复合材料科学与工程

宋峥硕, 铁瑛, 章成

2022, 0(4): 5-10. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.001

摘要 ( 100 )

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为了研究复合材料拉伸损伤扩展的非线性超声检测评定方法,基于非线性Lamb波的数值与试验方法,对正交异性碳纤维增强环氧树脂复合材料拉伸损伤扩展进行了检测。针对各向异性复合材料层合板,建立了考虑拉伸载荷加载材料损伤演化和Lamb波传播的非线性数值多载荷步模型。利用Hashin准则预测了层合板受拉产生的损伤演化,通过去震荡阻尼和位移载荷来模拟Lamb在板中的传播,接收时间位移信号并提取计算出相对非线性系数,从而评价材料的损伤扩展程度。通过拉伸试验机测试复合材料试件拉伸力学性能,并通过RAM-5000 SNAP非线性检测系统对损伤后的试件进行检测,提取高次谐波信号,对数值计算结果进行验证。结果表明,材料受到拉伸损伤后,Lamb波在板中的传播会产生明显的非线性响应;在未产生宏观断裂前,拉伸位移、损伤程度与非线性系数呈正相关;试验与仿真的结果有较好的一致性。因此非线性系数可以作为拉伸损伤检测的一个评价指标。

基于物理中面和Levinson三阶理论FGM圆板固有频率

陈宇, 李清禄, 张靖华

2022, 0(4): 11-17. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.002

摘要 ( 89 )

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基于Levinson三阶剪切理论,利用微分求积法研究了功能梯度材料(FGM)圆板的自由振动问题。假设功能梯度材料性质只沿板厚度方向,推导出了问题的控制微分方程,然后利用物理中面的概念,消除了由于材料的横向非均匀性引起的本构方程中拉-弯曲耦合效应,从而使原本非常复杂的控制方程得以简化。用微分求积法(DQM)获得了FGM圆板横向振动的无量纲频率,并与一阶剪切理论下FGM圆板的固有频率进行了比较。通过算例说明了DQM法求解三阶剪切理论FGM圆板的有效性,丰富了Levinson三阶剪切理论的研究成果。数值结果表明:对固支FGM圆板,一阶剪切理论解略微高于Levinson三阶剪切理论给出的解答,而简支FGM板的情况则相反。在此基础上,本文详细讨论了材料梯度指数等各种因素对FGM复合材料圆板固有频率的影响。

基于柔性结点梁单元和分层法的石墨烯/环氧树脂纳米复合材料力学性能预测

彭昶玮, 黄君, 吴宇, 叶太智, 黄立新

2022, 0(4): 18-26. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.003

摘要 ( 83 )

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通过建立三明治代表体单元的有限元模型,对石墨烯/环氧树脂纳米复合材料进行力学性能分析与预测。在有限元建模中,采用柔性结点梁单元模拟石墨烯结构,采用分层法处理材料属性梯度变化的黏结界面层,采用8结点六面体实体单元离散环氧树脂基体。首先通过与文献给出的石墨烯杨氏模量实验值和模拟计算值对比,确定柔性结点梁单元的柔性系数,然后在不考虑黏结界面层的情况下,预测石墨烯/环氧树脂纳米复合材料的杨氏模量E_cx,预测结果与混合率(Role of Mixture,简称“ROM”)公式的计算结果非常吻合,验证了本文提出方法的正确性和可靠性。通过杨氏模量E_cx和剪切模量G_xy的数值算例,讨论了分层法处理材料属性梯度变化的黏结界面层的收敛性,结果表明当黏结界面层划到8层时,已经得到很好的收敛结果。当考虑黏结界面层时,杨氏模量E_cx的预测结果大于ROM结果,并且在黏结界面层材料属性指数函数分布情况下,E_cx计算值比ROM值更接近实验值,验证了考虑黏结界面层的必要性。

风电叶片延长节结构胶疲劳有限元分析方法研究

袁巍华, 张菊芳, 陈文光, 李军向

2022, 0(4): 27-31. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.004

摘要 ( 128 )

