复合材料科学与工程

王恬, 杨雄伟, 柴怡君, 耿谦, 李跃明

2021, 0(12): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210727.031

摘要 ( 141 )

PDF (2807KB) ( 142 )

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复合材料具有优异的力学性能和丰富的可设计性,在各领域得到了广泛的应用。各向异性超材料由于其独特的各向异性,可实现弹性波传播的超常操控,具有重要的工程应用和科学研究价值。为将二者相结合,以复合材料自身的各向异性为出发点,探索具有弹性波超常操控功能的复合材料设计新思路,针对高效波型转换这一超常现象,基于法布里珀罗干涉理论及复合材料经典层合板理论研究了其效率与单层板纤维铺设角度之间的关系,建立了波型转换复合材料超结构的设计方法,最终实现了可达89%的高效波型转换效率。

蛋形复合材料耐压壳声目标强度分析

吴健, 朱庭国, 李泓运, 王纬波

2021, 0(12): 12-18. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211228.002

摘要 ( 137 )

PDF (2624KB) ( 168 )

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为了研究蛋形复合材料耐压壳的水下声目标强度问题,首先以满足强度和屈曲条件的最小厚度蛋形耐压壳为研究对象,采用有限元方法建立声固耦合计算模型,然后分析了材料类型、蛋形系数、复合材料的厚度与缠绕角参数对声目标强度的影响,最后分析了一种带金属封头的蛋形耐压壳的水下声目标强度。研究结果表明,相同外形条件下,复合材料蛋形耐压壳的声目标强度最大值低于钛合金耐压壳;声波沿着蛋形复合材料耐压壳的尖端方向入射时,中高频声目标强度最低且与蛋形系数成反比。建议在深海条件下应用蛋形耐压壳时采用尖端向上的布置方案。

复材约束海水海砂混凝土圆柱极限应力及极限应变计算方法分析

李奔奔, 李鹏举, 詹瑒

2021, 0(12): 19-24. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211228.003

摘要 ( 119 )

PDF (1358KB) ( 58 )

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通过复材约束海水海砂混凝土(SSC)圆柱试验数据考察了3个计算模型(Lim模型、Wei模型及Jiang模型)对极限应力及极限应变的适用性及预测精度。分析结果表明,计算模型预测极限应力的精度总体高于预测极限应变的精度。在预测极限应力的3个模型中,Lim模型和Jiang模型呈现出相似的较高的精度,平均绝对误差AAE分别为10.7%和11.0%,预测值与试验值比值的平均值Mean分别为104.3%和105.8%。Wei模型对极限应力的预测值与试验值相比整体偏低(Mean=81.0%),误差相对较大(AAE=19.6%)。在此3个模型中,建议采用Lim模型来预测复材约束SSC的极限应力,同时Jiang模型由于预测精度与Lim模型相似,但所需公式数量少,相比Lim模型计算更简便,也推荐使用。在预测极限应变的3个计算模型中,Lim模型的精度最高(AAE=27.8%,Mean=99.4%),而Wei模型及Jiang模型则低估了复材约束SSC的极限应变,Mean值分别为74.5%和52.2%,建议采用Lim模型来预测复材约束SSC的极限应变。就整体而言,在3个计算模型中,Lim模型在预测极限应力及极限应变时都取得最佳精度,为预测复材海水海砂混凝土极限状态的最优模型。

增强机织物拉伸过程中的应力集中有限元分析

孙一万, 张学文, 蔡利海, 邵伟光, 刘文言

2021, 0(12): 25-33. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211228.004

摘要 ( 133 )

PDF (8269KB) ( 118 )

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机织物增强层是可扁平输送软管的承压骨架材料,机织物拉伸过程中,纱线力学效率会由于经纬纱在交叉点出现应力集中而降低,从而导致可扁平输送软管承压强度下降。因此,本文首先使用有限元拉伸模拟和拉伸试验研究环编斜纹织物的拉伸性能,然后针对机织物拉伸过程中交叉点处的应力集中问题,通过有限元仿真模拟不同经纱间距和不同纬纱细度斜纹织物的拉伸过程,计算交叉点处纱线横截面的应力分布和应力集中因数。结果表明:有限元拉伸模拟的结果与拉伸试验基本相符;增加经纱间距、减小纬纱细度和纬纱卷曲率可以降低纬向拉伸过程中交叉点处的应力集中程度,而经纱间距、纬纱细度、纬纱卷曲率对经向拉伸过程中交叉点处的应力集中程度没有明显影响。

