复合材料科学与工程

章成, 铁瑛, 宋峥硕

2022, 0(5): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.001

摘要 ( 89 )

PDF (6987KB) ( 50 )

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基于梯度概念,提出了复合材料梯度和厚度梯度两种负泊松比蜂窝结构,并研究了不同梯度特性对其耐撞性能的影响。与传统无梯度蜂窝相比,对两种梯度结构的平台应力和吸能特性进行研究,通过分析压缩过程中的蜂窝胞元变形模式以及负泊松比效应来揭示结构的增强机理。结果表明:预测的压缩变形和参考结果相似;相比于传统蜂窝结构,在法向应变为0.6时复合材料梯度蜂窝增加了27.6%的平台应力和70.5%的比吸能,厚度交替梯度蜂窝增加了243%的平台应力和166%的比吸能,且梯度蜂窝的平台应力的增加率呈渐进模式,压缩变形模式呈现交替塑性变形;相比于复合材料梯度蜂窝结构,厚度交替梯度蜂窝结构在压缩过程中有更高的平台应力和比吸能,在法向应变为0.6时有高于其169%的平台应力和55.7%的比吸能,具有更强的吸能能力;梯度结构对蜂窝各层的负泊松比有较为明显的影响。

超声导波在CFRP层合板中的传播特性及仿真实现

李俊, 宋春生, 李民辉, 刘雨, 魏子航

2022, 0(5): 12-20. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.002

摘要 ( 109 )

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本文采用数值和有限元仿真相结合的方法研究超声导波在复合材料层合板中的传播特性。首先理论分析波频散方程的建立过程,引入了复合材料中体波传播的差异性。然后对导波传播进行数值分析,最后建立有限元仿真模型,结合数值结果验证仿真模型的正确性和有效性。研究表明:慢度和偏斜角能很好地表征体波的传播特性;相比于其他铺层频散曲线,单向层合板对称模态波在纵波速度上方出现无频散区域;复合材料层合板中导波传播的相速度曲线和群速度曲线不一致,层合板均质刚度转换矩阵分量对波传播影响较大;数值和有限元相结合为导波在复合材料结构健康监测和无损检测领域的发展提供重要帮助。

基于等几何分析方法的复合材料加筋板屈曲分析

秦晓陈, 李晨, 陈程, 高丽敏

2022, 0(5): 21-27. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.003

摘要 ( 89 )

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采用基于层次T网格上的多项式样条(PHT样条)的等几何分析(IGA)方法对复合材料层合加筋板进行屈曲分析,实现了加筋板的精确几何建模以及加强筋和层合板衔接区域的网格局部细化,避免了几何误差,简化了细化过程,节省了计算时间,提高了计算效率。通过数值计算,验证了计算方法的正确性和收敛性,得到了加强筋的铺层数和铺层角度对层合加筋板屈曲特性的影响情况。计算结果表明,层合加筋板的屈曲载荷随着铺层数的增加逐渐增大,且基本呈现线性增大的趋势;当0°方向铺层固定时,屈曲载荷基本保持一定;随着0°方向铺层数的增加,±45°或90°方向铺层数减少,屈曲载荷逐渐增大。

经编织物膜材偏轴中心撕裂行为及破坏机理

张若男, 陈建稳

2022, 0(5): 28-36. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.004

摘要 ( 66 )

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为了探究双轴向经编织物膜材中心撕裂行为与破坏机理,本文以典型PVDF经编织物为研究对象,进行了7个偏轴角度下(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)的单轴中心撕裂试验,系统分析了经编织物破坏形态及撕裂强度随偏轴角度的变化规律,并结合细观数值模型进一步挖掘了偏轴角度对撕裂强度的影响及纱线细观受力情况与变形机理。结果表明,经编织物膜材内部纱线的偏转可显著影响切缝的扩展方向和开口形状。临界撕裂应力和极限撕裂应力随偏轴角度的增加整体呈“W”形变化规律,断裂位移和失效位移随偏轴角度的增加整体呈倒“V”形变化规律。纱线的偏转可使承载纱线的应力集中范围和应力分布情况产生显著差异,45°偏轴角度因应力分布更加均匀,变形更加充分,达到最大撕裂强度,是经编织物膜材的最优承载机制。所得结论可为织物膜材局部裂纹止裂分析及建筑膜结构安全性评估提供有益参考。

