复合材料科学与工程

陈泰谷, 胡守旺, 罗远彬, 郑愚, 李明

2022, 0(2): 5-10. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.001

摘要 ( 184 )

PDF (1532KB) ( 141 )

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FRP筋因具有耐腐蚀、高抗拉强度和耐疲劳等优点而有望代替钢筋,用于土木工程结构中解决钢筋锈蚀问题。然而,FRP筋弹性模量低及其与混凝土黏结性能差导致FRP增强混凝土结构抗剪性能与普通钢筋混凝土不同。现有FRP增强混凝土结构抗剪计算模型大多基于有限的试验结果得出,因此不能保证其准确性。本文首先收集了来自各学者FRP筋增强混凝土梁抗剪试验数据,建立一个包含478组抗剪承载力的试验数据库,基于蒙特卡罗方法开展上述试验梁参数全局敏感性分析,通过四个抗剪承载力计算模型之间的对比以及适用性分析,考虑参数的不确定性,最后采用蒙特卡罗方法和可靠度理论对模型进行可靠度分析。研究结果发现:CSA规范中的抗剪承载力计算模型具有较小的误差和离散性;可靠度指标与荷载效应比以及FRP的材料分项系数呈正相关的关系。

FRP筋混凝土梁拉伸刚化效应模型研究

陈国雄, 安茹, 符师桦

2022, 0(2): 11-18. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.002

摘要 ( 84 )

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纤维增强聚合物(FRP)筋混凝土梁比传统钢筋混凝土梁表现出更大的挠度和更宽的裂缝。裂缝间混凝土承担拉力引起的拉伸刚化效应对FRP筋混凝土梁开裂后的变形行为有显著影响。本文通过在素混凝土受拉应力-应变关系中引入减弱系数,提出能反映拉伸刚化效应的新本构关系。建立有限元模型,获得与实验结果一致的变形响应行为,通过减弱系数评价了配筋率、混凝土强度、FRP筋弹性模量、混凝土中摻入纤维等对拉伸刚化效应的影响。随着配筋率和FRP筋弹性模量增大,减弱系数增大,拉伸刚化效应减弱;而增大混凝土强度或在混凝土中掺入纤维,减弱系数减小,拉伸刚化效应增强。结果表明该模型能够有效描述FRP筋混凝土梁的变形行为。

开口角度对复合材料夹芯圆柱壳自由振动的影响

翟彦春, 岳修杰, 王鹏昊, 张平, 于晓

2022, 0(2): 19-22. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.003

摘要 ( 85 )

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基于一阶折线位移模型和哈密尔顿原理,推导了复合材料夹芯开口圆柱壳结构动力学方程;探索了开口角度对结构自由振动的影响。结果表明:随着开口角度的增大,一阶模态损耗因子表现出逐渐减小的趋势,且当开口角度小于某一数值前,减小速度较快。短开口壳的一阶模态频率逐渐增大;长开口壳的一阶模态频率表现出先减小后增大的变化趋势。

各向异性层合板屈曲分析的有限差分数值求解

付为刚, 熊焕杰, 廖喆, 马骏驰

2022, 0(2): 23-30. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.004

摘要 ( 149 )

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为了准确高效求解各向异性层合板的屈曲失稳问题,首先基于有限差分法(FDM)将屈曲控制微分方程和边界条件方程进行离散化,采用模块化思想,分类建立各子模块对应的系数子矩阵,并将系数子矩阵进行合并,建立以离散结点处挠度为未知数的有限差分方程组,编制满足任意网格结点数及边界条件的有限差分求解程序。以单向轴压作用下四边简支正交各向异性层合板为例,将FDM数值解、理论解析解与有限元仿真解三者进行对比分析,验证本文FDM数值求解方法具有较高的精度且求解方便。最后,通过数值算例综合讨论铺设层数、边长比、铺设角度和铺层顺序同各向异性层合板屈曲系数之间的耦合作用规律。研究结果表明:屈曲系数随铺设层数的增加而增大,但增大的趋势逐渐减小;边长比小于1的各向异性层合板具有较好的屈曲性能,当边长比增大到一定值后,其对屈曲系数的影响几乎可以忽略不计;合理的铺设角度可以大大优化层合板的屈曲性能,对于对称角铺设层合板,其最优角度在60°附近;反对称角铺设层合板相较于对称角铺设层合板具有更强的屈曲承载能力。

