复合材料科学与工程

周登, 严刚, 郭树祥, 束嘉俊

2022, 0(9): 5-10. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.031

摘要 ( 115 )

PDF (7984KB) ( 95 )

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蜂窝夹层结构在航空航天领域具有广泛的应用,但其在使用过程中不可避免地会遭受损伤,特别是冲击造成的损伤对其强度有很大的影响。本文结合现代电子印刷技术,采用石墨烯导电碳油墨和银浆油墨在蜂窝夹层结构表面制备智能感应层,结合电学成像技术对低速冲击损伤进行识别。使用落锤冲击试验装置对蜂窝夹层结构进行了低速冲击,并于冲击前后在印刷感应层中注入微小电流获取边界电压变化。对电压数据进行分析,基于SpaRSA稀疏正则化算法重建感应层电导率变化的图像,将损伤信息可视化。实验结果表明,所提出方法能有效地识别出蜂窝夹层结构中冲击损伤的个数、位置和大致尺寸,与传统基于Tikhonov正则化的算法相比,稀疏成像算法对损伤尺寸的识别效果更好,为蜂窝夹层结构冲击损伤在线识别提供了一种新途径。

双层阻尼薄膜夹嵌复合材料梁的动力学性能

马国瑞, 梁森, 杨功先

2022, 0(9): 11-22. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.002

摘要 ( 119 )

PDF (5047KB) ( 85 )

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为了研究共固化双层阻尼薄膜夹嵌复合材料梁在固支边界条件下的动力学性能,本文依据一阶剪切变形理论(FSDT)、变分原理和Hamilton原理,建立了共固化双层阻尼膜夹嵌复合材料梁的自由振动理论模型,使用伽辽金加权余值法求解了固支边界条件下的自由振动理论解。搭建实验平台,得到实验数据和模态振型。通过将理论计算结果与模态实验和ANSYS有限元分析结果进行对比验证,验证了理论模型的有效性。进一步探究了复合材料层和阻尼层的分布及结构几何参数对共固化双层阻尼薄膜夹嵌复合材料梁动力学性能影响的规律,为双层阻尼薄膜复合材料梁结构的优化设计提供理论依据。

复合材料转子环形开闭裂纹刚度的解析模型及特性研究

杨沫, 轩浩, 熊伟, 刘德政, 秦涛, 吕祎

2022, 0(9): 23-27. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.003

摘要 ( 77 )

PDF (2047KB) ( 54 )

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碳纤维复合材料传动轴作为一种新型高性能传动部件在制造过程中或受到碰擦时容易产生具有环形特征的裂纹。本文基于复合材料Layer-wise理论建立了复合材料转子环形开闭裂纹的刚度解析模型,该模型考虑了裂纹处铺层角度和顺序的影响,并且采用有限元模型进行了验证;通过对相同尺寸、不同铺层方案的复合材料裂纹转子的刚度对比分析。结论表明:本文提出的解析模型具有较好的计算精度;环形裂纹处0°铺层比例对转子刚度的影响较大,而环形裂纹处0°铺层顺序对刚度变化的影响很小,可忽略不计。

基于FEM的编织角对碳纤维圆管拉伸性能影响研究

李德宝, 朱锐祥, 祖磊, 陈世军, 张骞, 张桂明, 吴乔国

2022, 0(9): 28-34. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.004

摘要 ( 97 )

PDF (6431KB) ( 84 )

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本文在细观力学的基础上,建立有限元模型,以预测编织单胞的拉伸模量。首先,采用参数化建模建立二维三轴编织结构模型,并与实际样件比较,研究了编织角对编织圆管单层厚度和纤维含量的影响。结果表明,在同种建模方法下,随着编织角度逐渐增大,纤维体积含量呈现先增后趋于稳定的趋势,单层厚度出现变薄的现象,且纤维挤压堆积得以减轻。然后,通过有限元模拟,预测出单胞的应力应变和模量值;经对比,该预测结果与实验结果吻合。最后,采用东丽T700碳纤维和环氧树脂编织成二维三轴圆管,根据GB/5349标准进行了复合材料二维三轴编织圆管的轴向拉伸实验,研究了不同编织角度对二维三轴编织复合材料圆管轴向拉伸性能的影响,以及编织角度对模量的影响;结果表明编织角度越小,模量越高,轴向拉伸性能越好。

FRP/钢T形连接结构优化设计及拉伸初始损伤特性研究

陈国涛, 梅志远, 李华东

2022, 0(9): 35-40. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.005

摘要 ( 167 )

PDF (8305KB) ( 43 )