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风电叶片延长是在低风速区提高风力发电机年发电量最有效的方法,目前普遍采用结构胶粘接的方式实现叶片与延长节的连接,其疲劳性能决定了延长节运行的稳定性,高效准确的疲劳分析方法对工程应用尤为重要。为此,通过有限元方法,分别建立了全尺寸壳单元、叶尖局部实体单元和全尺寸壳与实体单元结合模型。研究结果表明,应变等效剪切应力的方法偏于保守,而壳与实体单元结合模型方法是一种相对高效准确的风电叶片延长节结构胶疲劳强度分析方法。基于此方法计算了某实际运行风电叶片延长节结构胶的疲劳强度,满足GL标准要求。

全复合材料太阳能无人机结构设计与分析

刘峰, 闫清云, 王卓煜

2022, 0(4): 32-39. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.005

摘要 ( 205 )

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设计了一款常规气动布局三机身结构,最大起飞重量为40 kg的复合材料太阳能无人机。基于总体结构设计与气动性能分析,建立了整机有限元模型。基于结构有限元分析,对机翼、平尾、垂尾、太阳能电池组件进行了强度、刚度、稳定性校核。强度校核时采用了最大应力强度准则。计算表明:在设计过载系数为2.5、安全系数为2.0的条件下,无人机外侧翼段、内侧翼段、平尾、中部垂尾、外侧垂尾的强度裕度依次为2.4、0.48、2.13、1.84、1.94,满足强度要求。为提高机翼上蒙皮稳定性,优化后的机翼铺层方案比初始铺层方案增重约12.3%。太阳能电池板贴覆于机翼上翼面,强度校核满足设计要求。

高温固化松香基环氧树脂碳纤维增强复合材料性能研究

刘燕峰, 刘青曼, 陈旭

2022, 0(4): 40-44. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.006

摘要 ( 90 )

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为了响应我国碳达峰和碳中和的环境目标,本文将生物质马来海松酸缩水甘油酯环氧树脂、石油基双酚A型环氧树脂E-54和固化剂DDS复配,研究高温固化松香基环氧树脂及其复合材料的热和力学性能。结果表明:固化后的环氧树脂具有较高的力学性能和热失重温度,配方DGE树脂固化后玻璃化转变温度为207 ℃,拉伸强度为87.3 MPa,拉伸模量为3.52 GPa,断裂伸长率为4.38%,5%热分解温度约为297 ℃;以DGE/CCF300预浸料制备的复合材料层合板干态玻璃化转变温度为207 ℃,湿态玻璃化转变温度为170 ℃,干态湿态力学性能与已经应用于飞机结构件的基于5222/HT3复合材料性能相当。

纤维增强氧化铝陶瓷复合材料工艺及性能研究

王得盼, 梁森, 周越松, 刘龙

2022, 0(4): 45-49. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.007

摘要 ( 209 )

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本文采用球磨的方式将氧化铝纤维粉末均匀分散在氧化铝陶瓷浆料中,利用喷雾造粒塔造粒、干压成型后进行常压烧结。探究氧化铝纤维粉末的添加量对氧化铝纤维/氧化铝陶瓷复合材料的性能及微观结构的影响规律,以及陶瓷材料制作的工艺过程中造粒粉粒径的大小、干压成型过程中压力的大小和保压时间对复合材料性能的影响规律。结果表明:当纤维含量为10%时,材料的抗弯强度、断裂韧性和硬度达到最大值,相较于纤维含量为0%时的纯氧化铝陶瓷,抗弯强度提高了17.15%,断裂韧性提高了30.33%,但材料致密度在纤维含量为5%时达到最大值。在干压成型过程中,模压的压力越大,材料的抗弯强度越大,保压时间为8 min时,材料性能最佳,再延长保压时间对材料性能基本没有提高。

玻璃钢双体船结构强度直接计算研究

甄春博, 周清婉, 王晓鹏, 于鹏垚, 张秀岩

2022, 0(4): 50-55. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.008

摘要 ( 159 )

PDF (6051KB) ( 108 )

