复合材料科学与工程

杨钧超, 邹鹏, 邓凡臣, 柴亚南, 熊美蓉

2021, 0(11): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.001

摘要 ( 152 )

PDF (12005KB) ( 227 )

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基于断裂面失效理论,建立了含孔复材层板渐进损伤数值分析模型。纤维失效后将损伤区的刚度直接折减为原来的0.01%;纤维间失效后基于能量释放率对损伤区的材料性能进行线性软化;同时,模型还考虑了剪切非线性效应对失效分析的影响。随后,模拟了不同孔径、铺层的含孔复合材料层合板的拉伸失效过程,并通过物理试验进行了验证。验证结果显示计算误差小于10%,且预测的失效模式与试验结果一致。最后,讨论了铺层、结构尺寸对含孔层合板破坏模式和强度的影响。同一孔径下,不同铺层的层合板破坏模式相近;同一铺层下,孔径与宽度比一定时,拉伸强度随孔径的增大而迅速减小。

碳纤维增强复合材料沉头螺栓搭接结构强度及渐进损伤分析

余芬, 刘国峰, 何振鹏, 黎柏春

2021, 0(11): 12-20. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.002

摘要 ( 104 )

PDF (10277KB) ( 65 )

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碳纤维增强复合材料(CFRP)因其优异的力学性能在航空工业中得到了广泛的应用,评估复合材料沉头螺栓连接结构的极限承载和损伤扩展对航空器连接结构的经济性和安全性意义重大。本文首先创建复合材料沉头螺栓搭接三维模型,并采用虚拟热变形法施加螺栓预紧力,然后利用Fortran语言编写VUMAT用户自定义程序,将所选的刚度退化模式与3D Hashin失效准则嵌入渐进损伤模型中,建立有限元损伤预测模型,研究不同搭接端距对复合材料沉头螺栓连接结构失效的影响。研究结果表明:搭接端距主要影响连接结构的剪切强度,端距越小,其极限承载强度越小,当搭接端径比达到2.5时,极限承载强度随着端径比的增大变化较小;基体拉伸损伤首先出现在最底层的0°铺层,纤维压缩损伤首先出现在锪孔和直孔转折处,失效单元沿施载方向扩展至自由边界失效。

聚氯乙烯涂层膜材料松弛时间谱分析

汪泽幸, 李帅, 谭冬宜, 孟硕, 刘超

2021, 0(11): 21-25. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.003

摘要 ( 89 )

PDF (1226KB) ( 51 )

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为从理论上深入研究膜材料的应力松弛特性,本文采用广义Maxwell模型对聚氯乙烯(PVC)涂层膜材料的实测松弛模量进行了拟合分析,基于二阶近似法求解获得了松弛时间谱近似解,对比分析了广义Maxwell模型单元数量对拟合精度和松弛时间谱曲线特征的影响。结果表明增加广义Maxwell模型的单元数量,不仅有助于提高广义Maxwell模型的拟合精度,还可更为细致地描述松弛时间谱特征,但同时会增加模型求解的难度。对于本文选用的PVC涂层膜材料,采用5单元广义Maxwell模型可较好地描述应力松弛行为,而基于6单元广义Maxwell模型求解应力松弛时间谱较为合理。研究结果可为工程领域中该类材料应力松弛特性研究提供一定的理论参考。

基于细观力学推广用法的蜂窝铝弹性性能参数研究

杨冉, 张纪刚, 时成龙, 闫清峰, 赵迪

2021, 0(11): 26-30. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.004

摘要 ( 105 )

PDF (2307KB) ( 54 )

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随着各类新型复合材料的迅速发展,复杂结构的材料性能的研究方法越来越多。本文基于复合材料细观力学方法,推广了代表性体积元的概念,对蜂窝铝材料的弹性参数进行了数值研究,搭建了具有不同几何参数的135个蜂窝铝RVE有限元模型并计算,通过多元回归分析的方式得到了其弹性模量的拟合公式。同时提出了通过统计学方法来分析有限元计算结果得到复杂材料属性的一般规律,预测具有复杂结构的材料性能,指导材料在工程领域的应用的方法,并通过某一应变率下的SHPB试验验证了其可行性。

