复合材料科学与工程

余芬, 刘国峰, 何振鹏, 金伟, 黎柏春, 孙爱俊, 钱俊泽, 张桂昌

2022, 0(3): 5-14. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.001

摘要 ( 195 )

PDF (5780KB) ( 138 )

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本文对采用沉头螺栓连接的复合材料层合板的损伤扩展过程和强度进行了数值研究。建立一个新的三维渐进损伤模型,来预测在扭矩和温度的共同作用下复合材料沉头螺栓搭接结构的极限承载能力和渐进损伤扩展。该模型将考虑热应变的复合材料本构方程、失效准则和材料退化准则、温度诱导的刚度和强度修正参数整合到VUMAT子程序中,采用热力耦合方法进行准静态模拟。研究结果表明:渐进损伤模型能够准确地预测温度和螺栓扭矩对该搭接结构极限承载能力的影响,能够清晰地反映失效机理和损伤扩展过程。随着温度的升高,当扭矩超过15 N·m时,搭接结构的极限承载强度不断减小。层合板纤维损伤主要受0°方向载荷影响,层合板基体损伤主要受90°方向载荷影响,失效单元沿施载方向扩展至自由边界失效。

不同热环境下复合材料固化过程中的厚度效应

陈淑仙, 包正弢, 张晓龙, 闫登杰

2022, 0(3): 15-23. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.002

摘要 ( 102 )

PDF (3104KB) ( 135 )

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为研究厚度对纤维增强环氧树脂基复合材料热固化质量的影响,建立了基于材料性能时变特性的热固性树脂基复合材料层合板热固化的三维非稳态有限元模型和数值计算方法,并采用已有实验结果验证了数值模型的正确性。数值计算了不同厚度的层合板在不同热环境下固化过程中的温度、固化度和残余应力演变过程,研究了厚度参数对固化过程中层合板内温度、残余应力分布及固化时间的影响。研究结果表明:在第一和第二种热控制环境下,随着层合板厚度的增大,层合板内最高温度值增大,残余应力增大,但层合板固化完成时间接近;在第三类热控制环境下,在一定范围内增大层合板厚度,层合板内最高温度值增大,残余应力增大,层合板固化完成时间延长,继续增大层合板厚度,固化时间缩短。对于本文所研究的大厚度层合板,与其他两种热控制环境相比,采用双面加热的第一类热控制环境进行热固化不仅可大大减小层合板内最高温度和残余应力,还可缩短固化时间。

Abaqus二次开发在变刚度层合板屈曲分析中的应用

董明军, 曹忠亮, 韩振华, 范广宏

2022, 0(3): 24-28. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.003

摘要 ( 202 )

PDF (9097KB) ( 132 )

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变刚度层合板的屈曲性能是分析其力学性能的主要评判标准之一。本文基于Python语言对Abaqus进行二次开发,建立Python交互式界面,构建变刚度开孔/不开孔层合板的有限元模型,达到快速建模、自动提交分析和采集目标数据的目的。最后,通过算例讨论了二次开发模型的调用、数据的读取以及结果的输出,验证了二次开发的可行性。本研究为后续Python的变刚度层合板屈曲仿真二次开发应用提供了借鉴思路,具有一定的指导意义。

纤维金属层板铆接孔微动疲劳性能优化及轻量化设计

曾鑫, 王小小, 平学成, 郭倩, 黄琦恒

2022, 0(3): 29-37. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.004

摘要 ( 200 )

PDF (2691KB) ( 62 )

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为了改善纤维金属层板铆接结构的微动疲劳性能,构建了基于临界平面法的Smith-Waston-Topper(SWT)模型用于预测裂纹萌生部位和寿命。分析了四个设计变量(板宽W/D、端距E/D、预紧力P和摩擦系数f)对层板铆接孔微动疲劳特性的影响,结果表明:疲劳损伤参数在铆钉与纤维金属层板接触边缘处最大;随着板宽和端距的增大,SWT疲劳损伤参数减小;预紧力和摩擦系数的增大,有助于SWT疲劳损伤参数减小和比载荷的增大。依据这些设计变量进行了四因素三水平二次正交组合试验设计,SWT疲劳损伤参数比优化前减小了47%。最后,在给定临界SWT损伤参数情况下,根据重量和临界载荷等因素进行轻量化设计,选择合理的Glare层板铺层方式。

