复合材料科学与工程

祖磊, 牟星, 张骞, 范文俊, 吴世俊, 吴乔国, 张桂明, 耿洪波

2022, 0(12): 5-16. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20211228.031

摘要 ( 123 )

PDF (3705KB) ( 126 )

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基于柱壳和拉普拉斯薄膜理论的筒身和封头应力场计算会导致赤道圆处径向位移不协调,出现理论上的结构分离现象,与结构整体承载过程中实际变形不符。针对纤维缠绕复合材料壳体封头变角度、变厚度、变曲率现象导致应力分析困难问题,以该变形不协调为切入点,开展纤维缠绕复合材料封头复杂应力场有矩理论分析,综合考虑赤道圆处存在的几何突变和材料刚度突变结构因素,并等效处理金属接头端面内压载荷为该接触部分复材的等效内压载荷,得到等效后的径向薄膜位移作为控制方程极孔边界条件,构建了基于板壳理论和宏观层合板理论的纤维缠绕复合材料壳体一体化有矩模型,基于该模型探究了极孔附近胀口现象形成机理。进行了ø150干法缠绕标准试验壳体打压实验,该理论方法计算结果与实验测试结果对比表明,该方法具有较高的计算精度,结合该理论计算结果,从结构、材料刚度突变方面探究了纤维缠绕壳体封头力学响应复杂的内部机理,以及不同缠绕方案下壳体应力的变化规律。该研究成果可以为纤维缠绕复合材料壳体结构设计提供理论支撑,对设计之初快速了解壳体整体应变状态具有重要意义。

平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧压强度的可靠性与灵敏度分析

田静, 邹润文, 王轩, 张峰

2022, 0(12): 17-23. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221228.002

摘要 ( 74 )

PDF (1692KB) ( 76 )

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以平纹编织面板蜂窝夹芯结构作为研究对象,通过建立渐进损伤失效分析模型,研究参数的随机性对结构侧压强度的影响。首先通过有限元分析得到随机输入样本对应的输出响应,基于Kriging方法建立代理模型,采用基于蒙特卡洛的可靠性分析法进行结构可靠性分析,利用基于方差和基于失效概率的灵敏度分析法进行结构灵敏度分析,计算得到结构的可靠度指标与结构各力学性能参数和厚度的灵敏度指标,为结构的可靠性优化设计提供依据。

多次冲击荷载作用下碳纤维高强混凝土损伤特性与能量耗散分析

马学思, 许丽, 张强

2022, 0(12): 24-30. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221228.003

摘要 ( 76 )

PDF (4460KB) ( 27 )

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为研究碳纤维高强混凝土工程在多次冲击荷载作用下的安全性,采用直径为74 mm的分离式霍普金森压杆装置及非金属超声波检测装置对不同碳纤维掺量(0%、0.15%、0.3%、0.45%、0.6%)试件在不同冲击次数(1、2、3、4)下纵波波速、损伤因子、峰值应力及能量耗散规律进行研究,并结合电镜扫描(SEM)观察不同冲击次数下试件内部微观结构,分析试件力学性能与碳纤维掺量及冲击次数间的关系。结果表明:碳纤维的掺入能增加试件整体性,减少试件内部裂隙,增大纵波波速,第1次冲击作用会对试件内部裂隙进行“压实”,试件波速随之增大,随着冲击次数的进一步增加,试件损伤度增大,波速降低;碳纤维的掺入能有效增加试件峰值应力,掺量在0.45%时效果最佳,冲击荷载会对试件造成压实和损伤,试件峰值应力先小幅度上升后大幅度下降;冲击荷载作用下试件能量时程变化主要分为三个阶段,纤维掺量在0.3%时试件能量耗散率最高,多次冲击作用会对试件造成损伤累加,其耗能密度显著降低;SEM试验结果表明碳纤维的存在能够有效减少冲击荷载作用下试件内部裂纹扩展度及裂纹数目,试件微观结构与宏观力学性能变化表现出一致性。

