅度提高短柱的极限承载能力,但对短柱的初始刚度几乎没有影响;当其他条件相同时,内置钢管短柱比内置工字钢短柱的极限承载力更高,变形能力更好。GFRP管对混凝土的约束作用略晚于钢管对混凝土的约束作用,表现出一定的滞后性。有限元模拟计算结果与试验结果拟合较好,可为此类组合短柱的非线性分析提供参考。

基于Puck准则的复合材料层压板低速冲击数值分析与试验验证

李磊, 宋贵宾, 郑华勇, 程鹏飞, 赵剑

2021, 0(6): 20-25. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.003

摘要 ( 144 )

PDF (6456KB) ( 96 )

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本文发展了一种复合材料层压板冲击损伤数值模拟分析方法,建立了低速冲击问题的分析模型,该模型考虑了纤维损伤、基体损伤以及层间损伤等失效模式,采用基于物理失效模式的Puck失效准则预测损伤起始以及基于断裂应变能的刚度退化方式预测损伤演化过程。开展了T300、T700以及T800等多种纤维和树脂匹配层压板的抗冲击性能试验研究,获得了纤维和树脂性能对层压板抗冲击性能的影响规律。通过仿真结果与试验结果对比,表明所发展的复合材料层压板低速冲击损伤数值分析方法具有较高精度。

体外预应力CFRP筋自密实混凝土梁的预应力损失

吴丽丽, 耿大林, 岳岩松, 杨家琦

2021, 0(6): 26-33. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.004

摘要 ( 76 )

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通过体外预应力筋的预应力损失理论计算、试验监测和有限元数值模拟等方法,对体外预应力CFRP筋自密实混凝土(SCC)梁的预应力损失展开研究。共设计6根自密实混凝土试验梁和2根普通混凝土试验梁,研究在不同预应力水平、不同混凝土强度等级下体外CFRP筋预应力损失的规律以及与普通混凝土预应力损失的差别,并将试验值与理论值、有限元值(包括锚固损失、温差损失、松弛损失、收缩及徐变损失)进行对比。结果表明:锚固损失的理论值偏大,理论公式同样适用于CFRP筋,但参数取值应通过实测确定。温差损失公式计算出的CFRP筋与SCC线膨胀系数差值为实际值的500%左右,理论公式不再适用于FRP-SCC梁。CFRP筋松弛损失和SCC收缩徐变损失之和的理论值与试验值相差20%左右,但该理论公式对于强度等级为C65的SCC试件误差较大。CFRP筋预应力损失随预应力水平的减小而减小,减幅最大为15.2%;预应力损失随着混凝土强度等级的提高而增大,其增幅最大为10.4%;普通混凝土试件的预应力损失大于SCC试件,差值最大为11%。

基于多IMU数据融合的风电叶片动态形变感知算法研究

吕云飞, 张华强, 王国栋, 苏庆华

2021, 0(6): 34-38. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.005

摘要 ( 149 )

PDF (1505KB) ( 81 )

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为精确测量风电叶片动态形变过程中的挠曲姿态与位置,提出基于多惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)进行测量的相对运动感知算法。该算法以改进的卡尔曼滤波为基础,通过反馈式分布式结构进行多节点的数据融合。该方法不仅能提供冗余的叶片运动的惯性信息,还具有较强的容错性,即当单个IMU节点出现故障时,对该算法的测量精度影响较小。仿真结果表明:单点融合后子节点在运动方向挠曲姿态最大误差为1.068′,最大位置误差为-59.89 mm;全局融合后节点最大误差分别为1.004′,27.71 mm。该研究在全尺寸风电叶片动态形变测试领域具有很强的理论研究意义和工程应用价值。

基于P单元复合材料胶接修理胶层应力分析

王专利, 张发, 王亮, 陈宁

2021, 0(6): 39-44. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.006

摘要 ( 92 )

PDF (2584KB) ( 93 )

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胶接修理是复合材料常见的一种修理方法,准确分析修理胶层应力一直是一个难题。传统有限元方法基于h单元(不高于2阶单元)用于复合材料层压板胶接修理面临长宽比值过高的问题,为了提高计算精度,需要花费巨大精力细化网格。先进有限元方法采用P单元(可高达8阶单元)可实现单元长宽比200∶1以上,非常适合复合材料层压板胶接修理分析。本文对比层压板阶梯式挖补胶接修理工程简化分析方法,采用StressCheck软件P单元进行胶层剪应力和剥离应力分析。对比结果表明,基于P单元的有限元法因考虑了各台阶载荷偏心引起的附加弯矩,胶层应力结果更加真实,可以应用于工程分析。