基于干法缠绕的固体火箭发动机壳体补强工艺研究

王鑫, 张骞, 费阳, 祖磊, 金书明, 许辉

2021, 0(11): 31-38. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.005

摘要 ( 148 )

PDF (7392KB) ( 69 )

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本文开展了基于干法缠绕成型工艺固体火箭发动机复合材料壳体样件的力学特性研究。通过建立基于三次样条厚度预测方法的封头精细化数值模型,利用Hashin失效判据对壳体爆破压强进行预测,并结合试验结果,分析了固体火箭发动机壳体的水压爆破失效行为。基于该数值模型,探究了补强角度、补强厚度和补强区域对壳体爆破行为的影响。结果表明:封头精细化补强对壳体的承载性能有较大提升,通过40°补强层进行封头补强,壳体爆破压强提升了约50%;在一定范围内,壳体的爆压压强随着补强层的增加而增加;针对破坏位置的局部补强对壳体水压爆破强度有一定的提升,但壳体封头处未补强的区域会因为强度不足而发生破坏。研究成果对基于干法缠绕工艺的固体火箭发动机壳体的研制具有重要参考意义。

基于压电阻抗的碳纤维复合材料脱黏损伤研究

黄飞, 郑艳萍, 王旭, 李明坤

2021, 0(11): 39-43. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.006

摘要 ( 57 )

PDF (2182KB) ( 42 )

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脱黏损伤是复合材料结构中最常见的损伤之一,其检测对于评估复合材料结构安全至关重要。本文基于压电阻抗技术(EMI),借助压电-结构耦合场分析,采用阻抗实部曲线的均方根(RMS)和峰值对应频率(f_max)作为区分碳纤维复合材料中脱黏和非脱黏区域的判别指标进行分析,使用均方根偏差(RMSD)、平均绝对偏差(MAPD)和相关系数偏差(CCD)对不同脱黏程度进行量化对比。研究结果表明:RMS和f_max可以很好地区分碳纤维复合材料中脱黏与非脱黏区域,RMSD和CCD可以较好地表征其脱黏程度。

水压和温度联合作用对高分子复合泡沫材料性能的影响

刘刚, 屈衍, 居尔藩, 王召, 邹科

2021, 0(11): 44-48. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.007

摘要 ( 103 )

PDF (1518KB) ( 52 )

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为研究多环境因素联合作用下高分子复合泡沫材料工作性能的变化,在30 MPa水压和15 ℃~60 ℃不同水温条件下对名义密度为475 kg/m³的材料试样进行了保压试验,并分别测试了保压1 d~30 d后的试样的吸水率、压缩强度和弹性模量。试验结果表明,高分子复合泡沫材料的吸水率随水温和保压时间的增加而增加,其压缩强度随水温和保压时间的增加而减小,其弹性模量在不同水温下随保压时间的变化趋势不同:在较低水温下,其弹性模量随保压时间的增加而增加;在较高水温下,其弹性模量随保压时间的增加而减小。文中分析了水压和温度联合作用下高分子复合泡沫材料性能改变的机理,并得到了压缩强度随吸水率变化的特征。建立了通过对数函数拟合来预测高分子复合泡沫材料长期工作性能的方法。

氯盐侵蚀轻骨料纤维喷射混凝土力学性能试验研究

姬程飞

2021, 0(11): 49-53. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.008

摘要 ( 82 )

PDF (6062KB) ( 32 )