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玻璃纤维增强复合材料有着质量轻、强度高的优良品质,特别适用于建造高速游艇等快速性高的小型船舶。然而关于玻璃纤维增强复合材料的船舶强度分析的研究相对较少,相关规范也不够完整。本文首先给出了采用夹层结构方法模拟玻璃纤维增强复合材料的建模方法;然后以某玻璃钢双体船为例,基于有限元的船舶强度直接计算理论,参照CCS的相关规范要求,给出了玻璃纤维增强复合材料双体船结构强度直接计算方法。计算结果表明,文中给出的玻璃纤维增强复合材料模拟方法能有效模拟该玻璃钢双体船的结构形式,且结构强度满足规范的要求,横弯工况为最易发生结构失效工况。文中所得结论对夹层结构玻璃钢船的研发设计具有参考意义。

低温条件下含孔碳纤维复合材料层合板拉伸损伤特性研究

郭峰, 王哲峰, 王共冬, 冯璐, 李桦, 马佳赫, 刘喜亮

2022, 0(4): 56-61. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.009

摘要 ( 85 )

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基于碳纤维复合材料损伤机理研究,建立数值仿真模型,并预测损伤初始发生及极限载荷。在室温(23±3) ℃干态与低温(-60±3) ℃干态两种环境下,对三种不同开孔形状及孔径的碳纤维复合材料(CFRP)层合板进行拉伸破坏实验,分析其拉伸性能和损伤机理。实验验证在两种环境下,具有圆形孔的层合板拉伸强度最大;低温环境下含孔层合板的抗拉强度要强于室温环境下;对层合板不同位置的应变进行测量得知,在拉伸试验中,最大应变发生在与载荷平行的孔切线的切点附近,最小应变发生在与载荷垂直的孔切线的切点附近。

纳米SiO₂对玄武岩纤维/混凝土高温后力学性能的影响

张振雷

2022, 0(4): 62-67. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.010

摘要 ( 90 )

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通过试验研究了普通混凝土(NC)、玄武岩纤维混凝土(BFRC)、掺纳米SiO₂的玄武岩纤维混凝土(NBFRC)在不同温度后的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度等力学性能。结果表明:在各个温度下,NBFRC的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度均高于BFRC与NC的强度。三种混凝土的抗压强度在400 ℃时达到最大值,随后逐渐降低,劈裂抗拉强度与抗折强度均随着温度的升高呈现下降的趋势。在常温下,NBFRC的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度较NC分别提高了13.2%、22.9%、13.2%;400 ℃时,较NC分别提高了12.4%、23.3%、21.9%;800 ℃时,三种混凝土的强度达到最低,此时NBFRC的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度仅为常温时的47.8%、29.1%、35.5%。依据试验结果建立的NC、BFRC、NBFRC的相对强度预测模型吻合度较高。

SiCp/Al复合材料低损伤制孔工艺的实验研究

王梓超, 刘畅, 王锴, 高磊

2022, 0(4): 68-72. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.011

摘要 ( 104 )

PDF (8073KB) ( 28 )

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碳化硅颗粒增强铝基(SiCp/Al)复合材料是广泛应用于航空航天和精密仪器等领域的重要轻质金属基复合材料。但是SiC硬质颗粒的存在极易导致制孔过程中钻头的剧烈磨损,进而恶化加工表面质量。本文研究了干切削和湿切削条件下传统钻削和超声振动辅助钻削SiCp/Al复合材料的加工特性,包括孔出口毛刺损伤、孔壁表面粗糙度和刀具磨损,从而建立一套低损伤的制孔工艺。实验结果表明:超声振动辅助钻削可以有效降低切削过程中的钻削力,与传统钻削相比,平均切削力减小了8.32%;在工件底部加装垫板可以简单有效地降低出口毛刺高度;引入切削液和超声振动辅助加工都可以提高孔加工精度,与传统干切削相比,超声振动辅助加工下孔壁粗糙度降低了27.3%,引入切削液,孔壁表面粗糙度可以降低12.3%;SiCp/Al复合材料加工过程中,刀具磨损机理可以分为两体颗粒磨损、三体滚动磨损和黏着磨损,超声振动辅助加工可以有效降低刀具磨损,提高刀具寿命。本文的研究可以为SiCp/Al复合材料的低损伤制孔提供理论指导。