外贴CFRP加固RC连续梁的弯矩重分布性能研究

周满清, 张智梅, 程雯

2022, 0(2): 31-37. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.005

摘要 ( 88 )

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利用ABAQUS建立了外贴CFRP加固RC连续梁的有限元分析模型,探讨了CFRP加固量、CFRP黏结长度及加固位置对连续梁抗弯性能和弯矩重分布特性的影响,并针对正弯矩区加固梁和负弯矩区加固梁分别建立了其跨中和支座弯矩调幅系数随CFRP加固量、黏结长度变化的计算公式,且利用已有试验数据验证了公式的正确性。结果表明:无论是正弯矩区加固梁还是负弯矩区加固梁,屈服荷载和极限荷载均随CFRP加固量、黏结长度的增加而非线性增加,且CFRP加固量对梁承载力的影响均较CFRP黏结长度更显著;经弯矩调幅系数计算公式调整后的弯矩值与试验弯矩值更吻合,说明本文建立的弯矩调幅系数计算公式有效可行。

无腹筋FRP筋梁抗剪承载力定量回归分析

崔峻强, 薛昕

2022, 0(2): 38-44. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.006

摘要 ( 116 )

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纤维增强聚合物复合材料(FRP)筋和普通钢筋的性能差异加大了混凝土梁抗剪性能的复杂性。对于无腹筋FRP筋梁的抗剪承载力评价方法,目前各国规范公式在影响变量的种类以及影响程度的评价上存在差异,因此基于各规范式的评价结果离散性大,且总体较试验结果偏保守。鉴于此,本文基于国内外184根无腹筋FRP筋梁试验数据的定量回归分析,提出了新的无腹筋FRP筋梁抗剪承载力计算公式。该公式系统且合理地评价了各变量的影响,评价结果较各规范公式更为合理精确。

耐高温复合材料舵面根部结构设计与验证

庄羊澎, 文子豪, 江晟达, 魏仲委, 赵西帅, 罗楚养

2022, 0(2): 45-51. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.007

摘要 ( 230 )

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根据舵面结构特征和复合材料成型工艺特点,首先设计了4种旨在提高根部金属结构与复合材料蒙皮之间连接强度的复合材料舵面根部结构方案,并建立了三维有限元模型,然后对各方案舵面根部处进行了失效分析,确定了在复合材料蒙皮与金属骨架处搭接垫片并增加铆钉的设计方案,最后据此方案制备了复合材料舵面并进行了常温静强度和静热联合试验验证。结果表明:采用搭接垫片和胶铆混接的方式对骨架与蒙皮根部进行加强,可大大降低树脂连接区和骨架的应力水平,提高舵面的承载能力;常温静强试验发现,舵面在150%使用载荷下,无残余变形;高温和载荷联合作用下,舵面根部结构保持完整,符合结构设计要求,验证了设计方案的有效性。

纤维增强复合材料约束海水海砂混凝土方柱极限应力及极限应变计算方法分析

李奔奔, 李鹏举, 詹瑒

2022, 0(2): 52-55. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.008

摘要 ( 103 )

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本文通过纤维增强复合材料约束海水海砂混凝土(SSC)方柱试验数据考察了3个计算模型(Lam模型、Wei模型及Lim模型)对其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,Lam模型呈现出相对较高的精度,平均绝对误差AAE最小,为12.4%,Lim模型和Wei模型的AAE分别为16.8%及18.2%。在预测极限应变的3个计算模型中,Lim模型的精度最高(AAE=14.3%),而Lam模型及Wei模型则大幅低估了纤维增强复合材料约束SSC方柱的极限应变,预测值与试验值比值的平均值Mean分别为68.1%和56.1%。故而在这3个模型中,预测极限应力时Lam模型表现出最高精度,在预测极限应变时,Lim模型表现最佳。