基于刚柔耦合动力学仿真的起落架舱门优化

梁力, 纪小飞, 孟兆康, 陈西锋

2021, 0(6): 45-51. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.007

摘要 ( 86 )

PDF (2687KB) ( 88 )

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针对复合材料起落架舱门的优化设计问题,建立了一种基于刚柔耦合动力学仿真的复合材料结构优化方法。使用C-B部件模态综合法建立复合材料起落架舱门的刚柔耦合运动模型,仿真计算得到起落架舱门的动态响应,使用正交试验的方法选取训练样本,训练BP神经网络,得到复合材料舱门铺层厚度与运动响应之间的神经网络响应面,以舱门铺层厚度为优化变量,以舱门运动变形为约束,以舱门接头载荷最小和舱门重量最轻为目标,使用遗传算法对神经网络响应面进行优化。优化结果表明:提出的基于刚柔耦合动力学仿真的复合材料结构优化方法能够准确考虑起落架舱门运动过程中的结构变形和载荷,实现复合材料起落架舱门全运动行程内的最优设计。

一种失效准则在面外载荷下含孔层合板的应用

秦建兵, 赵玺, 梁荣娜

2021, 0(6): 52-57. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.008

摘要 ( 105 )

PDF (3687KB) ( 87 )

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开孔和面外弯曲会引起层合板局部应力过高,导致局部基体开裂、纤维断裂以及层间分层等失效模式。本文采用解析法和有限元法相结合的方法,对开孔无限大层合板的孔边应力进行研究。基于经典层合板理论和复变函数理论对复合材料平板在面外载荷作用下进行孔边应力分析,通过保角变换,解决应力函数在复杂孔形边界上的问题;引入Puck和Yamada-Sun混合强度失效准则,对层合板刚度进行迭代,研究了带孔复合材料平板孔边真实应力应变分布,并与有限元结果进行了对比,吻合较好。本文工作以期能对开孔层合板的失效预测提供指导。

双轴对称截面FRP轴心受压杆件整体屈曲临界力计算方法分析

詹瑒, 李奔奔, 崔璟, 杨亚强

2021, 0(6): 58-64. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.009

摘要 ( 133 )

PDF (1207KB) ( 117 )

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本文通过对1969年至2020年相关文献的收集与挑选,建立了包含132根双轴对称截面FRP轴压杆件整体屈曲失效试验数据的数据库,并以此数据库为依据,考察了目前用于预测FRP轴心受压杆件整体屈曲临界力的5种方法(经典欧拉公式、Engesser和Haringx修正公式、Strongwell与Fiberline公司建议公式)的预测精度及性能。结果显示:经典欧拉公式高估了FRP杆件整体屈曲临界力约16.7%,平均绝对误差约为18.1%;由于考虑了剪切变形的影响,Engesser和Haringx修正公式的预测精度明显高于欧拉公式,分别高估了FRP杆件整体屈曲临界力约8.4%和9.5%,相应的平均绝对误差分别约为11.3%和12.0%;Fiberline公司建议公式低估了FRP杆件整体屈曲临界力约12.5%,平均绝对误差约为14.3%;Strongwell公司建议公式高估了FRP杆件整体屈曲临界力约118.2%,且平均绝对误差高达118.2%。根据预测性能及精度,推荐使用Engesser修正公式预测双轴对称截面FRP轴压杆件整体屈曲临界力。

碳纤维复合材料圆环拉伸力学性能研究

宋金鹏, 王金炜, 罗浩, 樊晓斌, 桂林

2021, 0(6): 65-71. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.010

摘要 ( 116 )

PDF (9724KB) ( 62 )