基于线扫描谱域光学相干层析的复合材料微损伤修复过程监测

游汝风, 黄频波, 倪梓浩, 谢胜利, 白玉磊, 董博

2022, 0(12): 31-36. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.032

摘要 ( 94 )

PDF (9266KB) ( 63 )

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早期微损伤检测与修复监测对复合材料的服役安全有着重要意义,故本文提出了一种基于线扫描谱域光学相干层析(LF-SD-OCT)的复合材料损伤修复过程可视化监测方法。该方法利用层析微米级分辨率,可以对材料内部截面进行高精度成像和损伤检测,结合图像处理技术能够实现复合材料内部损伤修复过程的可视化监测。为验证该方法的有效性,设计与搭建了一套倒置式LF-SD-OCT系统,通过标定实验确定了系统深度分辨率为5.20 μm、深度量程为3.36 mm、横向分辨率为6.02 μm以及视场宽度为5.80 mm;并对半透明硅胶材料、光固化树脂材料和透明乙烯－醋酸乙烯共聚物(EVA)材料等内部微损伤进行了层析成像,最后利用LF-SD-OCT动态监测了EVA材料内部损伤的电热修复完整过程。结果表明该方法具有优越的分辨率和动态测量能力,可为监测复合材料修复等领域提供新的思路。

先张法CFRP筋预应力海水海砂混凝土板传递长度分析

黄宇轩, 范凌云, 高婧

2022, 0(12): 37-45. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221228.005

摘要 ( 59 )

PDF (8490KB) ( 33 )

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为了研究先张法CFRP筋预应力海水海砂混凝土板的预应力传递长度,首先进行了CFRP筋与海水海砂混凝土黏结性能的实验,通过理论分析以及有限元数值模拟,得到了影响CFRP筋与海水海砂混凝土黏结性能的主要因素及其影响机理。采用ABAQUS软件建立了先张法CFRP筋-海水海砂混凝土预应力板有限元模型,对先张法CFRP筋预应力海水海砂混凝土的传递长度进行了分析。参数分析结果表明,混凝土强度越高,预应构件的传递长度越短,这是因为黏结强度的增大使得预应力的传递距离变短;而CFRP筋与张拉控制应力的增大,都能显著增大传递长度。本文还提出了基于混凝土黏结强度下的先张法CFRP筋-海水海砂混凝土预应力构件传递长度的计算公式。

胶接对碳纤维层合板与铝合金板单钉连接静强度的影响

刘峰, 王卓煜, 豆广征

2022, 0(12): 46-53. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221228.006

摘要 ( 61 )

PDF (5353KB) ( 35 )

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开展了碳纤维层合板与铝合金板单钉连接及胶螺连接静强度拉伸实验。建立了胶螺连接有限元模型,编写子程序将三维Hashin失效准则嵌入了计算模型。对板间胶层脱黏机理进行了研究,分析了碳纤维层合板的渐进损伤过程。基于实验数据对数值计算模型进行了修正。修正后有限元模型的峰值载荷与实验值误差为2.9%,二次峰值误差为14.8%。研究表明:高强度胶黏剂能提高单钉胶螺连接结构强度和安全裕度;胶黏剂强度越高则峰值载荷越高;板间胶层脱黏后,载荷二次峰值低于初始峰值,且与无胶接单钉螺栓连接峰值载荷基本吻合;螺栓孔内注胶的胶螺连接结构的连接刚度和稳定性优于孔内无胶连接结构;本文构建的有限元模型能较准确模拟位移加载下板间胶层的脱黏机理和碳纤维层合板的渐进损伤过程。

基于灰色关联分析的RTSF-PVA混杂纤维矿渣混凝土的力学性能分析及优化

陈东林, 王学志, 刘华新

2022, 0(12): 54-61. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221228.007

摘要 ( 69 )

PDF (3817KB) ( 79 )