不同刀具对超声辅助钻削CFRP分层损伤的影响研究

蒋朕琦, 黄文健, 曹诗宇, 吴超群

2022, 0(2): 56-61. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.009

摘要 ( 90 )

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在超声辅助碳纤维复合材料(CFRP)制孔工艺中,刀具的选择对最终的成孔质量有显著的影响。为了分析不同类型刀具对超声辅助钻削CFRP分层损伤的影响,在不同主轴转速和进给速度的条件下,分别选用空心钻、麻花钻、改进麻花钻、匕首钻进行制孔实验。结果表明:空心钻钻削时加工参数对轴向力和出口分层面积的影响显著,使用时应采用较大的主轴转速与较小的进给速度,其余三种刀具引起的分层面积随主轴转速的增加无明显变化;依据其出入口分层形态的特点,麻花钻和改进麻花钻适用于对加工质量要求较低、对加工效率有一定要求的场合,匕首钻适用于对加工质量要求严格、加工效率适中的薄板加工的场合。

碳纳米管对聚酰亚胺同质复合膜热膨胀系数的影响

王克杰, 陆诚, 邵慧奇, 蒋金华, 陈南梁

2022, 0(2): 62-67. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.010

摘要 ( 110 )

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聚酰亚胺(PI)复合材料有着优异的性能和广泛的用途,为满足其不同的使用场景和热稳定性能需求,本文在利用热亚胺化工艺制备PI同质复合膜的过程中,在PAA树脂基体中加入了不同含量的碳纳米管(CNTs),测试了其力学性能、热稳定性和热膨胀系数(CTE)等。结果表明:当CNTs含量为0.1%时,复合膜材料拉伸强度和弹性模量分别提高5.6%和8.3%,当CNTs含量增加时,拉伸强度和弹性模量开始下降;CNTs的加入并未改变复合膜材料的分子链段,对复合膜热稳定性影响不大;CNTs加入后,导致树脂基体在纤维间的分布不均匀,甚至堆积在复合膜的表面;CNTs对降低复合膜的CTE有着显著影响,当CNTs含量为0.1%时,复合膜的CTE最低。

PAN/BF包芯纱增强复合材料层间剪切性能研究

曲艳萍, 田荟霞

2022, 0(2): 68-74. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.011

摘要 ( 141 )

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玄武岩纤维(BF)增强复合材料被广泛应用于汽车、航空、工业建筑等领域,但由于层间性能较差,导致复合材料的整体机械性能不佳,使用过程中易分层,缩短其使用寿命。为了提高玄武岩纤维增强复合材料的层间性能,本文采用共轭静电纺丝技术将聚丙烯腈(PAN)纳米纤维包覆在BF表面制备了PAN/BF包芯纱,再将其织造成织物并与树脂复合固化得到复合材料。采用短梁剪切试验对复合材料的层间剪切性能进行了测试分析,结果表明:引入纳米纤维之后,单向带复合材料和平纹复合材料的层间剪切强度分别提高了11.5%和8.72%;在试验加载过程中,平纹织物增强复合材料要比单向带织物增强复合材料承受载荷更大,受力情况更为复杂,其载荷-位移曲线呈现台阶式下降现象。

低速冲击下复合材料组合板新型耗能模式研究

王涛, 杨勇新

2022, 0(2): 75-81. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.012

摘要 ( 81 )

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目前对复合材料抗冲击性能的研究大部分都是从材料耗能的角度出发开展的,主要的耗能形式是材料的变形和断裂。从材料与结构一体化的思路出发,本文提出一种新的复合材料组合板结构,该结构在一般的抗冲击复合材料板(本结构中称为迎冲面板)的基础上,增加置于组合板内部的滑动体。在低速冲击作用下,这种结构形式可以在材料的变形耗能基础上增加滑动体运动耗能,提高组合板的抗冲击能力。在既有研究的基础上,针对本结构型式的特点,考虑冲击能量、滑动体的滑动角度、滑动体的质量、迎冲面板的厚度等四个主要因素对结构耗能效果的影响进行数值分析研究。采用ABAQUS软件进行数值模拟建模、计算,并对模拟的结果进行关联度分析,结果表明:通过滑动体运动耗能这一新型耗能模式是可行的。与滑动体耗能效果的最佳关联因素顺序依次为滑动角度、滑动体质量、冲击能量、迎冲面板厚度。其中,滑动体消耗的能量与冲击能量呈正相关,与滑动角度呈正相关,与滑动体质量呈负相关,与迎冲面板厚度呈负相关的关系。最后,建立了基于多元线性回归方法的滑动体消能计算公式。