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制备了几种典型碳纤维复合材料圆环,并开展了拉伸性能试验,得到了其破坏强度和主要失效模式。基于有限元理论和复合材料各向异性特征,建立了复合材料储能飞轮力学模型,对已知材料性能参数和转子主要形状尺寸的储能飞轮转子进行有限元分析,得出了其应力和位移分布云图以及破坏强度和失效模式,与试验结果吻合较好。在此基础上,基于有限元模型优化出在某一定转速条件下转子的径向应力、环向应力和径向位移分布,并研究了其分布规律。该方法为复合材料飞轮的结构优化及设计提供了参考。

X射线CT在C/SiC复合材料微观结构和损伤表征中的应用

王龙, 刘武刚, 孔凡金, 张跃平, 原凯

2021, 0(6): 72-76. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.011

摘要 ( 166 )

PDF (11235KB) ( 71 )

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本文采用X射线CT和三维数字图像处理与分析方法对C/SiC复合材料内部的微细观结构、损伤及其动态演化过程进行了表征,展示了X射线CT在认识C/SiC复合材料微细观结构和损伤机理等方面的优势,它不仅可以定性地在三维空间上揭示C/SiC复合材料内部碳纤维束、SiC基体和孔洞的三维形貌及其连通性,还可以定量地对每个个体的体积、表面积、厚度场等关键三维几何参数进行测量,获得孔洞、纤维束和SiC基体沿铺层厚度方向的变化规律;在不对试样进行破坏的情况下开展失效分析,在准确确定最终断裂位置的同时,对试样内部产生的微裂纹以及高温下发生的氧化行为进行表征。通过开展基于X射线CT原位观测的力学试验,可以对C/SiC复合材料试验件内部的损伤演化过程进行准确表征,为揭示其损伤和失效机理提供更加直接可靠的依据。

夹芯复合材料板动态特性影响参数分析

马家兴, 范亚萍

2021, 0(6): 77-81. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.012

摘要 ( 81 )

PDF (1306KB) ( 60 )

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首先基于基尔霍夫假设和Hamilton原理,建立了夹芯复合材料板的动力学方程,采用实例验证的方法,对比证明所推导公式的正确性。其次研究了芯层厚度与总厚度的比值和芯层剪切模量的比值等材料参数对结构动态特性的影响。固有频率和损耗因子随夹芯层厚度与总厚度的比值的变化趋势相同,都是随着比值的增大而增大。芯层剪切模量的比值对振动频率的影响很小,但损耗因子随着该比值的增大呈现明显的减小趋势。前三阶频率和损耗因子随复合材料弹性模量比值的增大而逐渐增大。

复合材料卫星反射器机器人喷涂过程分析及工艺参数研究

谢钟清, 沈辉, 李朋欣, 张志斌, 钱志英, 郝旭峰

2021, 0(6): 82-87. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.013

摘要 ( 137 )

PDF (6894KB) ( 62 )

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使碳纤维复合材料反射器的表面金属化可以有效降低电磁波在反射器表面的能量消耗,采用机器人进行喷涂可以有效解决人工喷涂产品质量不稳定以及效率低下的问题。基于机器人的喷涂过程,分析了喷涂过程的影响因素:一是机器人轨迹,包含机器人行走路径模式和相邻行走路径的间距;二是喷枪单元参数,包含各路气压值、喷涂丝材的走丝速度、喷枪的行走速度以及喷枪距离基体表面的相对高度。以某反射器为基础,确定了合适的自动喷涂参数,制备了某含有金属涂层的复合材料卫星天线反射器,孔隙率检测结果为0.162%,粗糙度结果为Ra=1.417 μm,均优于常规要求,为后续的优化使用打下了基础。

热压罐成型工艺典型框架式工装热分布与变形模拟

汪敏, 徐鹏, 高龙飞, 王世杰, 栾英伟, 李振友

2021, 0(6): 88-93. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.014

摘要 ( 133 )

PDF (8122KB) ( 116 )

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本文对复合材料热压罐成型的典型框架式工装进行热分布与变形仿真分析,结果表明:在罐内循环气体的作用下,热压罐中工装存在迎风面和背风面,迎风面的温度率先升高,随着升温过程的推进,工装温差不断加大,当升温结束时,工装的温差达到最大。实际生产中要想减小工装之间的温度差异,可以适当增加低温阶段的保温平台。对于结构复杂的框架工装,实际的热分布结果与经验认知存在差异,领先与滞后区并非分布在罐头和罐尾处。将温度结果作为边界条件计算变形可以得到:热压罐内温度梯度的存在导致工装发生热膨胀变形,最大变形基本都位于四个边角位置,最大变形量约为0.9 mm,这主要是Invar的热膨胀系数较小的缘故。在实际制造中,选择Invar钢作为模具材料是很好的选择,它可以有效减小复合材料固化过程中的固化变形。

