复合材料科学与工程

张锦光, 李弋文, 文湘隆, 欧阳宇嘉, 孟由

2023, 0(2): 5-13. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230228.001

摘要 ( 88 )

PDF (14107KB) ( 22 )

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胶接是碳纤维复合材料(CFRP)传动轴与其他部件连接的最主要方式。由于胶接强度的不确定性,应用有限元软件研究胶层设计的合理性已成为一种普遍选择。首先研究了胶接接头的失效准则、胶接接头刚度平衡设计准则与剪切强度设计方法。同时,为了提高同类型CFRP-金属胶接接头有限元分析的效率,使用Python编程语言开发了基于ABAQUS有限元软件的参数优化插件。开发的参数优化插件提供了CFRP-金属胶接接头有限元分析的自动前后处理功能,实现了基于胶接接头刚度平衡设计准则与剪切强度设计方法的参数优化功能。最后通过试验验证了仿真插件的准确性和有效性。

基于改进三胞模型考虑孔隙缺陷的三维四向编织复合材料多尺度力学性能分析

张怀, 李成, 刘乐, 龚桂林

2023, 0(2): 14-23. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230228.002

摘要 ( 51 )

PDF (5437KB) ( 41 )

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编织复合材料在制造过程中不可避免地会出现孔洞缺陷,这些缺陷直接影响编织复合材料的力学性能。基于开源软件TexGen^[1]实现编织复合材料内胞、面胞和角胞的参数化建模,在面胞和角胞模型中均考虑了纱线轨迹在空间中的偏移和受到打紧工序时纱线之间的相互挤压。利用random函数在微观尺度微观模型的基体中引入孔隙单元来模拟纤维束内干斑,在细观尺度上的三单胞模型基体中引入孔隙单元来模拟纤维束间孔隙,在宏观尺度上建立含内胞、面胞、角胞细观单元宏观均质模型对宏观弹性常数进行预测。结果表明:①孔隙率对细观尺度三类单胞模型的弹性常数影响程度不同;②纤维束内干斑孔隙对宏观弹性性能的影响要大于纤维束间孔隙,随着干斑孔隙率P_m增加,纵向泊松比减小,而随着纤维束间孔隙率P_n增加,纵向泊松比呈现出递增的趋势。

纤维网格增强砂浆加固RC双向板试验及承载力计算模型研究

李泳璋, 吴迪

2023, 0(2): 24-33. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230228.003

摘要 ( 88 )

PDF (5009KB) ( 41 )

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为进一步研究纤维网格增强砂浆(Textile Reinforced Mortar,TRM)加固对钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)双向板抗弯承载力的影响,通过四点抗弯加载方法对三块RC双向板进行试验,研究不同加固方式对TRM加固RC双向板抗弯承载力及弯曲变形能力等的影响。结果表明:采用TRM对RC双向板进行加固可有效提升其承载能力及弯曲变形能力,与未加固试验板相比,两块加固板的抗弯承载力分别提高了54.2%和43.8%,能量吸收值分别提高了75.5%和49.1%;与未加固试验板相比,采用界面剂与未采用界面剂对试验板进行界面处理,其裂后刚度分别增加了145.2%和83.4%,说明采用界面剂的加固方式能够有效提升加固层与旧结构之间的黏结力,阻止新旧界面裂缝的萌生与发展。同时本文基于塑性铰线理论,提出了TRM加固RC双向板的承载力简易计算公式,同试验值相比吻合度较好,为工程应用提供了较为实用的设计方法。

正交各向异性材料断裂分析的插值型无单元伽辽金比例边界法

王娟, 陈杨, 肖树聪

2023, 0(2): 34-38. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230228.004

摘要 ( 34 )