氨基化碳管薄膜对碳纤维复合材料层间性能的影响

冯旭, 刘玲

2022, 0(2): 82-88. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.013

摘要 ( 115 )

PDF (10634KB) ( 52 )

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碳纤维增强树脂基复合材料层合板应用广泛,其薄弱的层间性能极易引起分层损伤。为提高层合板的层间抗剪能力,本文制备了未功能化碳钠米管(CNT)和氨基功能化碳纳米管(NH₂-CNT)薄膜,研究了其对层合板Ⅱ型临界应变能释放率(G_ⅡC)和层间剪切强度(ILSS)的影响。结果表明,与空白层合板相比,当薄膜厚度为31.1 μm时,CNT薄膜使G_ⅡC和ILSS分别降低了19.2%和6.59%,而NH₂-CNT薄膜可以使G_ⅡC和ILSS分别提高51.7%和15.4%。NH₂-CNT与环氧形成的良好界面,是NH₂-CNT薄膜使层合板层间剪切性能提升的主要原因。

风电叶片疲劳测试中的等效载荷研究

胡杰桦, 邓航, 梁鹏程, 肖琼, 冯学斌, 凡盛

2022, 0(2): 89-93. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.014

摘要 ( 192 )

PDF (4056KB) ( 216 )

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风机叶片在运转过程中,受到不断变化的时域载荷,将时域载荷转换为可在试验条件下加载的等寿命测试载荷是评估叶片疲劳寿命的关键。以某型号风机叶片为研究对象,用Bladed软件计算叶片在生命周期内的时域载荷,再通过采用雨流计数法将时域载荷转换为不同平均值下不同幅值的马可夫矩阵载荷,然后通过不考虑均值载荷转换方式将各个截面载荷转换为等效载荷,但这种不考虑均值载荷对复合材料的疲劳产生影响的等效方法会产生较大的误差。针对上述问题,提出一种考虑均值载荷的等效转换方式,将各个截面载荷转换为等效载荷,最后设计该叶片疲劳测试实验方案,更符合风场实际情况,更能充分考核叶片结构的疲劳性能。

石英纤维/SiO₂复合材料透波罩吸水增重对电性能的影响

潘蕊, 周永鑫, 那伟, 韩子建, 张嵒, 石宝丽

2022, 0(2): 94-98. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.015

摘要 ( 115 )

PDF (3974KB) ( 86 )

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受制备工艺的影响,石英纤维/SiO₂复合材料透波罩具有较高的比表面积,因此在空气中易吸收水分。本文通过研究吸水对石英纤维/SiO₂复合材料试片及透波罩整罩电性能的影响,给出透波率下降与吸水增重的规律;通过对透波罩整罩吸水过程的研究,给出了吸附动力学模型。结果表明:吸水后材料的介电常数变化较小,但损耗角正切呈倍数增加;在20 ℃~30 ℃、65%~75%相对湿度环境条件下,透波罩未采取防潮措施时,在2周内达到吸附平衡,平衡吸附量为0.083 kg/m²,最大吸水率为6.3‰,16 GHz下透波率下降7%~11%,之后基本保持不变。透波罩整罩吸水过程符合Langergren赝二级吸附动力学模型。基于这些特点,石英纤维/SiO₂复合材料透波罩在使用时必须采取一定的防潮措施,以降低材料对空气中水分的吸附能力,保持透波性能稳定。

耐碱玻璃纤维网格砂浆板拉伸性能的试验研究

赵洪飞, 张译文, 王卫东, 邓宗才, 赵洋, 刘青, 刘皓

2022, 0(2): 99-106. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.016

摘要 ( 82 )

PDF (3665KB) ( 100 )