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为了对FRP/钢T形嵌入式连接结构进行优化设计,本文在文献[1-2]研究的基础上,首次提出了两种新式T形嵌入式燕尾槽连接结构设计方案:内嵌式、外伸式。文章首先设计、制作两种不对称接头,并开展拉伸弯曲承载特性试验研究,分析不对称接头初始损伤特性、裂纹扩展规律及失效机理。然后,为了深入探讨两式连接接头在拉伸弯曲载荷作用下的初始损伤特性,文章基于大型有限元计算软件Abaqus对不对称接头开展仿真计算与分析,计算结果与试验吻合性较好;在此基础上,分别对两种连接方案开展仿真计算,并分析其初始损伤特性。研究结果表明:虽然外伸式T形方案连接刚度更高,但内嵌式方案初始破坏强度更高,水密性能更好。

湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料弯曲强度的宏观力学分析

赵迅鹏, 孙双双, 王洋

2022, 0(9): 41-47. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.006

摘要 ( 88 )

PDF (6691KB) ( 61 )

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本文将复合材料单层板的刚度和强度性能表达成湿热参数的函数。基于经典层合板理论和宏观力学方法,用MATLAB编写了湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料(G/CFHC)弯曲强度的计算程序。研究了湿热环境对玻/碳纤维层间混杂复合材料和玻/碳纤维夹芯混杂复合材料弯曲强度的影响。分析了湿热环境下不同混杂方式的G/CFHC层合板弯曲强度变化规律。结果表明:在湿热环境20 ℃~100 ℃温度区间内,G/CFHC层合板吸湿后,随着温度的升高其弯曲强度逐渐降低;在湿热环境下,±45°层相邻的G/CFHC层合板受层间切应力影响,其弯曲强度要低;在湿热环境20 ℃~110 ℃温度区间内,以(0°/90°)_m为递增单元,G/CFHC层合板的弯曲强度随着m的增加而增大。

回收CFRP增强水泥的导电性能研究

吴震华, 刘尧, 张芝芳

2022, 0(9): 48-53. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.007

摘要 ( 95 )

PDF (5628KB) ( 66 )

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碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-Reinforced Polymer,简称“CFRP”)作为一种高性能材料,在多个领域中得到了广泛的应用,但由于CFRP在生产过程中会产生大量废弃边角料,这部分废弃物若不妥善处理会带来严重的环境问题,也会造成资源浪费。本文将CFRP加工成型过程中的边角料废弃物进行处理后掺入水泥中,研究回收CFRP边角料对水泥力学性能和导电性能的影响。结果显示:合适的掺量会增强水泥的抗压和抗折性能;当回收CFRP在水泥中的掺量不高时,水泥电阻率的降低效果并不明显;当回收CFRP在水泥中的掺量达到4%时,水泥基材料电阻率急剧下降;当回收CFRP在水泥中的掺量继续增加时,水泥内部由回收CFRP中的碳纤维形成了一个搭接式的导电通路机制,电阻率已降低到最小且不随着龄期发生明显变化。研究还表明水泥电阻率随着水泥试块龄期的增长而升高,并且在干燥过程中水泥电阻率随着含水率的减少先升高再降低。当前的研究不单单可以解决CFRP浪费的问题,同样可以大大地缓解CFRP废弃物给人类带来的环境压力。

湿热环境下含分层损伤碳纤维/环氧树脂层合板振动特性

贾宝惠, 王浩, 卢翔, 单金洋, 赵耀斌

2022, 0(9): 54-61. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.008

摘要 ( 210 )

PDF (8571KB) ( 52 )

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通过模态实验和有限元模拟研究了自由边界条件下T700-100/7202K-38碳纤维/环氧树脂复合材料层合板在湿热环境下的振动特性。对不含分层、不同分层位置和不同分层角度损伤的层合板进行了湿热振动实验。基于湿热等效原理,通过ABAQUS软件建立了层合板有限元模型,将仿真结果与实验值对比,验证了模型的正确性。实验和仿真结果表明:湿热效应对层合板固有振型影响不大,但会使复合材料层合板各阶固有频率值下降,湿热效应对层合板一阶固有频率影响最大;层合板分层损伤也会改变其振动特性,当分层从层合板表面向层合板中面层移动时,层合板固有频率受湿热效应影响越来越大;分层角度为90°时,层合板固有频率值下降最多。

槽孔尺寸对芯材力学性能的影响

吉祥, 秦志文, 冯威, 宋笑非, 符寿军, 王国付

2022, 0(9): 62-68. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.009

摘要 ( 128 )

PDF (7467KB) ( 61 )

