复合材料科学与工程

孙戬, 陈云辉, 张守京

2023, 0(3): 5-10. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.001

摘要 ( 147 )

PDF (3831KB) ( 199 )

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为了准确描述帘线-橡胶轮胎侧偏的力学特性,基于单向纤维增强连续介质力学,给出了一种可用于仿真分析轮胎侧偏的帘线-橡胶复合材料各向异性超弹性本构模型。该模型中应变能被解耦为橡胶基体应变能、帘线拉伸应变能和橡胶与帘线之间的角剪切应变能;结合实验数据标定了模型参数,将标定后的各向异性超弹本构模型用于轮胎接地和侧偏分析;为各向异性超弹性复合材料本构模型的开发以及高精度帘线-橡胶轮胎模型研发提供了重要的研究基础。

基于损伤分形维数的树脂基复合材料冲击后压缩强度预测方法

姜文, 樊红星, 姚卫星, 陈方, 马铭泽

2023, 0(3): 11-17. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220428.031

摘要 ( 98 )

PDF (6782KB) ( 114 )

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复合材料的承载能力对于低速冲击损伤非常敏感,复合材料冲击后压缩强度的预测对其工程应用至关重要。为此本文进行了三种不同铺层的碳纤维/环氧树脂5284RTM/U3160层合板目视可检损伤状态下剩余压缩强度试验。压缩试验前通过C扫获得了不同铺层层合板冲击损伤形貌,并基于分形维数研究了冲击损伤形貌。研究结果表明损伤分形维数越大的试验件冲击后压缩强度越低,据此提出了一种基于冲击损伤形貌分形维数的复合材料冲击后压缩性能预测模型。该方法将冲击损伤形貌等效成分形几何图形——Sierpinski地毯,通过损伤分形维数获得层合板损伤后不再参与承载的面积,进而获得层合板剩余压缩强度。模型预测结果与试验结果吻合较好,且无须冲击能量作为输入参数,工程应用方便。

碳/玻混杂复合材料层合板单钉螺栓连接孔边应力分析

仇刚, 朱福先, 朱兴民, 徐先宜

2023, 0(3): 18-26. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.032

摘要 ( 135 )

PDF (20769KB) ( 167 )

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基于经典层合板理论和复合材料机械连接结构螺栓孔边应力计算公式,推导了碳/玻混杂复合材料单钉螺栓连接结构孔边应力的计算方法。以碳/玻混杂复合材料层合板单钉螺栓连接结构为例,计算了各纤维铺层孔边径向应力、环向应力和剪切应力的分布规律。同时,采用ABAQUS有限元软件建立了碳/玻混杂复合材料层合板单钉螺栓连接结构的有限元模型,分析了层合板孔边的应力。结果表明,理论计算结果与有限元结果吻合较好,验证了解析方法的有效性。

一种考虑纤维桥接影响的三线性内聚力模型

旷佳, 蒋亚琴, 汪舟, 杨莹, 甘进, 王晓丽, 曾飞, 谭理成

2023, 0(3): 27-33. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.031

摘要 ( 72 )

PDF (4813KB) ( 69 )

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为了实现碳纤维层合板DCB试件Ⅰ型分层扩展仿真分析,学术界常采用内聚力模型建立分层扩展模型。但是目前各大商业软件上嵌入的双线性内聚力模型只能实现无纤维桥接或少量纤维桥接下的碳纤维DCB试件Ⅰ型分层扩展。现有研究发现,纤维桥接是碳纤维DCB试件分层扩展中不可忽视的现象。为此本文从双线性内聚力模型出发,开发了一种能够描述大范围纤维桥接的三线性内聚力模型。该模型基于两个双线性内聚力模型构建,两个双线性模型分别用于描述分层起始和纤维桥接。通过与实验结果和双线性内聚力模型数值仿真结果比较,验证了该模型的有效性和优越性。

聚酰胺6/氧化石墨烯改性碳纤维复合材料机械性能与导热性能研究

毕一凡, 程宝发, 朱祥东

2023, 0(3): 34-38. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.005

摘要 ( 207 )

