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2021年 第0卷 第9期 刊出日期:2021-09-28
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基础研究
基于应力波的复合材料圆柱壳结构损伤概率成像研究
刘相, 严刚, 汤剑飞
2021, 0(9): 5-11. DOI:
10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.001
摘要
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参考文献
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计量指标
本文对复合材料圆柱壳结构健康监测进行了研究,采用应力波技术结合融合损伤概率成像算法,对损伤进行了监测和识别。首先通过在圆柱壳内壁设置压电传感器阵列,使用多通道阵列扫查系统依次在结构中激励和接收应力波信号;然后分别通过相关系数分析和盒维数分形分析方法处理信号,计算出不同传感器路径上的损伤指标;最后利用经过坐标变换以及图像融合方法改进的损伤概率成像算法,实现对复合材料圆柱壳结构中损伤的可视化识别。数值仿真和实验研究结果表明,应力波能够有效地监测和识别出复合材料圆柱壳结构中的损伤,所改进的融合概率成像算法能够提高损伤位置识别的精度。
基于热气加热的热塑性复合材料原位成型过程中温度场分析
孙士勇, 董晨华, 刘冠三, 杨睿
2021, 0(9): 12-17. DOI:
10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.002
摘要
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计量指标
在热塑性复合材料的自动铺放原位成型过程中,温度历程对于复合材料的最终质量和性能有很大影响。以碳纤维增强聚醚醚酮铺放过程中的温度场为研究对象,建立了二维温度场瞬态传热模型,通过对传热模型划分区域确立了边界条件,分析了热气温度、铺放速度以及模具的初始温度对铺层温度场的影响。通过原理性铺放实验,建立了温度场测量系统,从而验证了有限元模型的正确性。结果表明,随着热气温度的升高以及铺放速度的降低,每层的峰值温度逐渐升高。模具初始温度为室温时,为满足成型要求,选择热气温度为650 ℃,最大铺放速度为6 mm/s。模具的初始温度对于首层的温度场有很大影响,为改善首层粘接熔融效果、提高铺放效率以及降低整体温度梯度,应适当提高模具温度和铺放速度,并降低热气温度。
风电叶片静力试验配载优化与验证
何佳浩, 张文伟, 邓航, 靳交通, 冯学斌, 彭超义, 谢红杰
2021, 0(9): 18-21. DOI:
10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.003
摘要
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计量指标
风电叶片静力试验是验证叶片结构强度的有效方法。在叶片静力试验过程中,叶片加载方案通常基于叶片原有几何形状制定,然而当叶片受力发生较大变形时,尤其是挥舞工况,试验叶片上的加载点会出现展向位置以及加载力方向角的变化,从而导致试验载荷和给定的叶片各截面设计载荷不匹配,叶片的结构强度在部分区域或未能通过试验得到充分验证。本文提出如何在叶片静力试验仿真模型中考虑大变形的影响及叶片大变形之后各截面的弯矩计算方法,同时提出等刚度梁模型以高效率地得到优化配载方案,最后通过典型的叶片静力试验来验证优化后配载方案的可行性与准确性。
基于响应面法的CFRP层合板挖补修理结构的单目标优化
田可可, 李成, 胡春幸, 郭建
2021, 0(9): 22-30. DOI:
10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.004
摘要
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计量指标
对于CFRP层合板挖补修理结构的优化问题,首先通过三维实体单元建立三维损伤累积模型并通过试验验证所建立的仿真模型的有效性,然后采用拉丁超立方试验设计方法和响应面法构建了拉伸强度代理模型,最后基于遗传算法和代理模型进行联合优化。研究结果表明:数值模型与仿真模型吻合度较好,误差在10%以内,表明所建立的有限元模型具有有效性。拉伸载荷下挖补结构的失效模式以胶层的剪切失效为主,胶层损伤起始于层合板和补片0°层对应的位置,然后向四周扩展,胶层失效后补片失去承载能力,母板继续承载并在最窄处断裂。最佳胶层厚度、挖补角度和旋转角度分别为0.1035 mm、2.5°和0°。与常规挖补结构相比,拉伸强度提高了12.57%。采用遗传算法对CFRP层合板挖补结构进行优化,对提高挖补结构的力学性能具有重要意义。
湿/热环境对环氧树脂复合材料冲击后压缩剩余强度的影响
欧阳俊杰, 王付胜, 孔繁淇, 王秉谦, 陈亚军