纳米黏结剂修补复合材料的胶接界面损伤演化行为研究

姬晓龙, 周伟, 杜永刚, 刘佳, 马连华

2022, 0(4): 73-80. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.012

摘要 ( 64 )

PDF (11652KB) ( 31 )

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本文在环氧树脂中添加0.1wt%的纳米纤维素以制备纳米黏结剂,旨在改善环氧树脂黏结剂的机械强度以及柔韧性,从而提高其修补效率和耐久性。将声发射技术和数字图像相关技术结合,研究弯曲载荷下复合材料内部的力学行为和变形损伤。通过声发射特征信号的分析、聚类处理与全场/局部应变和位移的测量,对不同修补结构的失效机理进行深入讨论。结果表明:与环氧树脂黏结剂相比,纳米黏结剂具有更好的黏结效果,展现出较高的能量吸收和载荷转移能力,修补试件的失效载荷和最大位移分别提高了3.1%和6.1%。聚类分析结果和内部损伤的声发射响应可以用来评估修复性能并获得主要损伤模式,不同修补试件胶接界面上的变形场有助于监测胶层内损伤的起始和扩展。将声发射特征响应与内部变形损伤建立联系,成功实现了胶接修补界面的损伤行为演化。

石英纤维/氰酸酯树脂复合材料胶接面的激光处理研究

熊华锟, 袁国青, 杨家勇, 邱学仕

2022, 0(4): 81-86. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.013

摘要 ( 68 )

PDF (10473KB) ( 44 )

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胶接是复合材料结构连接的主要方式之一,而胶接面的表面处理对胶接性能有显著的影响。本文采用紫外激光对氰酸酯树脂基复合材料的胶接面进行处理,研究了激光参数对表面形貌、胶接性能等的影响规律。数值模拟结果显示激光热影响区很小,且根据纤维与树脂的温度响应及各自的气化温度可知激光处理以表面树脂消融为主。表面形貌观察发现:激光处理时会因为氰酸酯树脂的不完全热解而形成炭黑。准静态单搭接胶接拉伸剪切试验结果表明合适的激光参数能够提升胶接强度,并且离散系数较小;但不合适的激光处理参数反而会降低胶接强度。激光处理后最大剪切强度为22.575 MPa,相比于不处理提升27.1%,对应离散系数为2.7%。

PMI泡沫在微带天线阵面上的应用研究

刘秀利

2022, 0(4): 87-91. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.014

摘要 ( 117 )

PDF (4851KB) ( 274 )

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为了实现某毫米波微带天线的低损耗透波这一设计需求,开展PMI泡沫夹层结构的微带天线阵面制造研究。选用硬性封孔结构PMI泡沫作为天线阵面上下两层微带之间的介质夹层材料,采用热固性导电半固化片作为胶接材料,并通过PCB真空热压工艺实现上述PMI泡沫夹层结构的胶接成型。详细论述了PMI泡沫夹层微带天线阵面的工艺流程、PMI泡沫选材方案、PMI泡沫加工注意事项及夹层结构胶接等工艺技术。根据提出的工艺方案试制了样件,并对样件进行电性能指标测试和拉力试验,试验结果表明:PMI夹层结构指标性能优异、胶接强度良好,满足微带天线阵面设计要求。

复合材料支承舱桁条先进拉挤技术研究

鞠博文, 张琦, 庄纯, 万立, 侯进森, 郝旭峰, 王晓蕾, 田杰

2022, 0(4): 92-97. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.015

摘要 ( 69 )

PDF (5705KB) ( 89 )

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为了提高产品的成型效率、降低产品的制造成本,采用先进拉挤技术制备支承舱桁条。针对桁条产品的结构特点,设计了相应的成型装置,进行了成型工艺方案制定与工艺试验,并对产品本体取样进行测试。结果表明:采用先进拉挤技术代替传统工艺制备支承舱桁条能够明显提高产品成型效率,并能够满足指标要求;通过预处理工艺,能够明显改善产品表观质量。