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插值型无单元伽辽金比例边界法是一种在改进的插值型移动最小二乘法框架下,结合了比例边界法和无单元伽辽金法长处的半解析数值方法。这种方法通过引入比例边界坐标系,只需在求解域的环向上进行数值离散,在径向上采用解析的方法进行计算,处理各向同性材料断裂问题时拥有可观的精度与效率。为进一步发挥这种方法的显著优势并提高其适用性,将插值型无单元伽辽金比例边界法运用于正交各向异性材料断裂分析研究中。最后利用两种不同裂纹形式的数值算例证实了本文方法的有效性与准确性。

基于多目标优化的控制臂碳纤维铺层研究

康元春, 刘俊峰

2023, 0(2): 39-43. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230228.005

摘要 ( 32 )

PDF (3096KB) ( 18 )

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为得到轻量化的碳纤维控制臂,并确定最佳碳纤维铺层角度,采用了移动最小二乘法拟合响应面结合多目标优化的方法。在采用碳纤维复合材料替代钢质控制臂时,基于等刚度近似关系确定碳纤维复合材料的厚度。为进一步提升碳纤维复合材料控制臂性能,结合Hammerley试验和移动最小二乘法来拟合铺层角度与控制臂刚度性能的关系。基于拟合的响应面,采用多目标优化方法确定最佳碳纤维铺层角度方案。与原钢质控制臂相比,碳纤维控制臂重量减轻了32.7%,且刚度强度性能满足要求。

外贴预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁抗弯疲劳性能有限元分析

张智梅, 杨旸

2023, 0(2): 44-53. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230228.006

摘要 ( 36 )

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为了研究外贴预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁在疲劳荷载下的抗弯性能,本文综合考虑混凝土、钢筋和CFRP在疲劳加载过程中的疲劳损伤,分别建立各自的疲劳本构模型;采用疲劳累积损伤失效全过程数值分析方法,利用ABAQUS软件对外贴预应力CFRP布加固的钢筋混凝土梁进行建模分析,分别研究混凝土强度、疲劳荷载幅以及CFRP预应力水平对疲劳荷载下加固梁抗弯性能的影响。分析结果可得:提升混凝土强度、提高CFRP的预应力水平、减小荷载幅等措施均可以增大加固梁在疲劳加载后的剩余承载力,同时减小混凝土、钢筋以及CFRP的应变,达到改善加固梁的受力和变形性能的效果;提高CFRP预应力水平可以有效提升CFRP的强度利用率,充分发挥其高强特性。

一种复合材料桨叶动力学建模研究

邵松, 应旭成

2023, 0(2): 54-59. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230228.007

摘要 ( 32 )

PDF (5565KB) ( 14 )

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直升机旋翼在工作状态下,复合材料桨叶在周期交变气动环境中经历大幅非线性拉伸、弯曲及扭转变形,传统的中等变形梁理论不能满足复合材料桨叶动力学特性分析的需求。本文基于几何精确梁理论,采用混合变分法建立旋翼复合材料桨叶动力学模型,通过数值方法求解了具有结构耦合的复合材料梁的变形及固有频率,并与Minguet大变形复合材料梁测试结果进行了对比验证,同时计算了旋转状态下复合材料桨叶的动力学响应,并与Dymore软件计算结果进行了对比分析,结果表明本文所建立的复合材料桨叶动力学模型能够准确预测具有结构耦合的复合材料梁的动力学特性,验证了模型的有效性。

纤维缠绕储氢气瓶逐层更新建模方法与性能评估

张桂明, 宋春雨, 祖磊, 张骞, 陈世军, 扶建辉, 李德宝, 耿洪波

2023, 0(2): 60-66. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230228.008

摘要 ( 42 )

PDF (7007KB) ( 39 )

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本文提出了一种基于三维激光扫描系统与ABAQUS二次开发的纤维缠绕储氢气瓶逐层更新建模方法。通过Python语言编写建模程序,将三维扫描仪获得的几何数据通过非均匀有理B样条进行拟合,结合缠绕软件生成的缠绕角度,导入ABAQUS中生成有限元模型。采用Hashin准则进行失效分析,通过水压爆破试验结果与之对比,验证有限元模型的准确性,并探究纤维缠绕储氢气瓶的失效机理。结果表明,使用逐层更新建模方法建立的有限元模型爆压预测的爆压及应变响应与试验结果的误差在5%以内,且预测的爆破位置及失效模式与试验结果一致。