预埋碳纳米纸位移传感器设计及其性能研究

韩承霖, 邹爱丽, 王共冬, 王萌, 李南, 李桦

2021, 0(12): 34-39. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211228.005

摘要 ( 131 )

PDF (3194KB) ( 56 )

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利用碳纳米纸三维网络结构对弯曲应力应变变化的敏感特性,研制了一种基于玻璃纤维增强复合材料(GFRP)-碳纳米纸(BP)新型位移传感器。通过设计三种不同厚度、预埋位置的位移传感器,基于三点弯曲实验平台对其展开性能测试,探究传感器厚度与预埋位置对其传感性能的影响。性能测试结果表明:新型位移传感器电阻变化率与位移具有良好的二次拟合关系;其灵敏度主要受位移区间、传感器厚度以及预埋位置的影响;该传感器具有较好的重复性。经实验验证,当传感器厚且碳纳米纸位于中性面下方时,传感性能最佳,可控制误差在±0.1 mm范围内。

基于精细化模型的纤维缠绕压力容器失效行为及容积特性影响因素分析

祖磊, 金书明, 张骞, 张桂明, 吴乔国

2021, 0(12): 40-47. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528.031

摘要 ( 127 )

PDF (5225KB) ( 100 )

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本文通过开展纤维缠绕压力容器水压爆破试验,结合数值仿真分析,探究其失效机理并分析了影响压力容器容积特性的因素。通过三维扫描仪测量出缠绕层的实际轮廓,对比三次样条公式预测的厚度,结合有限元软件Abaqus及Python脚本文件,给出了一种纤维缠绕压力容器的精细化建模方法,该方法直观且准确地描述每一个纤维缠绕层,通过在纤维缠绕层间加入内聚力单元表征层间损伤情况,利用三维Hashin失效准则对单元刚度进行衰减来实现复合材料层渐进失效分析,从而更加精确地预测压力容器的爆破压强;并结合试验测试结果对纤维缠绕压力容器失效行为进行分析;最后,基于该数值模型,开展了压力容器容积特性影响因素分析。结果表明:①三次样条厚度预测方法能较为准确地预测测地线纤维缠绕层在封头处的厚度分布情况;②采用缠绕层逐层建立并在层间插入黏性层单元,结合Hashin失效判据的渐进损伤计算方法,能够精准、全面以及直观地判断压力容器的各种损伤情况;③压力容器水压实验打爆结果为76 MPa,与有限元计算结果误差为3.3%,且位移应变结果与实际测量值误差在10%以内,表明通过载荷位移曲线破坏位置的位移突变确定爆破压强是合理的;④对于Ⅲ型压力容器,可以通过增大设计爆压提高容器的容积特性系数,且相同容积的压力容器的容积特性随着长径比的增加而减小。

基于分布式光纤传感技术的CFRP板变形监测研究

何建平, 沈锋, 张世海

2021, 0(12): 48-52. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211228.007

摘要 ( 108 )

PDF (2886KB) ( 62 )

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碳纤维增强复合材料(CFRP)具有优良的抗拉强度和耐腐蚀性,被广泛应用于支护和加固结构中。为研究碳纤维复合材料使用过程中的变形特性,在CFRP板上布设分布式光纤传感器,开展CFRP板有损和无损两个工况下的变形监测试验,并在CFRP板上布设电阻应变片进行应变测试对比。试验结果表明:分布式光纤传感器能够有效测量CFRP板各处的应变信息,测量应变与有限元分析值、电阻应变片测量值基本吻合,分布式光纤传感器连续布设比定点布设更能真实反映CFRP板变形。

磁致取向碳纳米管增强玻璃纤维/环氧复合材料的层间性能研究

黄东辉, 曾少华

2021, 0(12): 53-59. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211228.008

摘要 ( 129 )

PDF (7467KB) ( 74 )