基于改进SSD的风机叶片缺陷检测

朱佳伟, 文传博

2022, 0(3): 38-44. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.005

摘要 ( 273 )

PDF (6796KB) ( 165 )

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针对传统算法检测精度低、耗时长的问题,本文提出一种基于改进SSD的风机叶片缺陷检测方法。首先,采用霍夫变换对处于倾斜状态的风机叶片进行校正,并裁剪为统一的大小形成完整的数据集。接着,通过两种残差网络(ResNet,ResNext)替代传统VGG作为SSD算法的Backbone进行特征提取。最后,通过预测网络实现缺陷类别和边界框定位的预测。实验结果显示,改进SSD算法较传统SSD算法在mAP值上提升了7%,同时,检测效率也大幅提升。

基于化学修饰氧化石墨烯自组装沉积法制备的彩色碳纤维性能研究

侯静, 杨晨, 刘亲亲, 雷艳妮, 许培俊

2022, 0(3): 45-50. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.006

摘要 ( 123 )

PDF (3875KB) ( 45 )

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碳纤维因其高比强度、比模量等优异性能而广泛应用于航空、汽车、能源等领域,如何在保持碳纤维复合材料优异力学性能的同时兼顾其功能性和智能性逐渐成为复合材料未来的发展方向。氧化石墨烯(GO)水溶液在碳纤维上通过沉积自组装能够形成类似一维光子晶体的结构色涂层,但该GO涂层与碳纤维间仅存在物理吸附力,界面性能不足。本文利用硅烷偶联剂(APTES)对GO进行化学修饰,将修饰后的GO(mGO)同样通过自组装的方法在碳纤维表面沉积制备出彩色碳纤维。探究APTES含量对mGO-CF界面剪切强度、拉伸力学性能的影响及生色机理。结果表明,APTES中氨基官能团的引入能够显著改善碳纤维与mGO的界面黏结性能,且多层膜结构的mGO可以弥补碳纤维表面缺陷,提高单丝碳纤维强度。与GO-CF相比,mGO-CF-15的单丝拉伸强度提高了12.4%,界面剪切强度提高了13.5%。

波浪荷载作用下水上太阳能复合材料浮体系统受力分析

夏国龙, 方海, 韩娟, 李晓龙

2022, 0(3): 51-55. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.007

摘要 ( 89 )

PDF (3283KB) ( 87 )

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针对传统聚乙烯、聚氯乙烯等浮体结构强度低、耐久性差、抗风浪能力差、后期维护成本高等问题,该文提出一种水上太阳能光伏发电复合材料浮体结构。该结构包括采用真空导入成型工艺制备的浮体主梁、次梁以及采用拉挤成型工艺制备的竖向支撑等构件。该文对结构进行了静载浮力、风力受力分析、浮体结构波浪浮力计算以及浮体系统强度校核。结果表明,河流最大水深在5.06 m以内时,浮体主梁所受最大向上波浪浮力压强为50 kPa,复合材料浮体系统主梁满足波浪荷载作用下的承载力要求,且浮体系统具有抵抗波浪破坏的能力,这为之后复合材料浮体结构应用于漂浮式光伏电站提供了参考。

阻尼涂料对玻璃钢板振动影响的试验研究

杨卓懿, 王一波, 周凤磊, 宋磊, 欧书博, 陈书虎

2022, 0(3): 56-59. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.008

摘要 ( 87 )

PDF (1305KB) ( 106 )