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采用三水平四因素正交设计,研究了回收轮胎钢纤维(RTSF)、聚乙烯醇纤维(PVA)和矿渣对RTSF-PVA/矿渣混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度三项性能指标的影响。结果表明:相比于C50基准混凝土,RTSF-PVA/矿渣混凝土的立方体抗压强度最大提升幅度为23.71%,劈裂抗拉强度最大提升了43.72%,抗折强度最大提升了37.96%。通过方差分析发现:RTSF纤维是影响三项性能指标的显著性因素,矿渣对于立方体抗压强度和抗折强度是显著性因素,PVA纤维对于劈裂抗拉是显著性因素。运用灰色关联分析法和主成分分析法对RTSF-PVA/矿渣混凝土性能指标进行优化,通过对比各因素的灰色关联度得出优化方案:RTSF体积掺量为0.6 kg/m³、PVA体积掺量为0.075 kg/m³、GBFS替代率为15%。优化后的方案与原始方案相比,立方体抗压强度稍有降低,但劈裂抗拉强度、抗折强度与坍落度分别提升1.24%、5.11%和30.91%,该结果验证了优化方法的有效性,并为RTSF纤维、PVA纤维和矿渣的掺量范围提供了参考。

等边角形纤维增强复合材料型材轴压性能试验研究

陈健, 孙泽阳, 詹瑒, 罗佑健, 曾以华

2022, 0(12): 62-68. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221228.008

摘要 ( 79 )

PDF (2084KB) ( 28 )

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纤维增强复合材料(FRP)刚度相对其强度较低,故FRP轴压构件一般是由屈曲承载力控制而不是由材料的抗压强度控制。为研究等边角形GFRP型材的轴压局部稳定性能,选取了15个试件进行试验,将试验结果与有限元模型进行对比,并对现有的几种局部屈曲理论方法计算精度进行评估。结果表明:对于GFRP角形轴压构件,其局部失稳破坏位置大多在端部附近,试件端部纤维被拉断,出现分层现象。有限元计算结果与试验结果吻合良好,表明所建立的有限元模型可以对等边角形GFRP型材局部稳定性能进行较好模拟,且端部约束条件对构件的局部屈曲承载力有显著影响;GFRP长柱的屈曲稳定主要由构件长细比来控制,而短柱的屈曲稳定主要由宽厚比来控制。比较现有的局部屈曲理论计算方法发现,《复合材料拉挤型材结构技术规程》建议的方程可以较好地预测等边角形截面FRP杆件局部屈曲临界力。

3D打印复合材料拉伸变形的声发射监测

孙恒, 马连华, 周伟, 刘佳, 姬晓龙

2022, 0(12): 69-74. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221228.009

摘要 ( 55 )

PDF (7202KB) ( 55 )

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3D打印技术为复合材料制备提供了一种新方法。为了研究不同打印层厚度(t)对3D打印复合材料拉伸变形和损伤演化的影响,采用COMBOT-200打印机打印了3种不同打印层厚度的复合材料。采用声发射(acoustic emission,AE)和数字图像相关(digital image correlation,DIC)技术研究了拉伸加载下3D打印复合材料的力学行为和损伤演化。通过声发射信号分析、聚类分析和全局应变分析,清晰揭示了其失效机理。结果表明:随着打印层厚度的增加,3D打印复合材料的破坏载荷减小,单位时间内AE信号累积撞击数迅速增加;拉伸载荷下AE信号分为三类,分别为基体开裂、纤维脱黏和纤维断裂。在相同载荷范围内,试件表面应变值随打印层厚度的增加而增大。当试样接近拉伸破坏时,材料的表面应变急剧增加,表明试样接近断裂。利用AE和DIC相辅相成的无损检测技术,可以同时获得3D打印复合材料在拉伸载荷下的声发射响应和表面应变场信息,揭示其损伤演化和断裂机理。AE和DIC技术的结合为3D打印复合材料的健康监测提供了参考。

成型方法对高HGMS体积分数固体浮力材料性能的影响

黄纬, 衣亚东, 吴平伟, 戴金辉

2022, 0(12): 75-78. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221228.010

摘要 ( 57 )

PDF (4060KB) ( 31 )