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为提升玻璃纤维/环氧复合材料(GFRE)的层间性能,本文采用共价键合的方式将四氧化三铁(Fe₃O₄)纳米磁球负载于多壁碳纳米管(MWCNTs)表面得到Fe₃O₄@MWCNTs纳米粒子,再将其通过三辊研磨、超声分散于环氧树脂中,并利用弱磁场诱导制备含取向MWCNTs的玻璃纤维/环氧复合材料。结果表明:弱磁场作用下MWCNTs沿树脂流动方向取向分布,并且MWCNTs和Fe₃O₄在树脂中具有协同助分散的作用,取向且分散均匀的MWCNTs能够增强与增韧复合材料层间区域,实现复合材料力学性能和热性能的提升;相比于纯GFRE,含取向MWCNTs复合材料的层间剪切强度和断裂功分别提升约31%和117%,拉伸、弯曲性能及储能模量都有明显提升,且玻璃化转变温度提高了约7 ℃。

破片和爆炸波联合加载下UHMWPE纤维复合材料失效行为实验研究

苏罗川, 田立智, 宜晨虹, 刘文杰, 师亚琴

2021, 0(12): 60-65. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211228.009

摘要 ( 126 )

PDF (10644KB) ( 54 )

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由于超高的比拉伸强度,超高分子量聚乙烯(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene,简称“UHMWPE”)纤维复合材料在冲击防护领域获得了极大的关注。本文通过可同时产生破片和爆炸波加载装置的设计,实验观察了UHMWPE纤维复合材料在联合冲击加载下的失效行为。实验发现,UHMWPE复合材料在联合加载下失效模式复杂,包括层间脱层、屈曲与褶皱、侵彻穿透、纤维烧蚀等。基于失效模式的分析,总结了UHMWPE纤维复合材料在破片和爆炸波联合加载下失效破坏的四个典型阶段。

用于雷达天线的国产碳纤维预浸料成型工艺优化及配套材料优选

孙坤, 赵文忠, 张晨晖, 刘明昌, 李建伟, 高琦, 许培伦

2021, 0(12): 66-72. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211228.010

摘要 ( 107 )

PDF (6845KB) ( 95 )

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为实现国产碳纤维/环氧树脂织物预浸料在雷达天线中的应用,开展以该碳纤维预浸料为蒙皮的夹层板热压罐成型工艺流程和关键工艺参数优化研究,在此基础上,制备6种以碳纤维预浸料为蒙皮,分别以J-95或SY-24C Ⅱ胶膜进行胶接,填充J-47D或SY-P6发泡胶或不填充发泡胶的复合材料夹层板,通过平面拉伸、弯曲等力学性能测试分析对该预浸料用于夹层板时的配套材料进行优选研究。研究结果确定采用两步热压罐法进行不填充发泡胶和填充J-47D发泡胶的夹层板成型,采用三步热压罐法进行填充SY-P6发泡胶的夹层板成型,并确定升/降温速率、加压时机等关键工艺参数和工装辅助等提高夹层板质量的措施;对6种夹层板力学性能测试分析发现,SY-24C Ⅱ胶膜与蒙皮、蜂窝以及发泡胶的匹配性更好。而将两型发泡胶相比,填充SY-P6发泡胶的夹层板的各项力学性能明显更优,因此优选SY-24C Ⅱ胶膜和SY-P6发泡胶作为配套材料用于雷达天线制造。

基于正交试验法的混杂纤维橡胶混凝土力学性能试验研究

朱鹏宇, 万后林, 朱叶, 顾文虎

2021, 0(12): 73-77. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211228.011

摘要 ( 75 )

PDF (2043KB) ( 135 )

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针对混杂纤维橡胶混凝土(HFRC)设计了正交试验,对其力学性能进行测试并与普通混凝土对比,分析了玄武岩纤维体积率、聚丙烯纤维体积率和橡胶体积率对HFRC抗压、劈裂抗拉和抗折强度的影响。结果表明:当玄武岩纤维体积率为0.3%、聚丙烯纤维体积率为0.2%、橡胶体积率为5%时,HFRC各项性能表现最佳。玄武岩纤维对HFRC,强度的影响程度最大,掺入混杂纤维HFRC,强度有较大幅度提升,体现了良好的纤维“正混杂效应”,随着橡胶体积率增加,HFRC强度逐渐降低。借助SEM微观分析了纤维在HFRC中的桥接增强作用,对HFRC增韧阻裂机制进行了讨论,最后对HFRC强度进行了模型预测。