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在结构件上敷加阻尼材料能够实现减振的效果,近年来通过对阻尼涂料的研究,敷加阻尼涂料减振成为一种新兴的减振方法。本文通过激振器进行扫频试验,分别对敷加阻尼涂料、丁基橡胶阻尼层的玻璃钢板振动特性进行研究,对比分析了敷加上述两种阻尼材料后玻璃钢板各阶模态固有频率和阻尼损耗因子以及插入损失,进而得到其振动性能。结果表明,两种方式均可以达到减振的效果,但在玻璃钢板上敷加阻尼涂料对结构整体质量影响较小并且减振效果更加理想。

基于纤维金属加筋民机壁板的压缩强度预测模型

刘佳, 王雪华, 白承正

2022, 0(3): 60-65. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.009

摘要 ( 88 )

PDF (4233KB) ( 76 )

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基于力矩分配法,研究了受轴压载荷下纤维金属加筋民机壁板的屈曲分析理论,分析计算了该民机壁板的压缩强度,并提出了一个民机壁板后屈曲极限强度的理论预测模型。通过与民机纤维金属加筋壁板压缩强度破坏试验结果对比,发现模型理论预测值与试验值吻合较好,偏差为3.01%,所建强度预测模型的精准性得到查验。此外,利用有限元方法分析了纤维金属加筋民机壁板的屈曲及后屈曲承载能力,模拟了壁板的应力集中区和失效过程,结果表明该壁板出现局部屈曲后拥有理想的后屈曲受载能力。本研究能为加筋民机壁板构型的材料选取、工艺性能的提升及预测纤维金属民机加筋壁板压缩强度值提供一定理论依据及试验数据,并可在民机预研设计阶段替代壁板大型结构件压缩试验,减少预研试验的成本与周期。

CNT/EMAA/环氧胶膜对复合材料裂纹的电热修复研究

王维, 欧阳琴, 刘玲

2022, 0(3): 66-72. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.010

摘要 ( 204 )

PDF (8680KB) ( 123 )

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脆性环氧树脂复合材料在外载荷作用下易产生裂纹,从而影响材料的力学性能和完整性,如果能在裂纹发生时及时进行修复,可提高材料的可靠性和使用寿命。本文以热塑性聚乙烯-甲基丙烯酸(EMAA)为裂纹修复剂,将其和碳纳米管(CNT)引入环氧树脂,制备了具有裂纹电热修复功能的CNT/EMAA/环氧胶膜。首先研究了其对自身拉伸强度的修复效率,然后将其作为胶层粘接复合材料T型接头,研究其对T型接头剥离损伤的电热修复效率。结果表明,通电加热作用下,CNT/EMAA/环氧胶膜对拉伸强度的修复率为73.8%。并且,T型接头发生完全剥离破坏和初始损伤剥离裂纹后,其对应载荷的电热修复率分别为75.0%和121.2%。表明本文制备的CNT/EMAA/环氧胶膜对裂纹具有较好的电热修复性能,与传统的烘箱加热基本具有相同的修复效果。

钢筋与FRP筋混合配筋混凝土梁最大裂缝宽度计算

周满清, 张智梅, 魏久燚

2022, 0(3): 73-80. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.011

摘要 ( 93 )

PDF (1127KB) ( 57 )

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为研究钢筋与纤维增强聚合物复合材料 (Fiber Reinforced Polymer,简称“FRP”)筋混合配筋混凝土梁的裂缝计算问题,首先,利用55组国内外混合配筋梁的裂缝相关试验数据分析现有混合配筋梁平均裂缝间距计算公式的适用性,并借助MATLAB对55组试验数据进行多元回归分析,修正了现有公式中的相关待定系数,建立了混合配筋梁平均裂缝间距计算公式,并给出FRP筋相对黏结特性系数v_i的建议值。其次,分析确定了影响裂缝宽度计算的纵筋应变不均匀系数ψ的计算方法和短期荷载作用下构件受力特征系数α_cr取值,同时引入最大裂缝宽度修正系数k₃,并利用其中45组裂缝宽度相关试验数据分析确定了k₃的取值,从而建立了最大裂缝宽度计算公式。与试验数据的对比分析结果表明,本文建立的混合配筋梁平均裂缝间距和最大裂缝宽度计算公式均具有较好的适用性。