2021, 0(9): 31-37. DOI:
10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.005
摘要
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计量指标
将带孔复合材料放置于湿/热环境中处理,将低速冲击、压缩力学测试与数字图像相关技术(DIC)相融合,研究其抗冲击性能及冲击后压缩性能变化规律及机理。首先对复合材料进行湿/热处理,利用吸湿率与失重率评价处理程度,其次对处理后层合板进行低速冲击试验,再进行冲击后压缩(CAI)试验评估剩余性能,同时对压溃过程进行DIC信息数据采集,最后使用扫描电子显微镜(SEM)进行微观损伤形貌表征。结果表明高温环境对复合材料影响更大。DIC技术采集的应变数据与应变仪(SG)结果差异较小,且DIC数据离散度更低,具有代替应变仪的可行性。微观形貌上,湿度环境影响环氧树脂黏合纤维,基体吸水膨胀,热环境下基体与外界空气反应,层内基体收缩,但仍与纤维黏合。
应用研究
多因素作用下自动铺丝预浸料黏性变化规律
缑建杰, 杨扬, 陈代鑫, 邓晓春, 张鹏
2021, 0(9): 38-45. DOI:
10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.006
摘要
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计量指标
自动铺丝工艺是一种先进复合材料低成本、自动化成型制造工艺,其通常应用于制造飞机机身、S型进气道等大曲率复合材料构件。铺丝过程中,预浸料丝束黏性对铺丝产品最终质量有较大影响。一方面,丝束黏性不能过低,以保证预浸料之间顺利贴合。另一方面,丝束黏性也不能过高,以便于铺层失败时进行修改。目前,预浸料黏性评价方法以90°剥离试验与180°剥离试验为主,其主要针对自动铺带工艺中较宽的预浸带。前期初步试验表明,采用单丝束剥离试验法检测自动铺丝工艺中预浸料黏性时,数据会产生较大波动,无法满足相关检测要求。有鉴于此,本文首先建立自动铺丝预浸料黏性的检测准则,提出采用两丝束180°剥离试验检测预浸料黏性,然后基于该准则研究铺放压力、铺放速度、铺放温度、老化时间影响下丝束黏性的变化规律。
短切碳纤维增强尼龙复合材料力学性能及在电池箱上的应用
刘颖, 马艺涛, 刘强
2021, 0(9): 46-54. DOI:
10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.007
摘要
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计量指标
针对短纤增强复合材料各向异性导致产品力学性能难以预测问题,本文研究了不同纤维含量的短切碳纤维增强尼龙复合材料(PA66CF)力学性能,开展了该材料应用于轻量化电池箱的仿真分析和性能评价。首先通过拉伸试验获取PA66CF材料的应力-应变曲线,然后导入Digimat中校正材料参数,并采用最大应变准则进行拉伸样件仿真验证仿真方法的准确性;将校正后的材料模型与失效准则应用于电池箱颠簸路面急停和急转弯工况的力学分析中,并与金属电池箱在最大位移、系统最大应力、箱体最大应力方面进行对比分析。研究表明,相比金属箱体,PA66CF材料箱体在质量减轻84%的同时,在上述两种工况下箱体最大应力减小了30%~50%,且碳纤维含量对电池箱最大位移影响较大。本文的研究可为PA66CF材料在电池箱上的应用提供参考。
挠度对大长径比复合材料壳体缠绕成型质量影响研究
奚旺, 葛庆, 肖康, 张骞, 祖磊
2021, 0(9): 55-61. DOI:
10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.008
摘要
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计量指标
大长径比复合材料缠绕成型壳体在成型过程中会产生挠度。本文针对挠度对壳体的缠绕线型、缠绕张力和固化残余应力的影响开展研究。通过解析计算和数值仿真建立大长径比复合材料壳体几何模型和有限元模型。分别采用测地线缠绕方法探究挠度对纤维缠绕线型的影响;采用正轴偏轴应变转换方法探究挠度对纤维缠绕张力的影响;采用CHILE本构模型探究挠度对纤维缠绕固化残余应力的影响。通过对大长径比复合材料壳体的仿真分析发现,挠度对纤维缠绕线型影响较小,挠度对纤维缠绕张力有一定的影响,张力随着壳体挠度位移值的增大而增大,挠度对纤维缠绕固化残余应力有一定的影响,且在壳体周向规律分布。
基于碳纤维复合材料轻木夹芯结构的起重机副臂架设计
马泽超, 胡业发, 冯正峰, 徐胜风, 阎冬
2021, 0(9): 62-67. DOI:
10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.009
摘要
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计量指标