复合材料水下防护结构在海洋油气开发的应用

石锦坤, 刘辉, 张西伟, 郭飞

2021, 0(12): 78-81. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211228.012

摘要 ( 110 )

PDF (7715KB) ( 62 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

随着海洋油气开发的快速发展,水下生产设施越来越多,与此同时,海洋渔业捕捞方式及捕捞设备发展迅速,渔业活动对这些水下设施的影响也越发明显,被拖网、落锚损伤和破坏事故时有发生。为了保证海上油气安全生产,需对水下设施进行保护。纤维增强复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀、不易生长海生物等特点,在制作海洋油气开发水下设施防护结构方面应用前景广阔。本文主要对此类复合材料防护结构的应用情况进行概述,并与钢结构、水泥压块防护结构进行对比分析。

某型无人机复合材料机翼结构尺寸优化设计

沈浩杰, 陈刚, 夏杨

2021, 0(12): 82-88. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211228.013

摘要 ( 99 )

PDF (9403KB) ( 101 )

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本文对无人机复合材料后掠机翼结构进行尺寸优化设计。该机翼采用双闭室矩形梁式布局。采用商用分析软件,优化各分区T800碳纤维编织布预浸料45°与0°铺层的厚度与翼肋宽度。优化模型选取机翼结构的强度与刚度作为约束条件,结构重量最小作为优化目标。选用蔡-吴准则作为复合材料失效判定准则。优化结果符合机翼主要零件的传力特点,满足复合材料机翼的设计要求。

湿法分层缠绕T700/环氧复合材料微波固化工艺及性能

李梦颖, 肖军, 还大军, 王兴邦, 杨潇, 焦洋

2021, 0(12): 89-94. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211228.014

摘要 ( 109 )

PDF (4608KB) ( 145 )

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针对大厚度固体火箭发动机壳体制造周期长的缺点,本文提出分层缠绕微波预固化工艺。以固化度为依据,结合壳体缠绕规律及微波吸收效率,筛选出[90°₂/±20°]的分层缠绕基元。分层缠绕中需经多次微波辐射,考虑热传导或弱微波效应对已缠绕层固化度的影响,制定出升温速率为5 ℃/min、由室温升至90 ℃的微波预固化工艺,后处理采用热固化:160 ℃保温1 h。在微波固化试样制备时间(均不考虑降温时间)比热固化缩短近一半的情况下,T700碳纤维复合材料微波固化与热固化试样力学性能基本一致:微波固化层合板拉伸强度为1.84 GPa,热固化层合板拉伸强度为1.76 GPa;微波固化层合板弯曲强度为1.20 GPa,热固化层合板弯曲强度为1.17 GPa;微波固化NOL环拉伸强度为2.94 GPa,热固化NOL环拉伸强度为3.08 GPa;微波固化NOL环层间剪切强度为76.1 MPa,热固化NOL环层间剪切强度为75.6 MPa。扫描电镜照片表明,两种固化方式下纤维-基体界面结合良好。由于微波固化不依赖于热传导或热对流,因此可以在较短的时间内达到与热固化试样相当的力学性能。

T300/BMP370复合材料的成型工艺及其性能研究

梁恒亮, 周洪飞, 孙珂汉

2021, 0(12): 95-98. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211228.015

摘要 ( 142 )

PDF (1107KB) ( 130 )

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作为耐高温的PMR-15型第三代聚酰亚胺树脂BMP370,其与T300碳纤维增强复合材料的成型工艺包括酰胺化、亚胺化和固化工艺过程,尤其包括固化过程中挥发分与真空度关系。对T300/BMP370层压板进行了常温和高温力学性能以及相关物理性能的测试,对T300/BMP370第三代聚酰亚胺树脂基复合材料的性能进行了研究,为其耐高温构件的研制奠定基础。