PDF (7657KB) ( 66 )

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采用氧化石墨烯对碳纤维进行了改性(GO-KCF),用双螺杆挤出机制备了聚酰胺6/氧化石墨烯改性碳纤维(PA6/GO-KCF)、聚酰胺6/纯碳纤维(PA6/CF)、聚酰胺6/石墨三种复合材料,对改性碳纤维的组成、热稳定性以及复合材料的断面形貌、弯曲性能和导热性能进行了分析。红外光谱分析结果证实了—OH、—NH—、—CN—、O—Si—O等结构在GO-KCF中的存在,表明氧化石墨烯成功接枝到碳纤维表面;热重分析结果表明经过氧化石墨烯改性后的碳纤维热稳定较好,质量损失率仅有3.5%左右;复合材料的断面SEM结果显示,GO-KCF有效改善了与PA6树脂基体的界面相容性,经过改性后的碳纤维能在树脂基体中构成三维立体网状结构,能够起到传递外力载荷的作用;改性材料添加量都为11wt%时,PA6/GO-KCF复合材料的弯曲强度达到了180 MPa,分别比PA6/CF和PA6/石墨复合材料高出38.5%和24.1%;导热性能测试结果表明,PA6/GO-KCF复合材料的导热性能优于PA6/CF和PA6/石墨复合材料;在9wt%添加量情况下,PA6/GO-KCF复合材料的导热系数达到了2.42 W/m·K,分别是PA6/石墨和PA6/CF的2.7倍和3.9倍。

桥梁隔离式复合材料防船撞管桩受弯性能试验与设计

高世阳, 方海, 葛益玮, 梁勇强

2023, 0(3): 39-43. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.006

摘要 ( 138 )

PDF (3619KB) ( 71 )

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纤维增强复合材料具有轻质高强、可设计性强、耐候性好等特性,可用于桥梁防船撞领域。本文针对纤维增强复合材料缠绕管桩进行了桥梁隔离式防撞系统的研究。对纤维增强复合材料缠绕管桩构件开展了抗弯试验,对比分析了不同纤维缠绕角度和管壁厚度对管桩受弯破坏模式及其力-位移曲线的影响。基于弯曲试验结果,计算了缠绕管桩的弹性模量,根据理论计算设计出悬臂桩和支撑桩两种受力形式的单根防撞管桩,继而给出了排架式管桩防撞系统的设计建议。

预应力碳纤维复合材料索增强混凝土T梁预应力损失研究

王梓豪, 李承高, 咸贵军, 白洁, 熊浩, 许国文

2023, 0(3): 44-52. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.007

摘要 ( 53 )

PDF (10004KB) ( 67 )

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碳纤维复合材料筋因具有较高的抗拉强度、耐腐蚀与抗疲劳性能优异等特点而逐渐应用于混凝土预应力结构中。为了探究CFRP索增强混凝土T梁的预应力损失行为,本文制作了3根无黏结预应力CFRP索增强混凝土T梁,探究构件的预应力分布及张拉方法对预应力损失的影响。试验结果表明:预应力碳纤维复合材料索增强混凝土T梁的预应力由张拉端至锚固端逐渐减小,在CFRP索中直径小的CFRP筋预应力小且存在严重的应力不均匀现象;当采用分级张拉时,碳纤维复合材料索预应力损失量较小,而采用常规方式张拉时,预应力损失量显著上升,可以通过重复张拉的方法来消除部分应力损失。

纤维增强复合材料叶轮对风机振动特性的影响研究

张锦光, 邓伟, 杨桢, 邱浩, 文湘隆

2023, 0(3): 53-58. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.008

摘要 ( 72 )

PDF (9098KB) ( 88 )

