复合材料科学与工程

张桂明, 沈志强, 祖磊, 王华毕, 张骞, 夏献钊, 耿洪波, 潘杰, 邹李清

2023, 0(1): 5-15. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.001

摘要 ( 165 )

PDF (8327KB) ( 195 )

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为了对变刚度复合材料层合板进行刚度分析,基于微分求积法(DQM)对层合板振动方程进行离散单元化处理,从而便于进行频率分析。同时,将基频作为振动的重要研究参数,将蚁群算法(ACA)与DQM联合使用,通过蚁群算法随机生成初始角度,从而实现在进化迭代过程中对DQM计算所得的频率值进行改进。分析结果表明:通过ACA的进化迭代过程,可以很好地对铺层始末角进行选择优化。通过信息素的逐代更新,并对ACA进行适当改进,实现最终角度收敛,寻找到最优铺层始末角为[<38°|62.75°>,<90°|72°>,<0°|5°>,<0°|5°>]_S,对应频率值为11.712 57 Hz。同时对数据进行统计,表明初始角主要集中在0°、38°和90°附近;终止角分布较为松散,但主要集中在10°~90°附近。

碳纤维平纹与斜纹编织复合材料低速冲击多尺度分析与对比

刘乐, 时建纬, 杨晶晶, 李成

2023, 0(1): 16-25. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.002

摘要 ( 288 )

PDF (8372KB) ( 268 )

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为了探究平纹与斜纹编织复合材料的冲击响应,构建了多尺度框架来进行二者的分析与比较。首先构造出介观下的平纹与斜纹编织结构几何模型来探究二者的力学性能,然后将平纹与斜纹编织几何模型进行局部均匀化从而转化为等效交叉层合板模型,最后把二者的等效交叉模型拓展为宏观下的低速冲击仿真模型,在6 J能量下做了冲击仿真模拟并与实验结果做了对比。仿真和实验结果显示,二者仿真下的冲击力变化趋势与实验下的冲击力变化趋势相似,说明了该多尺度框架的可行性。斜纹编织复合材料的冲击力峰值、冲击力震荡时间以及吸收能量都要高于平纹编织复合材料。

蜂窝夹层结构中新型半埋件设计及其拉拔性能研究

崔浩南, 文立伟, 赵聪

2023, 0(1): 26-33. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220328.031

摘要 ( 100 )

PDF (8488KB) ( 86 )

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传统蜂窝夹层板后埋件采用工字形结构,需要手动注胶至胶液填满蜂窝芯格,精度低、效率低,且埋件-胶液整体重量较大。出于减重和适应自动化装填的目的,设计了新型帽形半埋件结构,搭建了埋件自动化装填平台,完成了埋件自动化组装工艺验证;利用工业CT分析了不同流胶口数量的胶液填充状态;借助拉伸试验机对不同数量流胶口、不同注胶量的新型半埋件及胶液填充100%的传统工字形全埋件做垂直于面板的拉伸试验。结果表明:新型半埋件侧面流胶口的数量越多,胶液填充越均匀,拉伸性能越好;且注胶量的增大能显著提高其拉拔承载力,相应的埋件-胶液总重也会迅速提高,但当注胶量过大时,过多胶液会流至蜂窝底部,拉拔承载力增幅较小。与传统工字形全埋件相比,新型帽形埋件的最大拉拔承载力有所降低,但降幅较小,其中G08-P04只降低了9.5%,同时,结构质量却能减少65.2%,更加适用于低承载、轻质结构板的要求。所做工作可以为半埋件减重设计及自动化组装提供参考。

插层补强复材构件中插层锯齿状边界处的厚度分析

张浩天, 王显峰, 高天成, 叶帆

2023, 0(1): 34-43. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.004

摘要 ( 123 )

PDF (6338KB) ( 57 )

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为了对含插层的铺层进行厚度计算,本文首先引入边界剩余量概念和表示方法,来对锯齿状边界三角形区域的大小进行定量评价;然后对插层轨迹中心线离散化,计算轨迹中心线端点沿切向至插层边界的距离,从而对不同情况下的边界剩余量进行计算,同时,利用边界剩余量对边界处产生的三角区进行划分并定量化计算,为单层铺层的厚度分布计算奠定基础;最后通过对芯模曲面的网格化和内、外侧三角区以及铺放缺陷区域在各层铺层的曲面赋型,获取三角面片顶点处厚度,求取三角面片三个顶点位置厚度的平均值作为三角面片整体厚度,从而对铺层整体进行厚度分析。

不同铺层数量下的纤维角度曲线变化复合材料层合板振动特性研究

叶帆, 王显峰, 王东立, 高天成, 张浩天, 冯天洋

2023, 0(1): 44-54. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.005

摘要 ( 113 )

PDF (10762KB) ( 73 )