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本文以地下水氯离子含量高、受动压影响显著环境应用轻骨料纤维喷射混凝土(Lightweight Aggregate Fiber Shotcrete,简称“LAFS”)喷层支护的情况为背景,设计出了以不同的氯化钠溶液侵蚀龄期与侵蚀浓度、陶粒掺量以及纤维种类为影响因素的正交试验,进行抗压、劈裂抗拉以及动态压缩一维SHPB冲击试验,并借助扫描电镜对氯盐侵蚀及纤维增强机理进行分析。研究结果表明:影响氯盐侵蚀LAFS抗压、劈裂抗拉及冲击性能的影响因素主要是侵蚀龄期和陶粒掺量,随侵蚀龄期和陶粒掺量的增加均呈现出先增加后下降的趋势。适量陶粒的掺入,使LAFS在氯盐侵蚀环境中具有一定的弹性缓冲性能,从而使其力学及抗氯盐侵蚀性能得到提升,本试验条件下,陶粒取代石子14%体积率的LAFS掺量最佳。结合LAFS冲击破坏形态,宜选用钢纤维来进行增强LAFS力学性能,其次为玄武岩、聚丙烯纤维。

热压工艺对循环拉伸下飞艇蒙皮材料的能量耗散与残余应变特性的影响

古占华, 邵慧奇, 蒋金华, 陈南梁

2021, 0(11): 54-61. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.009

摘要 ( 93 )

PDF (3203KB) ( 44 )

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为探究热压复合工艺参数对飞艇蒙皮材料的能量耗散与残余应变特性的影响机制,本文以聚氟乙烯(PVF)膜为耐气候层,TPU膜为阻氦层,聚芳酯Vectran纤维机织平纹布为承力层,TPU胶膜为黏结层,通过热压复合的方式制备多种热压工艺参数下的飞艇蒙皮材料,并对其进行循环加载-卸载后的力学性能测试,分析了热压温度和热压时间对耗散能和残余应变的影响规律,并提出了理论公式。结果表明:热压温度和热压时间对飞艇蒙皮材料的能量耗散与残余变形特性的影响的变化规律相同,且拟合方程的拟合程度良好,系数与热压温度和热压时间呈正相关;材料的能量耗散与残余应变特性的变化规律不仅取决于热压工艺,同时还与循环加载-卸载次数密切相关,并表现出两段式线性特性;通过比较在不同热压工艺参数下制备的飞艇蒙皮材料经循环加载-卸载后产生的耗散能与残余应变的大小,得出最优制备工艺为:热压温度为160 ℃,热压时间为600 s。

低面内性能损伤的Z-pin增韧技术研究

严斌, 李向前, 尹明鑫, 刘维伟, 陈巍, 马承燕

2021, 0(11): 62-68. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.010

摘要 ( 84 )

PDF (7693KB) ( 67 )

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通过弯曲、拉伸试验研究了Z-pin预制孔植入工艺在降低复合材料层合板面内性能损伤方面的表现。对固化后的Z-pin增强试件进行损伤检测发现Z-pin预制孔植入工艺可显著降低Z-pin植入后造成的纤维卷曲、绕流稀释及断裂等初始损伤。试验结果显示直径为0.28 mm的Z-pin采用预制孔植入工艺植入试件后,试件拉伸、弯曲强度分别只降低了3.02%和3.33%,这表明Z-pin预制孔植入工艺可显著降低对试件面内性能的损伤;直径为0.18 mm的Z-pin采用预制孔植入工艺植入试件后,试件拉伸、弯曲强度分别只降低了1.69%和1.12%,这说明细小直径Z-pin在实现试件层间增韧的同时能进一步降低其对试件面内性能的损伤。此外,通过对试件失效机制的分析得出:合理设置Z-pin的排布方式、尽量使用细小直径Z-pin、试件铺层设计中尽量减少0°铺层的使用等都有利于减轻对试件面内性能的损伤。

自动铺带和手工铺贴国产T800级碳纤维增强复合材料对比研究和等同性评价

彭公秋, 钟翔屿, 石峰晖, 李国丽, 白钰, 包建文

2021, 0(11): 69-74. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.011

摘要 ( 84 )