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为探究不同材料叶轮对轴流风机振动特性的影响,通过研究不同铺层角度对纤维增强复合材料叶轮固有频率及阻尼比的影响,确定了叶轮铺层方案。计算了不同材料叶轮在额定工况下的安全裕度,结果表明纤维增强复合材料叶轮在运行过程中具有足够的安全裕度。采用谐响应分析方法,对安装有铝合金材料叶轮及纤维增强复合材料叶轮的风机在额定转速下的振动响应进行了对比分析,并对同一风机在仅更换不同材料叶轮的前提下进行振动试验。仿真与试验结果均表明,与装备有铝合金材料叶轮的风机相比,装备有碳纤维增强复合材料叶轮的风机在低频段范围内结构振动加速度级降幅明显,在高频段结构振动加速度级幅值较大。装备有玻璃纤维增强复合材料叶轮的风机全频段的结构振动加速度级均有较大降幅,减振效果显著。

基于先进拉挤工艺的帽形长桁预成型模具的优化重构

陈博毅, 齐俊伟, 王跃全, 石甲琪

2023, 0(3): 59-67. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.031

摘要 ( 143 )

PDF (8715KB) ( 58 )

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对帽形长桁先进拉挤(Advanced Pultrusion,ADP)原理样机制备预制体试验进行了研究。预制体成型质量的影响因素有预成型模具曲面外形、预成型温度、张力大小等,其中模具曲面外形设计不合理会影响层合板温度均匀性及张力传递。结合M21预浸料材料属性在ABAQUS中建立模型模拟预成型过程,层合板变形模拟结果与实际试验基本吻合,验证了弹性参数及边界条件的可靠性。将变形后的预浸料层合板节点坐标通过CATIA文件夹内GSD_PointSpline-LoftFrom-Excel宏命令导入CATIA,运用创成式外形设计重构模具曲面外形。模具优化后重复预成型模拟试验,研究结果表明运用此方法重构模具曲面外形改善了层合板与模具之间的贴附性,架空间隙包络体积减小至优化前间隙体积的2.6%,从而可提高预成型过程中层合板的温度均匀性,便于预浸料层间滑移运动,减少预制体缺陷产生。

基于空气激波管的GFRP层合板抗爆性能研究

田锐, 魏刚, 张涵哲, 吴华鹏, 邓云飞

2023, 0(3): 68-75. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.031

摘要 ( 42 )

PDF (14986KB) ( 43 )

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基于激波管原理自制了80 mm口径的空气冲击波加载装置,并进行了冲击波峰值、速度等参数与破膜压力之间关系的标定。在此基础上,开展了GFRP层合板抗爆性能研究,并用3D全场应变测量系统获取了层合板的动态响应过程。结果表明:使用空气激波管产生的冲击波可以合理模拟爆炸波的加载过程;在冲击波峰值压力为0.93~3.93 MPa之间时,GFRP层合板在冲击波加载过程中的挠度随冲击波压力的增大有S形增大的趋势,卸载之后残余变形很小;预制2 mm小孔的层合板在峰值压力为3.5 MPa的冲击波作用下,发生了撕裂破坏,说明初始损伤严重影响了GFRP层合板的抗爆炸冲击能力。

预固化环氧树脂复合材料构件的共固化研究

武寒, 齐俊伟, 王跃全

2023, 0(3): 76-82. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.011

摘要 ( 84 )

PDF (6977KB) ( 89 )

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针对工字梁等由多个预构件组装后采用先进拉挤工艺共固化的制件,通过对部分构件预固化的方式,在保证后续共固化的黏结性能的前提下,降低表面黏度、提高构件的挺括性以便于构件组装。采用差式扫描量热法(DSC)研究M21C预浸料中树脂的固化动力学,确定预固化工艺,并对不同固化度下制件黏性和层间性能进行研究。结果表明:随着固化度的提高,预浸料的黏性不断下降,可通过改变铺放温度调整预浸料黏性。当预固化度为5.5%时,制件共固化时产生尺寸偏差以及纤维扭曲导致层间性能的下降;当预固化度为20%时,所得制件层间性能最好;当预固化度为32%、45%时,搭接界面不能形成完整的三维网状结构,层间性能大幅减弱。

跨厚比对碳纤维复合材料三点弯曲性能的影响

王一超, 李鹏, 周菊萍

2023, 0(3): 83-88. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.012

摘要 ( 229 )