BFRP-FRCM复合层与加气砌块黏结性能试验研究

张振, 廖维张, 马超

2022, 0(5): 37-45. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.005

摘要 ( 70 )

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为了研究玄武岩纤维网-纤维增强水泥基(BFRP-FRCM)复合层与加气砌块之间的黏结性能,分别开展了考虑水泥基材料内掺纤维种类、复合层黏结长度和BFRP纤维网层数的单面剪切试验,探究了以上三个影响因素对复合层与砌块之间黏结性能的影响规律。试验结果表明:BFRP-FRCM复合层能够显著提高加气砌块的承载拉伸荷载的能力。复合层的黏结效果随着黏结长度的增加呈现先增加再减小的趋势,复合层的黏结长度存在最优值;增加纤维网层数可以提高试件抵抗拉伸荷载的能力,但其黏结效果会有所下降,纤维网强度利用率降低;相比于砂浆内掺聚乙烯纤维,内掺聚乙烯醇纤维对试件延性的提升效果更好。

航空发动机用T800级碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制备及性能

倪洪江, 李军, 邢宇, 戴霄翔, 张代军, 陈祥宝

2022, 0(5): 46-51. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.031

摘要 ( 123 )

PDF (5153KB) ( 132 )

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针对航空发动机对高性能耐高温树脂基复合材料的需求,开展了T800级碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制备与性能研究。研制了苯乙炔封端聚酰亚胺树脂基体EC-380A,开发了T800级碳纤维预浸料连续制备技术,获得了复合材料性能。树脂具备370 ℃~400 ℃耐温能力,可采用热压罐工艺成型。T800级碳纤维/EC-380A复合材料表现出耐高温、高强度、高模量和高韧性特点:室温下拉伸强度和模量分别达到2 120 MPa和169 GPa,冲击后压缩强度(CAI)达到256 MPa,370 ℃孔拉强度和模量高温保持率达到97%和84%以上。制备了典型结构件,安全裕度充足。

基于树脂预浸技术的短切Kevlar纤维增强CFRP-混凝土界面力学性能研究

刘畅, 杨树桐, 杨松, 冯耀东, 徐铭崎

2022, 0(5): 52-60. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.007

摘要 ( 72 )

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为了提高CFRP(碳纤维增强复合材料)与混凝土界面的黏结性能,本文利用树脂预浸技术(RPC)对混凝土表面进行浸润处理,并采用短切Kevlar纤维对树脂层进行增强。随后,基于单剪试验,分析CFRP与混凝土界面黏结性能。首先在黏结长度不变的条件下明确采用RPC技术的加固效果,通过对不同纤维掺量条件下界面极限黏结承载力分析,探究纤维的最佳掺量;其次,基于最佳掺量,分析不同黏结长度对不同处理方式界面黏结性能的影响。结果表明:纤维最佳掺量为9 g/m²。且不同黏结长度条件下,经RPC技术处理的界面极限黏结承载力相比未经处理的提高12.7%~142.9%。此外,增强界面的破坏形式主要表现为胶层剪切破坏并伴随少量混凝土的剥离。RPC技术可以对混凝土表层微裂缝进行填充,从而改变了传统加固方式中混凝土层剥离深度较大的破坏形式;散乱分布纤维的桥联作用,使得树脂层得到增强,抑制了裂纹的发展,从而提高了界面的黏结强度。

考虑隐式约束的复合材料层合板分区优化方法

闫金顺, 孙鹏文, 赵雄翔, 马志坤, 于泽林

2022, 0(5): 61-65. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.008

摘要 ( 67 )

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针对传统复合材料层合板优化设计较少考虑隐式约束或通过构建代理模型和惩罚函数等近似方法进行约束处理存在的问题,提出了一种考虑隐式约束的复合材料层合板分区优化方法。通过构建MATLAB-Python-ABAQUS联合仿真优化框架,实现对隐式约束的直接处理。以离散的纤维铺角为设计变量,结构柔顺度最小为目标函数,对称性制造和强度为约束,建立了分区优化数学模型,将联合仿真优化与遗传算法相结合,进行优化求解。数值算例表明:该方法可有效解决隐式约束的求解,获得优化的铺层方案,提高结构性能。