针对汽车起重机臂架轻量化设计需求,设计了一种碳纤维复合材料轻木夹芯结构的汽车起重机副臂架。碳纤维复合材料密度低,比强度和比模量高,力学性能优异。应用有限元软件ABAQUS对碳纤维复合材料轻木夹芯结构的汽车起重机副臂架进行了结构设计和仿真分析。研究结果表明:碳纤维复合材料轻木夹芯结构副臂架中碳纤维复合材料上、下面板厚度分别为10 mm和8 mm,上、下面板铺层分别为[0/±45/0
2
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10
和[0/±45/0
2
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,其强度相比于碳纤维复合材料副臂架的安全裕量更大,同时刚度也满足使用需求,此时复合材料副臂架质量为251.4 kg,质量减轻达到了40%,具有良好的轻量化效果。
雷击后飞机复合材料燃油箱蒙皮电热损伤特性研究
胡静, 吴天航, 巩翰林, 李志宝, 李小二, 司晓亮
2021, 0(9): 68-73. DOI:
10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.010
摘要
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计量指标
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在现代飞机上被大量使用,由于CFRP电导率和传热系数具有各向异性,雷击后,其温度分布与传统金属材料不同。为探究CFRP燃油箱电热损伤特性以对其进行雷电防护,本文利用COMSOL多物理场仿真软件建立CFRP层合板与火焰喷涂铝防护CFRP层合板模拟油箱蒙皮模型进行仿真研究,并开展典型雷电流组合波形的雷电流注入试验对仿真结果进行验证。结果表明:雷电流波形注入后,无防护CFRP板各铺层温度随着纤维方向分布;火焰喷涂铝防护的CFRP板各铺层温度呈近似圆形分布,且高温损伤面积与损伤深度均小于无防护CFRP板;表面温度受雷电流D波的影响大,而损伤深度受B、C
*
波的影响较大;在雷电波形注入完成后,雷击产生的热量会沿着CFRP铺层向下传导,产生热斑导致底面温度升高,但在2.6 mm厚度条件下未超过200 ℃;使用火焰喷涂铝能对CFRP燃油箱起到很好的雷电防护效果。
碳纤维增强复合材料曲梁弯曲失效分析
邓忠, 余音, 刘龙权, 汪海
2021, 0(9): 74-78. DOI:
10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.011
摘要
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计量指标
基于复合材料刚度连续折减方案,结合三维Hashin失效准则,建立了复合材料渐进损伤分析模型,编写了模型对应的用户材料子程序(UMAT)。通过ABAQUS调用该程序对碳纤维增强复合材料曲梁四点弯曲进行仿真,将仿真结果与试验结果进行对比,验证了渐进损伤分析模型的有效性。分析了复合材料曲梁的损伤失效行为,发现在弯曲载荷作用下,碳纤维增强复合材料曲梁主要的失效模式是曲梁弯角区域的基体拉伸失效与拉伸分层失效,分层失效发生后扩展迅速,曲梁迅速失去承载能力最终失效,层间拉伸应力过大是导致复合材料曲梁发生分层失效的主要原因。
复合材料蒙皮双真空固化工艺研究
章宇界, 叶奇飞, 梁燕民, 刘启抱, 柯常宜, 叶鹏华
2021, 0(9): 79-82. DOI:
10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.012
摘要
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计量指标
复合材料已在航天领域得到广泛使用,目前采用湿法预浸料制备大壁厚复合材料蒙皮的成型周期长,产品内部孔隙率相对更高,对航天器可靠性、稳定性不利。本文以双真空固化工艺为例,对复合材料蒙皮的制备过程进行优化,通过无损探伤、截面微观质量与孔隙率三个方面对产品内部质量进行评价,结果表明,经过双真空固化工艺试验,4 mm壁厚蒙皮产品孔隙率能够控制到1.65%,内部质量得到提升。
民机货舱下部复合材料结构抗坠撞吸能特性试验研究
施萌, 汪洋, 吴志斌, 刘富
2021, 0(9): 83-88. DOI:
10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.013
摘要
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计量指标
在可生存坠撞事故中,货舱下部复合材料结构是飞机坠撞过程中的主要吸能部件。货舱地板支撑立柱是货舱下部复合材料结构的主要支撑部件,研究其对货舱下部结构抗坠撞性能的影响尤为重要。针对不同立柱构型的典型民机货舱下部立柱组合件结构,开展了结构坠撞冲击试验。通过对结构失效模式和能量吸收情况进行对比分析,得到了货舱下部复合材料结构在坠撞速度为9.144 m/s时的抗坠撞吸能特性与立柱夹角、立柱厚度、触发形式等因素之间的关系。结果表明:当立柱夹角为90°、立柱厚度分段变化、立柱与框弱连接时,货舱下部复合材料结构的抗坠撞性能最好。