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以环氧树脂E-4221为基体,空心玻璃微珠(hollow glass microsphere,HGMS)做填充材料,分别采用模压、挤出和真空捣打成型方法制备了高HGMS体积分数的复合材料。研究了成型方法对复合材料密度、抗压强度和不同静水压力下吸水率的影响,确定了不同成型方法的适用范围。结果表明:挤出成型和真空捣打成型方法适用于制备高HGMS体积分数的固体浮力材料;挤出成型方法可以获得密度不小于0.62 g/cm³且安全使用深度不小于8 000 m的固体浮力材料;真空捣打成型方法可以获得密度低于0.57 g/cm³且安全使用深度达4 000 m的固体浮力材料。

新型玄武岩纤维复合材料(BFRP)锚杆力学性能研究

罗金标, 彭哲琦, 汪昕, 严宗雪, 林敬辉, 刘浪

2022, 0(12): 79-86. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221228.011

摘要 ( 75 )

PDF (10029KB) ( 76 )

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针对预应力锚杆的性能需求,开发了单筋型、平行索型和绞索型三种不同类型的预应力玄武岩纤维复合材料(BFRP)锚杆,研究了其拉伸、锚固和拉拔性能。结果表明,以环氧树脂作为黏结介质时,平行索的平均强度最高,达1 319 MPa。绞索由于本身捻度,受扭转作用,相较于平行索刚度和承载力有所下降,但是破坏时整体性更好,不会发生逐根破坏。采用平行-内锥式锚具时,锚杆的破坏模式为试件中间自由段纤维炸裂,锚固效率系数均大于97%。平行索的拉拔极限荷载最高,绞索的拉拔极限荷载最低,但拉拔刚度最高。

基于结构仿生的GFRP板簧层间增韧性能研究

白路遥, 王宏晓, 禹军安, 陈艳雷, 惠延波

2022, 0(12): 87-92. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.031

摘要 ( 44 )

PDF (7423KB) ( 40 )

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为了提高玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)板簧的层间韧性,进而提高其疲劳寿命,本文仿照珍珠母矿物质结构单元的排列形式设计了砖砌型增韧结构的GFRP板簧。制作了同尺寸砖砌型结构和非增韧结构缩比板簧样件,层叠铺设方法按照变厚度层合板铺层递减设计原则,并对砖砌型结构和非增韧结构缩比板簧进行了刚度实验、疲劳实验和剩余刚度实验。实验结果显示:与无增韧结构GFRP板簧相比,砖砌结构GFRP板簧的刚度降低了8.4%,但疲劳性能提升了28.99%,疲劳实验后无增韧结构完全断裂,没有剩余刚度,砖砌增韧结构GFRP板簧仍具备43.52%的原始刚度。无增韧结构GFRP板簧的疲劳失效形式是层间分层,结构完全断裂;而增韧结构GFPR板簧的疲劳失效形式是层间分层被阻断,结构形成局部断裂,进行剩余刚度实验后,其断裂截面呈阶梯状。

复合材料胶接挖补中的情境意识预测

贺强, 程林

2022, 0(12): 93-100. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221228.013

摘要 ( 45 )

PDF (5346KB) ( 33 )

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情境意识丧失和退化是导致复合材料结构适航维修差错的重要诱因,情境意识水平监测对于减少维修差错、保障飞行安全具有重要意义。为监测复合材料胶接挖补中的情境意识水平,提出基于眼动的情境意识度量与预测方法。首先,针对复合材料结构胶接挖补工艺过程,结合情境意识理论模型分析了复合材料维修中的情境意识。在此基础上,设计复合材料胶接挖补情境意识测量实验,利用Tobii眼动仪记录被试的眼动数据,SART量表测量被试的情境意识水平,基于情境意识水平与眼动指标的相关性提取了度量情境意识的眼动特征模式。基于该模式,利用RVM构建了情境意识预测模型。研究结果表明模型的预测精度和拟合效果能支持维修情境意识水平的在线监测和评价。

雷电流参数对碳纤维复合材料雷击损伤影响研究

匡成钊, 朱慧鑫, 付昆昆

2022, 0(12): 101-107. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220528.031

摘要 ( 45 )

PDF (7093KB) ( 46 )