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相比于传统复合材料纤维直线铺放层合板,纤维角度曲线铺放时可改变层合板的应力分布,提升刚度和承载能力。出于减振的目的,设计制备了不同纤维曲线角度和不同铺层数量的纤维曲线层合板,利用模态试验对比分析了纤维曲线角度和铺层数量对层合板振动特性的影响。结果表明:铺层数量相同时,纤维曲线角度变化为±<60|75>时,层合板的前三阶固有频率达到最优状态;纤维曲线角度变化为±<45|60>时,层合板的阻尼比最大;当纤维曲线角度变化相同时,对比8层、12层、16层三组不同铺层数量对层合板固有频率的影响,铺层数量在8~16层范围内,层合板的前两阶固有频率随铺层数量的增加呈现先增大后减小的趋势。所做工作可以为纤维曲线层合板的振动优化提供参考。

应力损伤下玄武岩纤维混凝土内部孔隙结构及能量耗散试验研究

李伟, 李森, 王洪强

2023, 0(1): 55-62. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.006

摘要 ( 66 )

PDF (5611KB) ( 39 )

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基于试验研究不同应力水平损伤作用下玄武岩纤维混凝土损伤度、孔隙结构及能量耗散规律,采用非金属超声波检测仪测量0σ_m、0.15σ_m、0.3σ_m、0.45σ_m、0.6σ_m五种不同应力水平损伤作用下试件纵波波速及损伤因子变化规律,利用核磁共振(NMR)试验方法研究不同应力水平损伤作用下试件T₂谱分布、孔径分布及孔隙率变化规律,并结合万能压力机对试件进行单轴压缩试验,分析其应力-应变曲线、峰值应力及能量耗散变化规律。结果表明:应力作用下,玄武岩纤维混凝土试件会发生损伤,试件高度随作用应力水平的增大而减小,纵波波速先小幅度增大后降低,低应力水平作用对试件整体性有增强效果,高应力水平作用对试件造成损伤,且应力越大,损伤程度越高;0.3σ_m应力水平作用下试件T₂图谱峰值最低,0.6σ_m应力水平作用下试件T₂图谱峰值最高,试件孔隙率随应力水平的增大先减小后增加;试件内部孔隙主要以微孔、中孔形式存在,低应力水平作用下试件内部原生裂纹被压缩,试件内部中孔向微孔转化,总孔隙率降低,高应力水平作用时试件在应力作用下发生损伤变形,试件内部裂纹孔径增大,孔隙率增加;玄武岩纤维的掺入增加了混凝土的塑性变形能力,试件峰值应力随作用应力水平的增大而降低,且降幅显著增加;试件单位体积耗散能会随应力水平的增大而减小,机械损伤度S随应力水平的增大存在小幅度增加,应力损伤下试件弹性变形能力减小,能量耗散率增加。

三维有限元模拟大长径比闭口梁的固化过程及其变形预测

万君, 张杰, 沈艳彬, 沙惠萍, 雷祖祥

2023, 0(1): 63-69. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.007

摘要 ( 168 )

PDF (4012KB) ( 47 )

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大长径比闭口梁因具有变截面特性导致其固化过程往往较难预测。本研究通过构建热固化、流动-压实、应力-变形耦合的控制方程建立了有限元模型,计算了一体式大长径比闭口截面复合材料梁的固化过程,并基于模拟结果优化主梁成型模具的设计及制造。通过对比缩比件样品与模拟的结果发现全尺寸主梁外形面的仿真结果与实际形变量的平均误差为8%,最大计算误差为17%,验证了模型的准确性。该模型可以为构件模具的预变形设计提供依据,实现基于回弹变形补偿技术的一体式大长径比闭口复合材料梁的精确成型。

三维自动光学检测设备CFRP光学系统挂架的制备及固有频率分析

李磊, 曹东风, 冀运东, 刘鹏飞, 谭永青, 陈剑平

2023, 0(1): 70-76. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.008

摘要 ( 48 )

PDF (9794KB) ( 39 )

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自动光学检测(AOI)设备是常用于检测印刷电路板(PCB)表面焊接缺陷的仪器,光学系统挂架的振动影响其检测精度和效率。为了提高AOI设备精度和效率,采用碳纤维复合材料(CFRP)代替铝合金设计制作挂架,并通过ABAQUS有限元软件分别对CFRP挂架和铝合金挂架进行建模,计算其固有频率和振型。对CFRP挂架和铝合金挂架进行敲击实验,实验结果与仿真结果基本相符,误差小于16%。相比于铝合金挂架,CFRP挂架的1阶固有频率增加了8.51%。最后对两种挂架进行高速成像检测实验,结果表明装备CFRP挂架的AOI设备成像精度更高,稳定性更好,效率更快。