异形零件分型线的自动创建方法

戈家荣, 王占宇, 蔡万龙, 关国英

2022, 0(4): 98-103. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.016

摘要 ( 96 )

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针对异形零件分型线创建困难的问题,提出了一种自动创建分型线的新方法,该方法基于最大轮廓原则和有限元法,首先在零件表面上创建多条平行的网格线,然后利用VB语言程序在网格线上创建等分点,并使用冒泡法查找到最大轮廓点,再将这些点连成曲线,即为零件的分型线。最后根据该分型线设计模具,并成功进行了零件的制备。结果表明,该方法具有较高的效率和实用性。

酚醛树脂的耐冲击增韧改性及其固化动力学研究

许国娟, 贾晨辉, 陈敬菊, 田谋锋

2022, 0(4): 104-110. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.017

摘要 ( 189 )

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选用聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、核壳橡胶、丁腈橡胶及环氧树脂作为增韧剂,对酚醛树脂进行增韧改性;通过制备复合材料试板进行耐冲击性能评价,研究了不同增韧剂体系及增韧剂添加量对酚醛树脂增韧效果的影响;通过流变、DSC测试结合非等温动力学方法研究了增韧改性酚醛树脂的固化动力学;并通过SEM观察试板冲击后的断面形貌,对增韧机理进行了解释。结果表明:以PVB为增韧剂改性酚醛树脂的韧性效果提升最为显著,且PVB的加入不会对该酚醛树脂体系的固化动力学造成影响;PVB添加量为15%时,改性酚醛树脂复材试板的耐冲击性能达到最大值23.72 J,且通过SEM分析,增韧改性酚醛树脂中加入的PVB使树脂基体在受到外力冲击时呈现出较好的韧性断裂。

FRP筋预应力混凝土梁长期性能研究进展

于雯, 黄悦, 黄谦, 刘晓阳, 冯伟, 郭瑞鹏

2022, 0(4): 111-119. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.018

摘要 ( 189 )

PDF (1503KB) ( 99 )

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FRP筋复合材料因具有轻质高强和优异的耐久性能被广泛用于土木工程结构中。然而,偏低的弹性模量可能导致FRP筋增强混凝土梁(RC)出现挠度过大等适用性问题,因此近年来FRP筋预应力结构得到了越来越多的关注。本文从材料和结构两个层面对FRP筋预应力混凝土梁的长期性能进行了综述,系统阐述了FRP筋的蠕变和松弛性能及影响因素,总结了FRP筋预应力混凝土梁的长期持荷试验和有限元分析成果,介绍了基于龄期调整有效模量法的梁截面时变分析方法以及FRP筋预应力梁长期挠度计算公式。研究表明FRP筋的应力松弛较钢绞线严重;不同种类的FRP筋中,CFRP筋的抗松弛性能最好。同时,CFRP筋预应力混凝土梁的长期挠度也低于钢绞线预应力混凝土梁。本文最后对现有FRP筋预应力混凝土梁的不足之处提出了研究建议。

纤维素/无机复合材料:纤维素及其衍生物的矿化与应用

白雪梦, 王璐瑶, 郑雅慧, 肖迎红, 车剑飞

2022, 0(4): 120-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.019

摘要 ( 84 )

PDF (3030KB) ( 148 )

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纤维素及其衍生物与羟基磷灰石(HA)的复合材料可以协同两者优势,兼具纤维素的结构、功能性和柔韧性与HA的耐热性、稳定性和生物相容性等。纤维素/HA复合材料常用的矿化方法主要有原位矿化法和仿生矿化法,仿生矿化合成的HA一般具有更高的表面积、表面粗糙度以及更显著的生物活性和可吸收性。纤维素还可以通过不同的交联策略和化学改性调节HA晶体的生长取向和形貌。本文主要综述了纤维素/HA复合材料的研究进展,对纤维素及HA的性质、纤维素对HA的矿化调控进行了归纳总结,重点介绍了纤维素/HA复合材料在水处理吸附剂、药物传输系统、骨组织工程等方面的研究现状,并对目前研究中界面理论的缺失以及未来的研究方向进行了分析和展望。

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