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本文采用雷击模拟实验和有限元法研究了碳纤维增强树脂基复合材料在模拟雷电流作用下的损伤机理。建立了考虑材料介电击穿效应的碳纤维复合材料雷击电-热耦合有限元模型,将模型计算的损伤面积和深度与雷击模拟实验结果进行对比,验证了有限元模型的有效性。进一步利用该有限元模型探究了雷电流参数对碳纤维复合材料雷击损伤的影响规律。结果表明:当波形相同时,碳纤维复合材料的雷击损伤面积和电流作用积分呈线性关系;而当电流作用积分和电流强度相同时,碳纤维复合材料的雷击损伤面积随着电流波形上升时间的减少而减少,损伤深度反而增加。

基于核壳纳米纤维的CFRP智能构造设计及自愈合性能研究

肖红波, 毛驰, 王洪伟, 甘雨

2022, 0(12): 108-115. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221228.015

摘要 ( 48 )

PDF (17204KB) ( 31 )

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通过同轴静电纺丝技术,将发泡剂偶氮二甲酸二乙酯(DEAD)和环氧树脂(EP)的混合物封装进聚丙烯腈(PAN)纳米纤维中,制备出超薄核壳纳米纤维毡铺覆在碳纤维织物界面,树脂注入和固化后形成具有超薄自愈合智能夹层的CFRP。利用三点弯曲试验评估了超薄自愈合智能夹层对CFRP层合板损伤失效弯曲强度的自愈合效应。结果表明:PAN核壳纳米纤维及其封装的自愈合剂热性能和CFRP制备成型工艺相匹配;当DEAD含量为5wt%、愈合温度/愈合时间(T/t)为150 ℃/30 min时,CFRP在100%L一次弯曲损伤自愈合效率达到了93.5%,比自愈合剂中无DEAD的提高了12.0%;在加载位移分别为100%L、90%L和80%L的弯曲载荷下,经过三次损伤修复,其自愈合效率依然达到了71.2%、70.2%、84.0%,表明经过多次损伤后,复合材料仍然具备自愈合能力。

碳纤维表面的微波辐射改性方法及其对CFRPs界面性能的影响

张静静, 梁森, 汤超

2022, 0(12): 116-123. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221228.016

摘要 ( 62 )

PDF (8670KB) ( 58 )

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微波辐射改性碳纤维是CFRPs界面强化的有效手段。本工作从电磁场理论、电磁仿真模拟、试验测试的角度全面研究了微波辐射对碳纤维的作用过程,优化了微波电场与碳纤维夹角、辐射区域及辐射时间的工艺参数,定量表征了微波辐射碳纤维对复合材料的界面强化效果。Ansoft HFSS电磁模拟结果表明碳纤维对微波的吸收具有方向选择性:碳纤维对其轴向极化微波产生强反射,反射率高达98.44%;对其径向极化微波的吸收特性良好,反射率仅为6.44%,因此避免微波沿着纤维轴向极化是实现碳纤维有效改性的工艺基础。测试并分析了微波辐射对碳纤维编织布温度的影响规律,优化了适用于碳纤维均匀改性的微波辐射区域;基于微滴脱黏法,建立了CFRPs界面剪切强度与微波辐射时间的关系,获得了辐射80 s时CFRPs界面剪切强度最高22.6%的增幅。

定向纤维混凝土的制备方法与纤维取向研究进展

路鸣宇, 廖维张

2022, 0(12): 124-132. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221228.017

摘要 ( 69 )

PDF (6698KB) ( 85 )

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将短切纤维材料掺入混凝土中可以解决其抗裂性能差、延性低等问题。但由于短切纤维在混凝土中一般为随机分布,纤维取向与受力方向不一致,所以纤维对受力性能的贡献率有限。于是,学者们开展了纤维取向对纤维增强混凝土基本力学性能影响的研究,为提升短切纤维贡献率提供理论和实验依据,开发了定向纤维混凝土的多种制备方法并研究定向后其纤维取向。本文主要从制备原理、制作设备、纤维种类等几个方面对定向纤维混凝土制备方法及纤维取向的研究现状进行了详细整理、总结归纳,并进一步给出了定向纤维混凝土的应用前景。

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