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使用同一批预浸料,采用自动铺带和手工铺贴两种工艺制备复合材料,对比分析了自动铺带和手工铺贴国产T800H碳纤维复合材料性能,并进行了等同性评价与分析。结果表明:自动铺带和手工铺贴的复合材料性能平均值偏差为-2.42%~4.50%,性能差异小;自动铺带和手工铺贴的复合材料强度平均值、强度最小单个值和模量平均值共42项,其中39项等同,3个不等同项性能差异较小,对后续复合材料应用的影响较小。自动铺带和手工铺贴的复合材料性能总体等同。

碳纤维复合材料单边缝合机构运动轨迹设计

王立文, 董九志, 陈云军, 蒋秀明

2021, 0(11): 75-81. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.032

摘要 ( 76 )

PDF (4359KB) ( 70 )

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单边缝合技术具有不需要在织物底部安装缝合台的优点,被广泛应用于复合材料曲面预制件及大型结构件中,也为碳纤维复合材料三维增强方面做出了重要的贡献。为了使单边缝合技术在碳纤维预制体中获得预期的线迹,避免线迹稳定成环中出现跳针、线迹过紧或过松的问题,对单边缝合设备原理进行分析,对原有的OSS线迹缝合中引线、钩线、挑线机构的动作配合关系和时间配合关系进行重新设计与规划,并增加滑槽式杠杆拨线机构拨取线环,使线环被钩线针穿入。使增加的拨线机构不产生任何线程损耗且具有一定挑线功能,在有效避免成环失败问题的基础上,降低挑线机构设计难度。提出一种在机构各个瞬时时刻缝线消耗量思想,分析在各个时间点的配和关系,建立改良OSS线迹需线量模型。利用运动循环图对各机构的变化规律进行直观表达,最后对不同厚度的样本进行缝合验证。实验结果表明各个机构配合优良,样本线迹成型稳定,改进的机构配合关系未出现跳针的问题,验证了单边缝合机构运动轨迹的可靠性。

基于温度场的热压罐成型模具优化设计

吕佳镁, 马贵春, 郭靖宇, 李云浩, 郑俊旺, 王政

2021, 0(11): 82-87. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210625.031

摘要 ( 81 )

PDF (5753KB) ( 87 )

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热压罐成型模具的温度梯度会增加复合材料固化的不确定性。提高模具表面温度分布的均匀性可保证复合材料构件的固化质量和成型精度。现存模具优化方案大多操作困难,难以用于工程实践。本文提出在模具支撑结构中,添加沿流体流向倾斜一定角度的直板作为导流板,通过控制导流板的倾斜角度,调整气体在模具后部的压缩程度,最终确定添加导流板的最佳位置。采用本文方法能够达到优化模具表面温度分布均匀性的目的,可用于指导实际工程中复合材料构件热压罐成型模具的优化工作。

某型宽频带雷达天线罩的研制

张晨晖, 赵文忠, 屈彦杰, 高琦, 许培伦

2021, 0(11): 88-93. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.014

摘要 ( 84 )

PDF (8821KB) ( 37 )

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本文用FiberSIM复合材料软件仿真得到最佳铺层方法,并利用软件仿真结果制作内、外蒙皮的内轮廓下料样板;设计角度对位工装精确控制内、外蒙皮铺层接缝,保证内、外蒙皮空间分布上的均匀性;利用蜂窝下料样板裁切蜂窝,保证蜂窝接缝拼接严密,避免蜂窝接缝间发泡胶对电厚度均匀性的影响;采用适合的固化成型参数分别成型内、外蒙皮,粘接蜂窝及嵌块,保证胶黏剂在曲面天线罩上分布的均匀性。在宽频带使用条件下,采用上述方法制作的天线罩电厚度均匀性好,幅度一致性可以控制在±0.1 dB以内,相位一致性可以控制在±3°以内,优于设计要求;在45 m/s和65 m/s模拟风速下,天线罩最大形变量满足设计要求。