PDF (13978KB) ( 99 )

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本文分别以日本东丽T700SC、T1100G碳纤维为增强体,自制树脂体系为基体,采用模压工艺制备了单向碳纤维复合材料层合板。分别研究了两种复合材料层合板在跨厚比为16∶1、32∶1、40∶1、50∶1时三点弯曲强度的变化规律,并着重分析了对应的弯曲破坏模式。结果表明:T700、T1100碳纤维复合材料的三点弯曲最佳跨厚比分别为32∶1和40∶1,对应的破坏模式均为上表面压缩和分层破坏。在32∶1的标准跨厚比下,T1100碳纤维复合材料层合板的弯曲强度为1 779.87 MPa,仅比T700碳纤维复合材料层合板高2.61%。

复合材料带填充钉孔层压板拉伸载荷下损伤特性分析

张幻实, 张发, 高丽敏, 贾银磊

2023, 0(3): 89-94. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.013

摘要 ( 68 )

PDF (7089KB) ( 56 )

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复合材料填充钉孔层压板常用于机械连接设计中,考虑了开孔处的螺栓约束和层压板钉孔周边区域挤压变形的旁路失效问题,主要用于飞机复合材料结构的强度许用值设计,在航空航天等领域受到日益广泛的应用。为比较依据不同失效准则开展的复合材料带填充钉孔层压板拉伸损伤扩展失效特性,利用ABAQUS有限元软件,建立了二维和三维有限元模型,建模中考虑了材料非线性行为和失效判断等基本问题,基于Hashin准则和LaRC05准则对相应铺层顺序的含填充钉孔复合材料层压板进行了静态拉伸数值模拟,根据ASTM D6742进行了填充钉孔层压板单轴拉伸试验,将数值模拟结果与试验结果进行对比,数值模拟结果较好地模拟了含填充钉孔复合材料层压板的拉伸渐进失效模式,具有良好的工程应用意义。

C/C-SiC刹车材料摩擦面出现沟槽的机理及其影响研究

施伟伟, 张艳萍, 任金伟, 韩文静, 张挺

2023, 0(3): 95-98. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.014

摘要 ( 50 )

PDF (6057KB) ( 58 )

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对C/C-SiC刹车材料摩擦面沟槽的表观特征和物相分布进行了分析,研究了沟槽形成的原因、机理及其对刹车性能的影响。结果表明:当C/C-SiC刹车材料摩擦面出现大颗粒的硬质点时,会发生犁削磨耗或挤压剥落机制,产生明显的槽状沟槽或层状剥落沟槽;摩擦面有明显沟槽的C/C-SiC刹车材料刹车力矩整体高于摩擦面平整光滑无沟槽的C/C-SiC刹车材料刹车力矩。

基于干涉检测的复杂进气道自动铺丝可行性研究

黄威, 董文武, 姚锋

2023, 0(3): 99-103. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.015

摘要 ( 40 )

PDF (5390KB) ( 40 )

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飞机进气道采用基于自动铺丝工艺的复合材料整体成型方案,为分析进气道型面自动铺丝的可行性,对进气道型面与铺丝头的干涉问题进行了研究。首先,以进气道型面网格化的STL文件为对象,并结合铺丝头的边界条件,开发了基于VC++6.0的干涉检测计算程序,获得了型面上干涉区域的位置,并以点云进行标识。然后,在CATIA下对标识的干涉区域进行铺丝头外形轮廓的建模,并在Vericut仿真软件下对进气道型面进行自动铺丝运动仿真,验证了型面上标识的干涉区域的正确性。最后,将标识过干涉区域的进气道型面反馈给设计进行型面修正,获得了满足自动铺丝条件的进气道型面。

成型压力对碳化硼/芳纶防弹插板的性能影响

王华, 王希杰, 师慧, 韩笑

2023, 0(3): 104-107. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.016

摘要 ( 189 )

PDF (5819KB) ( 80 )