CF/PPS热塑复材试片感应焊接工艺初步研究

王洪恩, 杨洋, 钱盈, 周剑锋, 朱姝

2021, 0(12): 99-105. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211228.016

摘要 ( 148 )

PDF (5049KB) ( 163 )

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通过热电偶在位监控,研究了CF/PPS热塑复材试片感应焊接过程中的温度变化过程及温度分布情况。在此基础上探索了试片感应焊接工艺,重点研究了风冷、加压两种工艺方法对感应焊接效果的影响。观察了焊接试片形貌,分析了焊接工艺参数、方法对焊接试片形貌的影响。测试了感应焊接试片的单搭接强度,并与模压制造的单搭接试片性能进行了对比,提出了对工艺方法进一步改进的设想。

蜂窝夹芯结构芯格节点开裂的机理研究

刘志杰, 孙振萍, 赵英男, 蔡豫晋, 徐恒元, 文友谊

2021, 0(12): 106-113. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211228.017

摘要 ( 122 )

PDF (6644KB) ( 150 )

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采用二次胶接工艺成型蜂窝夹层结构,使用的芳纶纸蜂窝在胶接固化的高温高压下可能会发生节点开裂。为了对蜂窝芯节点开裂的机理进行分析与研究,本文对蜂窝芯节点处的受力进行了分析,并建立模型进行有限元仿真计算,同时对所用蜂窝芯节点的强度进行测试。研究结果表明,蜂窝芯节点开裂是从芯格节点处的剥离破坏开始的,其是在蜂窝高度方向的压应力和芯格间压力差的叠加作用下发生的,其中侧向的芯格间压力是影响节点破坏应力大小的关键因素。当蜂窝芯节点发生开裂后,蜂窝芯格壁在压应力作用下会轻易产生弯曲失稳。

一种新型风电叶片自动打磨机器人高效自适应打磨头系统设计开发

颜晨, 陈晓亮, 李国良, 李成良

2021, 0(12): 114-119. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211228.018

摘要 ( 301 )

PDF (4320KB) ( 162 )

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随着我国风力发电行业的快速发展,风电叶片作为整个风机的关键核心部件正向着大型化和轻量化转变^[1]。随着风电叶片越来越大,其在生产过程中的打磨作业难度也随之提升。当前在风电叶片生产企业内叶片的打磨工序仍采用人工加辅助登高工装的方式进行作业,整个过程用工人数多、打磨效率低、打磨质量不稳定、工作环境粉尘浓度大,且存在严重的安全风险。在此情况下,风电叶片自动打磨机器人的开发成为各风电叶片生产企业的一致目标。本文讨论了一种新的风电叶片自动打磨机器人设备,该设备主要由全向AGV小车、升降平台、高效自适应打磨头、库卡长臂下探式机械手、高效防爆除尘器、集成的控制单元及传感控制系统等组成。在风电叶片自动打磨机器人的设备组成中,全向AGV、库卡机械手等均为标准备件,在这里不做介绍。本文主要对自主开发的高效自适应打磨头及自动打磨控制方法做详细阐述。风电叶片自动打磨机器人的应用推广可有效降低叶片生产打磨工序的用工人数、提升打磨效率、稳定打磨质量、改善工序作业环境,并对推进叶片制造行业的智能化水平有积极作用。

CFRP的钻削加工研究现状

张月欣, 杨明君, 刘耿, 王崇杰

2021, 0(12): 120-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211228.019

摘要 ( 154 )

PDF (5821KB) ( 171 )

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碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)因其优异的物理性能在航空发动机短舱制造中应用广泛。在应用中,CFRP材料通常需要进行连接与装配,但因其属于脆性材料且具有各向异性,对其进行钻削加工后,容易导致材料应力集中部位产生一定程度的缺陷。为了探究钻削加工工艺对材料孔部质量的影响,国内外对其钻削进行了大量的实验研究,其主要研究内容包括三个方面:切屑形成机制、钻削力、钻削热。本文基于国内外的研究成果,综合概述了CFRP的钻削加工研究现状、CFRP钻削加工后孔部出现的缺陷种类以及CFRP钻削加工工艺的发展趋势。

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