碳纤维复合材料电池箱轻量化研究

康元春, 刘俊峰, 孟紫薇

2022, 0(5): 66-70. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.009

摘要 ( 77 )

PDF (1785KB) ( 111 )

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为减轻电池箱下箱体重量,采用轻质材料铝合金和碳纤维复合材料替换原Q235钢制材料。材料替换后,为得到新材料的最佳厚度尺寸,提出以神经网络为代理模型,同时优化铝合金和碳纤维部件厚度尺寸的方法。通过拉丁超立方试验得到尺寸变量对应的响应,基于神经网络进行优化,得到铝合金支架和加强梁最佳厚度以及碳纤维各角度厚度;最后在Optistruct中对碳纤维下箱体铺层顺序进行优化。优化结果表明,所采用的方案在减轻电池箱重量的同时,强度刚度和一阶模态频率也得到了提高。

纳米纤维素对CFRP界面及损伤演化行为的影响

杨飒, 周伟, 姬晓龙, 刘佳, 马连华

2022, 0(5): 71-77. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.010

摘要 ( 55 )

PDF (7908KB) ( 33 )

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纳米纤维素作为一种低成本的可再生资源,在复合材料的增强改性中显示出独特的优势。本文使用纳米纤维素对碳纤维复合材料进行辅助增强,在弯曲加载下开展声发射监测实验。基于k-means方法确定不同损伤模式的特征频率范围和累积声发射能量,并采用扫描电镜对增强后复合材料的界面强度进行表征。结果表明:纳米纤维素增强后复合材料的损伤起始得到延缓,损伤演化过程中出现较少的声发射信号;且断裂时声发射信号的能量显著下降,基体开裂和纤维/基体脱黏的累积声发射能量分别减少了78.1%和87.6%。扫描电镜结果表明:纳米纤维素提高了纤维/基体界面的结合强度,改善了复合材料的界面性能,从而提高了其抗弯强度。

丢层结构复合材料加筋板压缩失效机理研究

薛晗, 余音

2022, 0(5): 78-84. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.011

摘要 ( 96 )

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为探究受到轴向压缩载荷时丢层结构对复合材料加筋板承载能力、破坏模式及破坏位置的影响,对丢层结构与常规铺层结构两种铺层方式的帽型长桁加筋板进行轴压试验,并通过Abaqus建立了丢层结构复合材料加筋板有限元模型,采用二维Hashin准则作为复合材料失效判据,与试验结合分析了两种构型复合材料加筋板的失效过程及抗压性能。有限元模型很好地预测了结构的极限载荷、破坏模式及破坏位置,与试验结果吻合较好。结果表明:①采用有限元方法得到的极限载荷与实验较吻合,丢层结构与常规结构破坏载荷误差分别为1.1%与4.7%,说明本文采用的建模方法合理有效,可以为实际工程应用提供指导;②合理的丢层结构对长桁承载能力及破坏模式并不会产生影响,但是会影响试验件破坏的位置。

交联剂对聚氨酯理化及力学性能的影响研究

余凯, 王钧, 齐福敏, 何川

2022, 0(5): 85-91. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.012

摘要 ( 102 )

PDF (2780KB) ( 67 )

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以多亚甲基多苯基异氰酸酯(PMDI)和聚醚二醇(PPG400)为原料,以不同结构的小分子三元醇为交联剂,合成了5种聚氨酯树脂。讨论了交联剂结构对聚氨酯固化放热、固化过程流变性能、热性能以及力学性能的影响。结果表明,交联剂分子结构中的仲羟基和苯环,使聚氨酯树脂的凝胶时间延长,耐热性和T_g有小幅度提升。含长不饱和碳链的交联剂合成的聚氨酯活性降低,适用期大幅度增加,但硬段规整性差,T_g和力学性能有所下降。以DIPA-PGE为交联剂时,T_g最高为73.8 ℃;综合力学性能最佳的是MIPA-PGE,拉伸强度达到51.6 MPa。

POSS改性热固性酚醛树脂的性能研究

姚亚琳, 刘晶, 王胖胖, 田谋锋

2022, 0(5): 92-97. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.013

摘要 ( 97 )

PDF (6926KB) ( 118 )