大型风电叶片环氧树脂混胶设备免洗枪技术与应用
颜晨, 周瑞瑞, 成超英, 卜丽静
2021, 0(9): 89-93. DOI:
10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.014
摘要
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计量指标
风电叶片生产过程中使用的环氧灌注树脂为双组分胶液,在灌注作业结束后会残留一定量的双组分胶液在灌注树脂机混合块和静态混合管内,残留的双组分胶液经过一定时间之后会固化堵塞混合块及静态混合管。为避免混合块和静态混合管堵塞,每次设备使用前后需进行一次冲、洗枪,每支叶片冲、洗枪树脂用量约为15 kg,存在大量的浪费。本文介绍了灌注树脂机免洗枪技术在大型风电叶片成型工艺中的应用,对比其与常规灌注树脂机洗枪技术的优势所在,证明了该技术具有更高的应用价值。实践表明:与常规技术相比,该技术可实现灌注树脂机混胶比例正确、均匀,混合块2个月免维护,单支叶片减少15 kg树脂浪费,具有较高的工程应用价值。
复合材料胶接表面的树脂砂吹砂工艺研究
李娅媛, 祝君军, 徐伟伟, 李博, 罗辑
2021, 0(9): 94-98. DOI:
10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.015
摘要
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计量指标
本文通过对不同粗化方式和不同吹砂次数后的复合材料表面形貌和胶接强度进行研究,对比了目前常用的复合材料粗化方式的差异,并分析了吹砂次数对胶接强度的影响机理,探讨了树脂砂回收利用的可行性。结果表明,树脂砂吹砂能够有效去除表面树脂而不伤及纤维,且粗化程度均匀。提高吹砂次数可在一定程度上提高粗化效果,但过度吹砂会损伤纤维反而降低胶接强度,最佳的吹砂次数为二次。对于回收利用的树脂砂,可通过提高吹砂次数来达到首次吹砂的效果。
装配间隙对复合材料构件弯曲疲劳性能的影响研究
葛恩德, 尚艳伟, 刘学术, 李汝鹏
2021, 0(9): 99-106. DOI:
10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.016
摘要
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计量指标
各向异性的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)制件固化后极易产生翘曲变形,装配连接时在贴合面处会产生装配间隙并对构件的力学性能产生影响。为探究不同装配间隙尺寸对CFRP构件弯曲疲劳性能的影响规律,以CFRP制件为试验对象,以电子万能试验机和SD100液压疲劳试验机为平台,通过对比含不同尺寸装配间隙的复合材料构件失效过程及疲劳寿命,揭示装配间隙尺寸对复合材料构件弯曲疲劳性能的影响规律。研究发现:装配间隙直接影响复合材料构件的受载失效过程,并导致构件疲劳性能下降;在一定间隙高度内增大间隙长度能够提高复合材料构件的疲劳寿命,间隙高度的增加对复合材料构件疲劳寿命的影响极大。
综述
碳纳米管填充聚苯硫醚纳米复合材料研究进展
董慧民, 翁传欣, 刘聪, 程丽君, 李跃腾, 钱黄海
2021, 0(9): 107-117. DOI:
10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.017
摘要
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计量指标
聚苯硫醚(PPS)具有高强度、阻燃、耐化学品、耐热及良好加工性能,然而,PPS本征脆性限制了其应用。为了改善PPS的冲击韧性并赋予其多功能性,常利用填料,例如碳纳米管(CNTs)来对其进行改性。介绍了CNTs填充PPS的应用进展,综述了CNTs/PPS纳米复合材料的制备方法,并简单总结了其独特的性能,包括结晶行为、流变、力学、摩擦、热学、导电和电磁性能等;讨论了CNT的表面修饰及含量、分散性、定向排列、制备参数、界面及相结构等因素与材料性能间的关系,还详细探讨了CNTs/PPS纳米复合材料产生某些优异性能的原因,最后对其应用前景进行了展望。
酚醛树脂增韧改性研究进展及应用现状概述
许国娟, 贾晨辉, 刘晶, 田谋锋
2021, 0(9): 118-128. DOI:
10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.018
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计量指标
综述了近年来国内酚醛树脂增韧改性工作的研究进展,简要介绍了化学反应型增韧和物理共混型增韧两种不同增韧方式及各类常用增韧剂改性酚醛树脂的作用机理和研究现状,概述了国内酚醛树脂工业应用领域的现状。
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