基于宏观模型的FRP筋纤维混凝土梁拉伸刚化效应研究

安茹, 李源康, 陈国雄, 符师桦

2023, 0(2): 67-74. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230228.009

摘要 ( 30 )

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在混凝土中添加纤维能有效控制纤维增强聚合物(Fiber Reinforced Polymer,FRP)筋混凝土梁的裂缝宽度并提高梁的延性。本研究结合纤维混凝土受拉本构关系,引入一个减弱系数描述纤维混凝土开裂后的刚度,建立了能够反映FRP筋纤维混凝土梁拉伸刚化效应的三维有限元模型。在不同纤维含量和不同配筋率下,模拟获得了与实验结果一致的荷载-位移响应。此外,有限元分析得到的裂缝形态与实验结果良好吻合,且随着减弱系数的减小,裂缝扩展减缓,极限荷载下裂缝数量增多,宽度减小。研究还表明,减弱系数随纤维含量特征参数的增大而线性减小,其线性斜率受配筋率的影响微弱,而截距受配筋率的影响明显。

复合盐侵蚀-干湿耦合作用下玄武岩纤维混凝土腐蚀劣化试验

王成, 李曦彤, 葛广华, 戎泽斌, 李桢怡, 薛山

2023, 0(2): 75-83. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230228.010

摘要 ( 40 )

PDF (22450KB) ( 42 )

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为探究玄武岩纤维混凝土在复合盐溶液与干湿循环耦合作用下的腐蚀劣化规律,开展了不同体积掺量(0%、0.1%、0.2%、0.3%)的玄武岩纤维混凝土试件,在不同浓度(清水、基准浓度、5倍基准浓度、10倍基准浓度)的复合盐溶液(NaCl+MgSO₄+Na₂SO₄)与干湿循环共同作用下的宏-微观腐蚀劣化试验。研究结果表明:①玄武岩纤维的掺入提高了混凝土抗复合盐侵蚀的能力,纤维掺量为0.3%时,试件的相对动弹性模量波动最小,表现最稳定;②复合盐溶液侵蚀作用下,混凝土腐蚀产物主要为钙矾石(AFt)和石膏,随着干湿循环次数的增加,腐蚀产物不断增多,试件最终在物理腐蚀和化学腐蚀的共同作用下发生破坏;③由不同腐蚀龄期的腐蚀产物分析发现,玄武岩纤维的掺入降低了混凝土内部Ca(OH)₂的消耗速率,腐蚀产物的含量也相应减少,混凝土抵抗复合盐侵蚀的能力得以增强。研究成果可为玄武岩纤维混凝土在新疆南疆盐渍土地区的工程应用提供科学依据。

未固化预浸料在热模压预成型过程中的黏弹性行为研究

李哲夫, 刘卫平, 孙宝忠, 岳广全, 谈源, 张俭

2023, 0(2): 84-93. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221228.031

摘要 ( 31 )

PDF (9793KB) ( 15 )

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在热模压预成型过程中,压力对最终产品的性能和质量有重要影响。本文研究了未固化预浸料层合板在不同铺层方向、压缩距离、压缩速度及厚度下的压缩和松弛行为。结果表明,幂律模型能准确描述热模压过程中预浸料受外力压缩时的应力变化,广义Maxwell模型和考虑应变历史的分数阶黏弹性模型能描述预浸料的应力松弛过程,拟合曲线与实验点吻合良好,R²均大于0.96。相较于广义Maxwell模型,分数阶黏弹性模型所需确定的参数少,物理意义明确,更适合描述预浸料在热模压过程中应力松弛时的黏弹性变形过程。

含夹杂缺陷碳纤维复合材料层压板的无损检测与评估研究

胡业发, 孟由, 张锦光, 邓伟, 徐胜风

2023, 0(2): 94-100. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230228.012