铺层角度和触发机制对碳纤维复合材料六边形薄壁管准静态轴向压缩性能的影响

陈东方, 武海鹏, 梁钒, 周骐, 宋显刚, 田爱琴

2023, 0(1): 77-84. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.009

摘要 ( 62 )

PDF (13160KB) ( 110 )

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复合材料六边形碳纤维薄壁管采用预浸料铺放和纤维缠绕组合工艺成型,并在管端部设置开槽、开孔不同形式的触发机制。对复合材料薄壁管进行准静态轴向压缩载荷实验,分析其变形模式和吸能机理,及铺层角度和触发机制对薄壁管比吸能和总吸能的影响。实验证明,相同触发机制下[±45°]铺层角度的六边形薄壁管试件的比吸能和总吸能比[0°/90°]、[±45°₂/0°/0°/90°/0°]、[64°₂/0°₂/64°₂/0°₂/64°₂]铺层角度试件高123.7%、111.5%、111.5%,相同铺层角度下触发机制为开槽时的初始峰值载荷要高于开孔形式。

CFRP加固震损填充墙RC框架结构抗震性能试验研究

张永兵, 吴建新, 代柏乐, 郑磊

2023, 0(1): 85-93. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.010

摘要 ( 80 )

PDF (7910KB) ( 38 )

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为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)加固震损填充墙钢筋混凝土(RC)框架结构抗震性能,完成了3榀已经震损的填充墙RC框架试件及1榀完好空框架试件CFRP加固后的拟静力试验,获得了CFRP加固震损后填充墙RC框架结构的破坏形态和滞回曲线,分析其承载力、刚度退化、耗能和延性等抗震性能指标,并与完好未加固试件进行对比。结果表明:CFRP加固震损空框架试件,可以有效提高试件的峰值承载力和耗能能力,结构刚度退化水平缓于原试件;CFRP加固震损刚性连接填充墙RC框架试件,可以恢复试件的承载力、刚度和耗能能力至震损前水平;CFRP加固震损柔性连接填充墙RC框架试件,由于橡胶的存在延缓了填充墙与框架之间较强的顶推作用,延缓了填充墙的破坏,使得框架和填充墙依然能够协同工作继续抵抗水平荷载,当试件较大变形时,CFRP充分发挥约束作用,其峰值承载力、耗能能力都可以得到显著提高,刚度退化也较原试件缓慢。

玄武岩纤维混凝土孔隙结构及在围压下渗透性能研究

胡秀月, 庞建勇, 雷成祥

2023, 0(1): 94-99. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.011

摘要 ( 87 )

PDF (3998KB) ( 71 )

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基于试验研究不同玄武岩纤维掺量混凝土的孔隙结构、力学性能及在围压作用下的抗渗性能。采用单轴压力机对纤维掺量为0%、0.05%、0.1%、0.2%、0.3%的玄武岩纤维混凝土开展单轴压缩、劈裂试验,利用TAW-2000伺服三轴试验机进行不同围压(4 MPa、5 MPa、6 MPa、7 MPa、8 MPa、9 MPa、10 MPa)作用下三轴压缩渗透试验,并结合全自动快速比表面积及孔隙度分析仪与扫描电子显微镜(SEM)获取试件内部孔隙变化及微观结构,分析玄武岩纤维对混凝土试件强度、韧性、孔隙结构及抗渗性能的影响规律。结果表明:玄武岩纤维的掺入能够极大改善混凝土试件的力学性能及延展性,纤维掺量为0.05%时试件抗压、抗拉强度最大,掺量为0.1%时试件韧性最佳,过量的纤维掺入反而会降低试件抵抗外荷载的能力;纤维的掺入能够减小试件孔隙直径,降低孔隙率,纤维与胶凝材料间形成良好的粘接效果,并在试件内部形成空间网状结构,增强试件整体性,减少裂隙的产生与扩展;不同围压下玄武岩纤维混凝土渗透率能始终小于素混凝土,纤维的掺入使得混凝土材料自身孔隙率降低,提高混凝土材料的抗渗能力,围压的增加使得两种混凝土试件的渗透率均不断降低直至趋于稳定,玄武岩纤维混凝土试件渗透率降幅较为平缓。

超轻大尺寸复合材料拉挤型材在高层建筑外挂构架梁中的应用研究

秦珩, 刘天桥, 于涛峰, 易树声, 熊进凤, 范艳君, 冯鹏

2023, 0(1): 100-106. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.012

摘要 ( 98 )

PDF (11970KB) ( 80 )

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提出了一种基于复合材料拉挤型材的新型高层建筑外挂构架梁。结合实际工程问题,设计并制备了大尺寸拉挤型材外挂构架梁,通过有限元数值模拟分析验证了拉挤型材构架梁的力学性能。对构架梁的安装施工方法进行了介绍,并和传统钢结构方案进行了经济性比较。提出的拉挤型材外挂构架梁可以大幅降低结构自重(仅为同类型钢结构的四分之一),提高结构的环境耐腐性能,并有效减少施工相关的措施费。