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以八苯基笼型倍半硅氧烷(OPS)、梯形聚苯基倍半硅氧烷(PPSQ)及八苯胺基倍半硅氧烷(OAPS)为改性剂,采用热失重分析方法研究了POSS种类和加入量对酚醛树脂残碳率的影响,结果表明OAPS可以有效提高酚醛树脂残碳率,当OAPS的质量分数仅为3%时,可以提高酚醛树脂基体11%的残碳率;采用红外-流变同步分析方法研究了OAPS对酚醛树脂固化过程的影响,得出OAPS促进了羟甲基和苯环上的邻位氢发生取代反应,提高交联度;进一步制备了OAPS/碳纤维/酚醛树脂复合材料,结果表明OAPS可提高酚醛树脂复合材料烧蚀性,质量烧蚀率达到0.030 3 g/s,相比酚醛树脂/碳纤维复合材料降低34%。

复合材料层压板雷电防护设计试验与验证

黄鑫, 文永洪, 李严, 唐华金, 夏彦朋

2022, 0(5): 98-102. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.014

摘要 ( 82 )

PDF (5919KB) ( 60 )

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为了验证某型飞机复合材料结构雷电防护设计的有效性,本文针对飞机复合材料结构设计了不同密度铜网防护、不同雷电分区的复合材料层压板雷电流冲击试验,通过目视损伤观察、热成像仪观察、超声波无损检测,横向和纵向对比复合材料层压板的雷击损伤程度和特征。基于雷电试验,分别获得了6种分区各型试验件的损伤情况,并按损伤严重程度进行试验件归类与分析,定性验证了某型飞机复合材料雷电防护设计的有效性。同时发现当前雷电防护设计有优化的空间,建议目前1区选用的CU195铜网降一级选用CU142铜网,对其他雷击区域的铜网规格也提供了建议,分析结果对后续复合材料结构的防雷电设计具有一定参考意义。

复合材料杆件接头的结构设计与力学研究

梁旭豪, 吴鑫锐, 张砚达, 沈峰, 王晓蕾, 白瑞祥

2022, 0(5): 103-109. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.015

摘要 ( 85 )

PDF (5875KB) ( 88 )

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复合材料杆件接头一般采用胶接连接。为了进一步提高杆件与接头的连接强度,对复合材料杆件接头的结构形式进行设计,提出了三种结构设计方案。为了比较三种方案的优劣,根据当前需求,开展了有限元分析,并制作了拉伸试样,进行了拉伸试验。试验结果表明,与前两种设计方案相比,第三种结构设计方案的工艺稳定性较高,拉伸承载能力最高,拉伸性能稳定,设计方案最优。三种结构设计方案的有限元分析结果与试验结果基本一致,有限元分析方法合理有效,提高了研究效率。有限元分析和试验结果为后续的研究工作提供了依据。

碳纤维复合材料部件加工技术现状及发展趋势

钟明建, 胡炜杰, 廖晓恬, 韦君婷, 刘冰, 胡芝蓉

2022, 0(5): 110-119. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.016

摘要 ( 152 )

PDF (2678KB) ( 155 )

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作为难加工材料之一的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等优异性能,被广泛应用于航空、汽车、风力发电等行业领域,产品市场日益扩大,其部件的尺寸精度、表面质量等精加工技术逐渐成为众多厂商和专家学者的研究热点。本文综述常见CFRP部件加工技术特点、加工技术机理、单工艺参数对加工质量影响和应用现状,探讨CFRP部件常见加工技术改进趋势,并展望了CFRP部件高精度加工技术的发展趋势。

复合材料夹芯板低速冲击研究进展

杨文栋, 徐世伟, 齐业雄

2022, 0(5): 120-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.017

摘要 ( 127 )

PDF (4172KB) ( 160 )

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复合材料夹芯板由薄而硬的蒙皮和多样化的夹芯构成,作为一种轻量化结构,具有高比强度、高比刚度的特点,在准静态和动态载荷下具有优良的承载能力和耐撞性能。但是,复合材料夹芯板在工程应用中容易受到外来物冲击,特别是受到低速冲击后,其表面虽无明显损伤迹象但结构内部可能受损严重。本文介绍了复合材料夹芯板的结构及近年来夹芯板的芯部结构设计,重点归纳不同复合材料夹芯结构低速冲击下的力学性能,并总结相应夹芯板的失效形式。基于国内外研究现状,展望了未来复合材料夹芯板的重点研究方向。

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