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由陶瓷和纤维制成的复合插板具有优异的抗冲击性能,被广泛应用于防弹衣插板。本文通过实弹靶试研究了碳化硼(B₄C)陶瓷和芳纶预浸料复合过程中成型压力对插板防弹性能的影响。实验发现B₄C陶瓷/芳纶复合插板通常可以经受一至两发子弹的冲击,体现出较强的防弹能力。同时高压复合插板具有较高刚度,可以降低中弹后弹痕的深度;而低压复合插板具有较高的韧度和拉伸变形能力,可以降低背板被击穿的概率。本研究对制作高性能陶瓷-纤维复合防弹衣插板具有重要指导意义。

DAP/聚苯醚改性氰酸酯树脂复合材料及其性能

步晓君, 许星烨, 贾宇翔, 华娇, 祝正浩, 周权, 倪礼忠

2023, 0(3): 108-111. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.017

摘要 ( 189 )

PDF (2527KB) ( 98 )

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邻苯二甲酸二烯丙酯(DAP)和聚苯醚(PPO)共同改性氰酸酯树脂(CE),利用差式扫描量热法(DSC)和热失重分析(TGA)考察了DAP/PPO/CE树脂的固化行为和耐热性能。按照不同质量比制备了DAP/PPO/CE玻璃纤维复合材料,通过介电分析仪(DEA)、弯曲强度和层间剪切强度测试分析该复合材料的各项性能。结果表明,DAP的加入促进了PPO/CE树脂的固化,改善了复合材料的力学性能和介电性能,树脂体系仍保持优异的耐热性能,并且在DAP/PPO/CE=8/40/100(质量比)时促进效果、力学性能和介电性能最为优异,弯曲强度可达651.4 MPa,层间剪切强度可达62.0 MPa。

单向混杂碳纤维增强复合材料在三点弯曲载荷下的力学性能

周菊萍, 李鹏, 王一超

2023, 0(3): 112-119. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.018

摘要 ( 78 )

PDF (8879KB) ( 114 )

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本文采用模压成型工艺,使用日本东丽公司T1100GC和M55J两种碳纤维预浸料制备了一系列单向混杂碳纤维复合材料(HCFRP)层合板,通过改变HCFRP的混杂比和铺层方式,研究了不同HCFRP在三点弯曲载荷作用下的力学性能,并使用光学显微镜观察HCFRP的破坏形貌,分析其失效模式。研究表明:单一T1100GC和单一M55J碳纤维复合材料均发生压缩破坏,B型混杂结构HCFRP则以中间层的剪切破坏为主,C型混杂结构HCFRP的破坏模式与混杂比有关。无论何种混杂结构的铺层方式,混杂比为47.1%的HCFRP均表现出最优的弯曲性能,其中以M55J碳纤维作为芯层的C型混杂HCFRP的弯曲强度最高,为2 052.7 MPa,其破坏模式表现为整体破坏;以T1100GC碳纤维作为芯层的C型混杂HCFRP的弯曲弹性模量最高,为310.5 GPa,其破坏模式表现为分层破坏。

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)设计理论及力学性能研究进展

冷赞, 薛昕

2023, 0(3): 120-132. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.019

摘要 ( 70 )

PDF (4583KB) ( 147 )

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应变硬化水泥基复合材料(SHCC)克服了普通混凝土韧性差、裂缝宽度难以控制等缺点,在拉伸状态下呈现准应变硬化和多缝开裂特性,韧性和耐久性优异,应用前景广泛。我国针对SHCC的研究起步较晚,目前已开展了大量研究,取得了众多成果,但仍存在不少课题。本文首先对SHCC的性能定位、承载机制以及设计方法进行了阐释,重点说明了微观材料参数对SHCC材料宏观力学性能的显著影响;在此基础上重点聚焦SHCC的拉伸性能在我国的研究现状进行了综述,并对其他力学性能进行了简要概述,综述结果证明了上述设计理论在SHCC材料设计过程中的重要指导作用;最后总结了目前研究中存在的课题并对将来的发展进行了展望。希望本文能对SHCC的进一步深入研究和推广应用提供一定的借鉴作用。

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