预埋FBG传感器的CFRP受电弓上框架成型工艺研究

王艳娟, 丁国平, 余熠

2023, 0(1): 107-111. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.013

摘要 ( 61 )

PDF (3967KB) ( 33 )

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本文设计了一种预埋FBG传感器的CFRP受电弓上框架,以某铝合金受电弓上框架的形状和结构尺寸为参考,CFRP受电弓上框架采用全碳纤维复合材料,在保证装配尺寸不变的前提下,对结构进行了优化设计。同时结合复合材料成型工艺的特点,对其进行了铺层设计和成型工艺研究。为获取CFRP受电弓上框架在服役过程中的层间应变信息,根据其设计结构及铺层方案,在制作过程中预埋一定数量的FBG传感器,确定了FBG传感器的布局方式。并对CFRP受电弓上框架预埋FBG传感器的预埋方式和光纤引出保护方式进行研究,选择用塑料套管对表面引出的光纤进行保护,防止光纤损坏。

飞秒激光对玻璃钢表面的烧蚀特性试验研究

何宗泰, 刘可欣, 刘鸣, 刘顿, 杨奇彪

2023, 0(1): 112-115. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.014

摘要 ( 177 )

PDF (7797KB) ( 71 )

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玻璃钢因其优良的透波性和介电性能而被广泛应用于雷达设备的容器或外壳的制造。为了对玻璃钢表面进行精密加工,采用波长为1 030 nm的飞秒脉冲激光对玻璃钢表面进行刻蚀,研究了不同激光能量密度、扫描速度以及刻蚀次数对玻璃纤维增强树脂基复合材料表面的烧蚀效果。研究发现飞秒激光对玻璃钢的烧蚀状态可分为弱烧蚀与强烧蚀,且强烧蚀状态可在弱烧蚀的基础上演变形成。弱烧蚀状态时,激光对材料的去除机制主要为热解汽化,热影响较小,加工后的表面能够维持部分原始组织结构与化学性质。当激光能量密度、光斑重叠率或扫描次数增加后,材料表面的热累积效应增强,加剧了材料的消融率,形成强烧蚀状态,烧蚀后材料表面组织结构与化学性质发生改变,碳化现象显著。

高性能有机纤维在防弹复合材料领域应用研究现状

董彬, 魏汝斌, 王小伟, 张文婷, 李锋, 翟文

2023, 0(1): 116-123. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.015

摘要 ( 89 )

PDF (2787KB) ( 122 )

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纤维增强树脂基复合材料在弹道防护领域表现出极大的应用潜能,可显著提升防护装备的防护能力和轻量化水平,已成为各国互相竞争的核心战略材料。纤维增强体的性能对复合材料的抗弹性能起到决定性作用。本文首先简要探讨了纤维复合材料的抗弹吸能机理,分析了纤维力学性能与抗弹性能之间的关系。重点介绍了目前几种弹道防护领域常用高性能有机纤维如对位芳纶纤维、杂环芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并双噁唑纤维、聚苯撑吡啶并二咪唑纤维等的合成制备、结构特性、物理机械性能、主要优缺点及在弹道防护领域的应用现状,展望了高性能有机纤维在防弹复合材料领域的发展趋势。

石墨烯及其复合材料摩擦学研究进展

朱亚南, 刘永业, 俞亮

2023, 0(1): 124-136. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.016

摘要 ( 80 )

PDF (7699KB) ( 69 )

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石墨烯是一种高性能的二维纳米润滑材料,被广泛应用于摩擦学领域。本文介绍了石墨烯独特的层状结构和表面形貌赋予其优异的本征摩擦性能,包括层间滑移行为加快了非公度转变,构织石墨烯表面褶皱储存纳米粒子降低其表面摩擦系数。归纳了作为第三体介质研究其复合润滑性能存在的问题,包括团聚现象及分散性差等。重点综述了石墨烯复合润滑的研究进展,其中包括将其引入润滑体系中制备复合添加剂,发挥其与各添加相之间的协同作用;阐述了流体切削过程中石墨烯纳米粒子具有修复金属材料加工表面的功能,有效抑制了摩擦温升,降低了切削过程的摩擦系数;将其作为增强相通过溶液共混、层压烧结、氧化改性、原位聚合等成型工艺制备复合材料。概述了提高石墨烯与各组分之间协同性以及与基体材料结合强度的方法,总结了其改善材料减摩耐磨性能的作用机理。展望了石墨烯及其复合材料的未来研究趋势,并提出了仍需进一步开展的研究工作。

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