表面粘贴SMA片驱动器复合梁的变形性能试验研究

林再伟, 袁国青

2022, 0(3): 81-86. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.012

摘要 ( 169 )

PDF (6971KB) ( 61 )

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将SMA片状驱动器粘贴于复合材料结构表面制成的可变形结构有诸多优势,但也存在如何确保胶接质量和设计许用可回复应变等问题。本文首先采用合适的红外激光参数对SMA片进行了表面处理,然后通过引入预应变制得SMA片状驱动器,进而将之粘贴于复合材料板梁的上表面制得了可变形复合梁,并对不同预应变情况下的变形性能进行了试验研究。经与仅做丙酮擦拭表面处理复合梁的驱动变形性能对比,结果表明:合适的激光表面处理可以使复合梁在胶层不失效的前提下获得更大的变形能力。但随着预应变的增大,在驱动过程中复合梁的胶层仍会发生大面积的内聚破坏。

干法缠绕用碳纤维增强环氧树脂预浸纱线的设计及其性能研究

阳泽濠, 陶雷, 戚亮亮, 李朝阳, 李新河, 代俊, 刘勇, 张辉

2022, 0(3): 87-95. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.013

摘要 ( 218 )

PDF (1681KB) ( 145 )

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干法缠绕能有效提高复合材料制品的质量稳定性,是目前复合材料制备的研究重点之一。本文开发了一种适用于干法缠绕的环氧树脂体系,并采用热熔法制备出可室温储存的预浸纱线。通过对环氧树脂工艺性能、力学性能、玻璃化转变温度和非等温流变曲线的研究,确定了树脂体系的组分配方。与此同时,系统地研究了预浸纱线的室温储存性能。研究结果表明,所开发的最优环氧树脂体系在满足干法缠绕工艺性能的同时具有优异的力学性能,拉伸强度为69 MPa,弯曲强度为109 MPa,断裂韧性与冲击强度分别为1.36 MPa·m^1/2和42.8 kJ/m²。由该环氧树脂体系制备的预浸纱线的储存稳定性良好。在室温储存60 d后,预浸纱线的工艺性能及环氧树脂的力学性能没有发生明显变化。

新型树脂基复材热防护结构制造技术研究

梁恒亮, 陈静, 刘宇, 张寿春

2022, 0(3): 96-103. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.014

摘要 ( 166 )

PDF (10737KB) ( 65 )

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采用石墨薄膜与BMP350聚酰亚胺复材共固化制备热防护结构,由于石墨薄膜需在3 000 ℃条件下制备,导致其表面基本不含极性官能团,与复材复合困难;本文基于石墨薄膜表面处理技术和界面控制技术优化,较好地制备了树脂基复材热防护结构典型平板件。无损检测、石墨薄膜与复材结合强度试验和单面热冲击测试结果表明:热防护结构无损检测合格,满足设计要求的气流冲刷试验,拉脱破坏发生在薄膜本体,通过400 ℃、547 h和800 ℃、30 min热冲击。

玄武岩纤维复合材料疲劳性能及其温度影响

赵古先, 曹升虎, 张健

2022, 0(3): 104-109. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.015

摘要 ( 127 )

PDF (6546KB) ( 104 )