Ⅳ型70 MPa气瓶非测地线缠绕强度分析与爆破试验

胡正云, 陈明和, 潘勃

2021, 0(11): 94-101. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.015

摘要 ( 128 )

PDF (8725KB) ( 59 )

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本文研究了Ⅳ型70 MPa气瓶的非测地线缠绕与爆破强度。首先,通过微分几何和龙格库塔法求解非测地线缠绕角度微分方程,将非测地线缠绕分为固定拐点和固定角度两种模式;然后,采用试验的手段对两种模式非测地线缠绕进行表征,得出稳定缠绕范围;最后,对比了测地线与非测地线两种工艺的预测爆破压力,并进行试验验证。结果表明,固定拐点的缠绕模式滑线系数可以达到0.35,而固定角度的缠绕模式滑线系数在[-0.1,0.1]范围之内。采用非测地线缠绕工艺,同时起到了增强封头和筒身的作用,提高了气瓶爆破压力。

木质素改性酚醛树脂的合成及其模塑料的性能

黄世俊, 童跃进, 苏志忠, 陈银桂, 艾生儿, 张振伟

2021, 0(11): 102-107. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.016

摘要 ( 103 )

PDF (1176KB) ( 43 )

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采用正交实验研究了摩尔比(A)、木质素用量(B)、催化剂量(C)等3个因素对木质素改性酚醛树脂性能的影响,以木质素改性酚醛树脂为基体制备了模塑料并对其性能进行了测试。正交实验结果表明:木质素用量对聚速、游离酚、废水酚和苯酚反应率具有最主要影响,催化剂用量是黏度和软化点的最主要影响因素。在本研究范围内,制备模塑料用的木质素改性酚醛树脂的优选实验方案为:摩尔配比为0.84、木质素用量为10%、催化剂用量为0.9%,采用木质素改性酚醛树脂制备的模塑料具有更好的机械性能和耐热性能。

044B/BA9918芳纶复合材料环境适应性试验研究

苏震宇

2021, 0(11): 108-115. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.017

摘要 ( 122 )

PDF (3083KB) ( 67 )

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对044B/BA9918芳纶纤维层压板开展了常温、低温和高温三种环境下拉伸、压缩、剪切等力学性能试验,得到芳纶纤维层压板在不同环境下的基本力学性能参数,如纤维和基体方向的强度和弹性模量、面内剪切强度与模量、短梁剪切强度等。试验结果表明,044B/BA9918芳纶纤维层压板的力学性能参数具有较强的温度相关性。与常温环境的力学性能相比,低温环境下与基体相关的强度和模量值有不同程度的增强,如0°压缩、90°压缩的强度值等,而高温环境由于吸湿后基体材料性能发生退化,材料的力学参数值则明显降低,如面内剪切强度等。

电力纤维增强复合材料应用进展

吴雄, 蔡炜, 李健, 孙启刚, 朱晓东, 何昌林, 柯锐

2021, 0(11): 116-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.018

摘要 ( 79 )

PDF (8843KB) ( 57 )

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纤维增强树脂基复合材料及应用是我国重点发展的技术领域之一,其具备轻质高强、耐腐蚀及高绝缘技术优势,特别适用于电力行业。为了推动纤维增强绝缘复合材料技术在电力行业的应用及发展,系统阐述了近年来纤维增强复合材料在电力输电杆塔、复合绝缘横担、风机叶片、复合绝缘子和高压套管等领域的应用情况及进展,简述了相应电力设备中复合材料应用结构设计、应用技术特点及技术优势。最后,结合相应纤维增强复合材料发展情况及国家政策趋势,总结了未来纤维增强绝缘复合材料在电力行业的应用方向及应用发展的趋势。

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