硬质夹层三明治结构复合材料预制体缝合头参数化设计

林东, 董九志, 陈云军, 蒋秀明

2021, 0(6): 94-101. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.015

摘要 ( 103 )

PDF (3604KB) ( 85 )

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为解决硬质夹层三明治结构复合材料预制体自动化缝合问题,根据改进Tufting缝合工艺,确定缝合头机构、缝合头工作条件设计参数;对缝合头的缝合机构进行图解简化分析,获得参数初始值以及边界值;基于机械系统动力学(ADAMS)自动分析软件建立缝合机构参数化虚拟样机,以最大压力角最小值为目标函数求解缝合头最终参数,并对求解所得参数进行仿真分析与验证。结果表明:基于ADAMS参数化设计方法提升了硬质夹层三明治结构预制体缝合头参数的计算效率及精度;仿真结果表明缝合头缝合过程稳定,可减少缝合过程中因加速度突变产生的冲击导致缝合线断纱的现象,满足工作设计要求;可为后续工程样机研制奠定理论基础。

风电叶片腹板芯材加工方式对设计和制造的影响

聂义, 熊杰, 王建东, 高山, 李小波

2021, 0(6): 102-105. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.016

摘要 ( 158 )

PDF (2249KB) ( 86 )

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随着风电叶片的大型化,风电叶片轻量化也备受人们关注。腹板作为风电叶片中承受剪力的主要部件,其重量控制对叶片重量影响很大。针对大型风电叶片剪切腹板重量问题,通过对腹板芯材不同的开槽方式对重量和力学的影响进行研究,深入开展工艺性评估、力学评估、产品重量评估。结果表明,夹芯材料不同开槽打孔的加工方式对风电叶片腹板力学影响较小,对工艺性影响亦较小,但对风电叶片减重具有较大影响,对轻量化风电叶片结构设计具有重要意义。

针刺工艺对CFRP面内刚度的影响

杨成, 朱立平, 刘延友, 程海霞, 郭居上

2021, 0(6): 106-112. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.017

摘要 ( 128 )

PDF (3673KB) ( 105 )

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针刺工艺将平面内短纤维转移到面外,引入缺陷导致复合材料面内性能降低。本文通过分析叠层针刺工艺过程对预制体的作用,建立了可直接由针刺工艺参数确定的复合材料单胞模型,用于计算针刺复合材料面内刚度,模型预测结果与实验结果吻合较好。研究了针刺密度、针刺深度及针刺针迹分布对材料面内刚度的影响,结果表明:在相同针刺针迹分布下,增大针刺密度、针刺深度会导致复合材料面内刚度降低,且针刺深度的影响大于针刺密度;针刺针迹的随机分布会造成材料性能的离散,且由微观结构变异导致的材料性能离散随针刺深度、针刺密度的增加而增大。

废线路板中非金属组分制备复合材料的研究进展

李硕, 殷进, 龚佳豪, 赵磊, 高婷, 刘瑞勇

2021, 0(6): 113-118. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.018

摘要 ( 79 )

PDF (1120KB) ( 92 )

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废线路板作为一种危险废物,组成成分复杂且处理难度大。目前,对线路板金属组分的回收利用已形成了较为系统和成熟的工艺路线,但针对非金属组分的处理方式尚处于研发阶段。废线路板的非金属组分质量占比可达70%左右,是实现废线路板全组分资源化的关键点。玻璃纤维和树脂类是非金属的主要成分,具有较高的资源化利用价值。本文就废线路板非金属组分制备复合材料研究进展进行了综述,以期对其高值化利用提供参考和思路。

中国工业复合材料发展回顾与展望

薛忠民, 王占东, 尹证

2021, 0(6): 119-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.019

摘要 ( 192 )

PDF (2191KB) ( 217 )

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本文系统回顾了我国工业复合材料的发展历程以及原材料和行业组织的发展情况,详细介绍了我国复合材料在典型工业领域上的应用,并对未来国内工业复合材料的发展方向进行了展望。

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