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为掌握玻璃纤维网格增强砂浆薄板单轴拉伸力学特性,试验共设计两组玻璃纤维网格增强砂浆薄板的受拉试件,一组采用普通砂浆基体,另外一组采用环氧砂浆基体,两组均含有不同层数的玻璃纤维网格。试验参数为纤维网格层数、砂浆种类及龄期。通过对玻璃纤维网格增强砂浆薄板进行拉伸试验,观察破坏过程和破坏形态,研究试验参数变化对板拉伸力学性能的影响。试验结果表明:玻璃纤维网格可有效提高试件的承载力及变形能力,网格层数为1、2、3、4层的普通砂浆试件的峰值荷载较未配置纤维网格试件分别提高16%、107%、203%和348%,网格层数为1、2、3、4层的环氧砂浆试件的峰值荷载较未配置纤维网格试件分别提高41%、50%、130%和249%,纤维网格层数增加,薄板拉伸峰值荷载增加明显;当纤维网格层数相同时,环氧砂浆试件峰值荷载及其对应的变形和破坏时的极限变形较普通砂浆试件大;与龄期为28 d比较,龄期为365 d时,1、2、3、4层纤维网格普通砂浆的峰值荷载分别提高34%、37%、29%和7%,1、2、3、4层纤维网格环氧砂浆试件的峰值荷载分别提高了26%、36%、40%和21%。

复合材料T型长桁模具形式研究

安慎慎, 闫超, 苏佳智, 陈萍

2022, 0(2): 107-111. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.017

摘要 ( 156 )

PDF (5213KB) ( 85 )

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本文探索了碳纤维增强环氧树脂体系复合材料T型长桁的成型模具形式。通过对零件厚度、外形质量的表征,探索了正T及倒T放置两种模具组合形式对T型长桁成型质量的影响。结果表明,正T放置的模具组合形式更有利于提高T型长桁的厚度均匀性,而倒T放置模具组合形式制造的T型长桁的回弹和扭转变形程度更小。

耐温350 ℃以上复合材料外涵机匣模拟件的研制

梁恒亮, 陈玉龙, 周洪飞

2022, 0(2): 112-118. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.018

摘要 ( 124 )

PDF (7113KB) ( 75 )

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采用热压罐工艺制备的复材外涵机匣模拟件为大尺寸带翻边筒体结构,由于结构比较复杂,且选用的聚酰亚胺BMP370树脂基复合材料受成型所需温度较高、压力较大和固化时间较长等不利因素影响,结构质量难以保证。本文从封装技术、模具制造技术和工艺等方面进行优化,较好地控制了外涵机匣模拟件的成型质量。通过无损检测、随炉件力学性能测试、T_g测试和热强度测试,结果表明:机匣无损检测合格,孔隙率控制在2%以下,高温力学性能达到室温的50%以上,T_g测试结果为430.2 ℃,满足设计要求。

玻璃纤维增强聚合物锚杆蠕变性能研究进展

井德胜, 白晓宇, 王海刚, 张明义, 李翠翠, 焦玉进, 闫君, 王忠胜

2022, 0(2): 119-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.019

摘要 ( 112 )

PDF (2913KB) ( 112 )

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玻璃纤维增强聚合物(GFRP)锚杆与传统钢筋锚杆相比具有优异的力学性能,有钢筋锚杆不具备的抗酸碱腐蚀性能,与其他复合材料锚杆相比,GFRP锚杆凭借自身价格低、工程性价比高等优势已在岩土锚固中崭露头角,成为钢筋锚杆的潜在替代品。本文主要介绍了GFRP锚杆在蠕变试验研究、理论分析及数值模拟等方面的研究成果。总结了GFRP锚杆蠕变力学模型和持续应力或循环荷载下的蠕变特性,归纳了GFRP锚杆蠕变性能的主要影响因素,并对GFRP锚杆长期效能以及基于试验数据进行的耐久性数值模拟分析成果进行论述。最后分析了GFRP锚杆现有蠕变性能研究中存在的不足,并对GFRP锚杆在耐久性方面以及岩土锚固领域的未来发展提出合理性建议。

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