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夹层结构广泛应用于风电叶片中,提高芯材本体的力学性能有利于夹层结构的强度、刚度以及稳定性。为了研究槽和孔的尺寸对灌注树脂后芯材力学性能的影响,建立了芯材的三维实体有限元模型,并利用已有实验结果对有限元模型进行了验证。结果表明:增大孔径和减小槽间距是提升芯材模量最有效的途径,而增大槽宽和槽深对提升芯材模量贡献较小。考虑芯材灌注树脂后的成本,优选增大孔径来提高压缩和拉伸模量,优选减小双面开槽的槽间距来提高剪切模量。

声发射技术在GFRP胶栓混接节点试验中的应用研究

李思达, 王进潇, 程斌

2022, 0(9): 69-75. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.010

摘要 ( 83 )

PDF (8742KB) ( 50 )

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为研究声发射技术在GFRP胶栓混接节点试验测试中的适用性,开展了拉伸和剪切两种工况下的单搭接板节点静力破坏试验,并对声发射特征参数进行了分析。研究表明:声发射特征能很好地反映GFRP胶栓混接节点的破坏规律,识别出节点的破坏过程分为胶层损伤平稳发展、胶层损伤快速发展、FRP损伤平稳发展、FRP损伤快速发展四个阶段,且声发射结果与荷载-位移曲线的变化规律相吻合,但难以实现对GFRP板件内部破坏区域的定位。成果可为声发射技术在类似结构试验中的应用提供参考。

风力机防除冰的复合材料叶片传热分析与试验研究

李伟, 王顺燕, 文飞, 刘小春, 王昭力

2022, 0(9): 76-82. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.011

摘要 ( 77 )

PDF (5308KB) ( 65 )

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掌握复合材料叶片壳层的传热特性对于实现风力机叶片气热法防除冰至关重要。通过分析复合材料叶片气热法传热理论,选择叶片主梁梁帽、前缘和后缘三个典型局部位置构建叶片壳层传热模型,施加不同载荷温度进行叶片传热模拟,分析表明在不同载荷温度下,各模型的传热特性具有一致性,前缘模型和后缘模型因夹芯材料及厚度不同,传热缓慢且温度下降幅度最大,而主梁模型传热较快且在2 h后达到平衡状态温度。通过对现场2 MW叶片进行传热试验,前缘通道监测点温度变化与对应传热模型分析结果接近,传热模拟与试验结果表明加热1.5 h后叶片表面Δ10 ℃温升能够满足复合材料叶片防除冰的工程应用需求。

短切碳纤维增强尼龙66的流变性能

黄珍媛, 黎冰华, 程斌, 陈邑

2022, 0(9): 83-89. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.012

摘要 ( 210 )

PDF (4686KB) ( 59 )

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聚合物流变性能是影响复合材料性能的重要因素,本文对SCF/PA66共混体系流变性能进行了研究。通过熔融共混法制备不同纤维含量的短切碳纤维增强尼龙66(SCF/PA66)复合材料,采用毛细管流变仪、扫描电镜和旋转流变仪研究了纤维含量和频率等对SCF/PA66共混体系流变性能的影响。结果表明:SCF/PA66为非牛顿流体,加入SCF后非牛顿系数减小,稠度系数变大;当SCF为10wt%时,熔体表观黏度最小,当SCF为20wt%和40wt%时,熔体表观黏度最大;加入较多SCF后,共混体系的储能模量和损耗模量会大幅提高,当SCF为20wt%时,复合体系损耗因子小于1,材料的弹性响应始终占优。

复合材料加筋壁板不同工艺固化变形试验及模拟

程文礼, 蒋婷, 万喜伟, 刘晓东, 叶宏军, 关志东

2022, 0(9): 90-96. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.013

摘要 ( 157 )

PDF (3933KB) ( 49 )

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针对复合材料T形及U形加筋壁板结构,试验研究了不同成型工艺下的固化变形,并通过有限元模拟进行了变形预测,模拟结果及试验结果对比验证了模型的准确性;模拟研究了T形结构底板对变形的影响以及对T形及U形两种加筋结构的影响。结果表明:相对于共固化工艺,干筋湿蒙皮工艺有使结构向蒙皮一侧纵向翘曲的倾向,湿筋干蒙皮工艺影响效果则相反;对横向翘曲变形与扭转变形基本无影响;筋条底板设计会增大加筋壁板整体向筋条一侧的纵向翘曲变形,同时抑制横向翘曲变形;底板导致T形结构的不对称性,使结构产生了扭转变形,底板的设计不利于固化变形的抑制;U形加筋导致壁板底板刚度变大,纵向翘曲变形减小,结构的对称性使其不存在扭转变形,但增大了回弹影响,横向翘曲变形增大。