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为了研究玄武岩纤维(BF)增强环氧树脂单向复合材料在不同环境温度下的拉伸疲劳性能,进行了一系列试验测试和寿命预测。首先,通过静态拉伸试验获得了它在室温下的强度极限σ_m;然后,在三个环境温度(室温、50 ℃和70 ℃)下分别进行四个应力水平(75%σ_m、70%σ_m、65%σ_m和60%σ_m)的拉-拉疲劳试验,测得了相应应力水平下的疲劳寿命,获得了相关的疲劳刚度数据;最后,基于指数形式的S-N曲线预估了其在不同环境温度条件下的疲劳极限。结果表明:同一环境温度下,玄武岩纤维复合材料疲劳寿命随着应力水平降低呈规律性增加;相同应力水平下,其疲劳寿命随着温度的升高呈明显降低趋势,且随着温度增加,疲劳破坏断口纤维拔丝明显增多;在拉-拉疲劳的初始阶段,温度越高,刚度退化越明显,退化速率越大;比较发现,室温条件下玄武岩纤维复合材料疲劳性能优于玻璃纤维复合材料。

平纹玻纤/MC尼龙复合材料熔融黏合深度与搭接方式对力学性能的影响

郭伟健, 陶友瑞, 董丽君, 吴安如

2022, 0(3): 110-114. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.016

摘要 ( 214 )

PDF (3301KB) ( 91 )

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平纹玻纤/MC尼龙复合材料具有比强度高、耐腐蚀、可回收等优点,是未来汽车领域值得关注的材料之一。本文采用实验方法研究了熔融连接工艺下平纹玻纤/MC尼龙复合材料搭接方式与融合深度对连接接头强度的影响。实验表明,相同工艺参数下,双搭接对接的搭接方式具有最好的力学性能,单搭接接头的拉伸剪切强度随熔融深度的增加呈现先升后降的趋势,搭接处熔融深度为2 mm时剪切强度达到最佳,为19.24 MPa。通过Micro-CT技术对不同熔融深度的单搭接试样进行扫描,结果显示:随着熔化深度的增加,搭接界面基体逐渐减少。失效形式随熔融深度增加依次为尼龙基体的塑性变形和开裂、尼龙基体的开裂与玻璃纤维与尼龙基体的脱黏、玻璃纤维与尼龙基体的脱黏。

轻量化复合电杆结构设计及应用研究

柯锐, 朱晓东, 梅端, 何昌林, 吴雄, 吴峰, 沈帆

2022, 0(3): 115-120. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.017

摘要 ( 255 )

PDF (2769KB) ( 56 )

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为开发一种轻量化、结构性能稳定和耐久性的复合电杆,本文以沿海地区山地环境试点工程为背景,从输电电杆各种工况荷载计算入手,建立有限元分析模型,对复合电杆进行结构设计。以改性聚氨酯树脂为基体材料,以玻璃纤维为增强材料,通过小角度锥型缠绕工艺,制备一种上下两节的分段式结构12 m长复合电杆,开展了全尺寸电杆力学真型荷载性能评估及材料耐候等系列老化试验。结果表明,基于仿真计算制备的插接系数2.0的复合电杆在强度、挠度上满足实际工况应用需求,同时具有优良的耐候性。分段式结构电杆尺寸小,更轻质,将极大提高施工运输便利性,为配电网线路建设提供新思路。

蜂窝夹层结构冲击试验与仿真研究综述

李宗权, 张胜兰, 杨稳

2022, 0(3): 121-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.018

摘要 ( 161 )

PDF (2428KB) ( 523 )

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蜂窝夹层结构因优异的耐撞性能和吸能能力,被广泛用于航空航天、汽车工业和船舶等领域。然而,蜂窝夹层结构在服役过程中很容易遭受到各种速度的冲击,这些冲击可能会导致蜂窝夹层结构性能的下降甚至损坏。因此对蜂窝夹层结构进行试验以及仿真分析,研究蜂窝夹层结构的抗冲击性能以及冲击过程十分重要。本文从蜂窝夹层结构冲击试验及仿真方面对国内外的研究成果进行了归纳和总结,在试验研究中总结了低速冲击和高速冲击的试验方案,包括摆锤冲击试验、落锤冲击试验以及空气炮试验。在仿真方面,从蜂窝夹层结构的建模、材料的损伤失效、冲击过程以及结构参数对冲击性能的影响等方面进行了汇总分析。最后对蜂窝夹层结构的冲击试验及仿真的研究趋势进行了展望。

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