短切碳纤维增强混凝土动态抗拉性能研究

刘玉娟, 王丽娟

2022, 0(9): 97-101. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.014

摘要 ( 160 )

PDF (7019KB) ( 77 )

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由于混凝土抗拉、抗压强度的不均匀性,在混凝土中添加碳纤维可以改善混凝土的静态抗拉性能,提高拉压比。考虑到冲击和爆炸荷载对混凝土的破坏,本文研究了应力速率和碳纤维含量对混凝土动态抗拉性能的影响,并从细观层次上探讨其抗拉强度在动、静态性能上的差异。采用直径为74 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对含纤维体积分数分别为0‰、1‰、2‰和3‰的混凝土进行了动态劈裂试验。结果表明,随着纤维含量的增加,混凝土的静态抗拉强度明显增加,但增加的幅度有减小趋势。动态抗拉强度和动态强度增加因子(DIF)均随应力速率的增加而增加,表现出明显的率效应。碳纤维对混凝土动、静强度的影响存在显著差异。在设计混凝土配合比时,应适当选择碳纤维含量,以满足具体工况动、静态力学性能的要求。

民用客机短舱进气道唇口抗鸟撞试验研究与仿真分析

冯荣欣, 邢运, 倪阳, 杨先锋, 汲生成, 邓志

2022, 0(9): 102-108. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.015

摘要 ( 258 )

PDF (4462KB) ( 152 )

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为了研究民用客机短舱进气道结构的抗鸟撞性能,本文针对复合材料层合板结构的短舱进气道开展了鸟撞试验研究,试验研究结果表明:短舱进气道结构出现了唇口与搭接带板铆接处发生撕裂、唇口与前墙连接处紧固件发生拉脱、前墙与内外壁板连接处发生凹陷变形、进气道外壁板出现裂纹等损伤。此外,采用PAM-CRASH软件对短舱进气道结构进行鸟撞试验的有限元仿真验证,数值仿真结果表明:鸟体撞击模式、撞击过程、唇口结构损伤形貌、进气道前墙以及内外壁板上的应变与试验结果基本一致,表明建立的鸟撞数值仿真模型能够较好地模拟短舱进气道唇口的变形和失效行为。鸟撞试验及数值仿真分析研究结果表明短舱进气道唇口尽管损伤严重但前墙未被击穿,验证了结构的抗鸟撞性能。该研究所得结果可为短舱进气道的结构设计提供参考。

航空发动机SiC_f/SiC复合材料与环境障涂层系统及制备技术研究进展

王瀚艺, 卢嘉铮, 贺强

2022, 0(9): 109-123. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.016

摘要 ( 243 )

PDF (15068KB) ( 72 )

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轻质耐高温的碳化硅纤维增韧的碳化硅基复合材料及其环境障涂层(SiC_f/SiC CMCs+EBCs)系统在航空发动机不断攀升的涡轮前温度面前展现出了极大潜力,经过20多年的研发,CMC/EBC部件已成功用于现役航空发动机高温端,新的研究也层出不穷。SiC_f/SiC CMCs+EBCs系统的关键制备工艺包括纤维制备、预制体编织、界面层制备、基体增密和涂层。纤维质量、预制体结构和界面层性能决定了CMC的力学性能,而基体和EBC左右了系统的抗氧化性和环境稳定性。在新型先驱体/新工艺/新涂层材料开发、编织结构优化、原材料利用率和工艺稳定性等方面,CMC/EBC制备技术还有进一步提高的空间。

SiO₂气凝胶纤维复合材料制备及其在建筑节能领域应用的进展

于镇洲

2022, 0(9): 124-132. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.017

摘要 ( 113 )

PDF (918KB) ( 85 )

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主要综述了近几年气凝胶纤维复合材料的制备方法,以及其在管道、墙体保温领域的应用。制备方法分为两大类:一是气凝胶颗粒直接加入纤维,可在纺丝原液或母粒中加入,也可在纤维成网后加固前加入,也可通过后整理的形式将气凝胶颗粒附着在纤维表面;二是气凝胶制备过程中,在溶胶凝胶阶段加入纤维,所添加的纤维根据纤维形式不同可分为短纤维、长纤维、纤维膜碎片、纤维预制体,根据纤维种类可分为无机纤维和有机纤维。管道、墙体等保温领域应用方面,SiO₂气凝胶毡/板应用厚度低于传统保温材料的一半,且节能率更高;与传统保温材料搭配使用,可有效降低材料成本。

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