摘要 ( 35 )

PDF (7069KB) ( 30 )

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针对复合材料无损检测与评估问题,本文采用超声相控阵探伤仪对预埋夹杂缺陷的碳纤维复合材料层压板试样进行定量定位检测,并利用小波包分析和神经网络对缺陷进行定性识别。首先,在层压板中埋入聚四氟乙烯薄膜、CFRP片和塑料纸制备夹杂缺陷试样;然后,对试样进行超声相控阵检测,对得到的B、C扫图像进行缺陷定量定位评估,对得到的A扫信号进行缺陷定性评估。结果表明:通过对B、C扫图像进行分析,能准确分辨出缺陷所在的位置、尺寸及形状。利用小波包分析和BP神经网络对聚四氟乙烯薄膜、CFRP片和塑料纸三种夹杂缺陷进行识别,正确率为90.9%,对CFRP片和塑料纸两种缺陷进行识别,正确率达到100%,为以后能快速、准确地识别更多种类的缺陷奠定了良好的基础。

起重机伸缩臂架CFRP轻量化材料的摩擦磨损试验研究

徐胜风, 胡业发, 张锦光, 杨继, 袁春辉, 孟由

2023, 0(2): 101-106. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230228.013

摘要 ( 79 )

PDF (7742KB) ( 30 )

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为探究碳纤维复合材料起重机臂架与传统钢材起重机臂架的摩擦磨损性能的差异性,通过试验方法测出这两种材料与PE聚乙烯、POM聚甲醛、MC尼龙和MCS尼龙四种常用的起重机滑块间的若干摩擦磨损性能参数。结果表明,碳纤维复合材料与四种滑块间的摩擦系数,摩擦系数的波动,动、静摩擦系数差都要小于以GCR15为代表的钢材,但是碳纤维复合材料的磨损率大于钢材,且为其两倍以上。

自动铺丝技术在飞机整体机身壁板上的应用研究

唐珊珊, 何大亮, 王显峰, 徐小伟, 薛柯, 余晶晶

2023, 0(2): 107-114. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230228.014

摘要 ( 103 )

PDF (17007KB) ( 50 )

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飞机中的复合材料用量已经成为衡量飞机先进性的重要指标之一。随着飞机吨位的增大、复合材料制造技术的快速发展,飞机复材制件向着大型化、整体化、自动化的方向迈进,依靠传统的手工铺贴方式已难以满足零件日益增长的技术、质量需求。本文论述了当前复合材料构件纤维自动铺丝技术制造现状及发展前景,并对复合材料构件自动铺丝技术在某型号飞机整体机身壁板零件上的应用情况进行了具体介绍。根据整体机身桶段的结构特点,分析了各个角度的轨迹规划方法,并对轨迹的工艺性和方向性进行了研究。通过有限元模拟与铺放实验确定了铺丝工艺参数,最终实现了整体机身桶段蒙皮的铺丝成型。

BFRP筋增强螺旋箍筋区域约束混凝土梁的抗剪性能试验研究

齐共成, 蒋济同, 高瑜, 杜德润, 董坤, 杨松

2023, 0(2): 115-121. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230228.015

摘要 ( 37 )

PDF (7242KB) ( 19 )

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FRP筋可有效解决普通混凝土梁中的钢筋锈蚀问题,但是FRP筋混凝土梁的剪切破坏是脆性破坏,抗剪延性小。本文将区域约束技术应用到BFRP筋混凝土梁中,利用BFRP增强箍筋对剪压区混凝土进行约束。通过进行1根空白梁与4根约束梁的抗剪对比试验,研究约束螺旋箍筋的配箍率、剪跨比等因素对梁的极限荷载、破坏形态、延性的影响规律。研究显示在剪压区采用区域约束箍筋后,梁的抗剪延性得到明显改善,并且改变了梁的破坏形态,抗剪承载力随着剪跨比的提高而下降。

开孔玻纤拉挤板孔边应力集中

鲁晓锋, 李占营, 杨玉荣, 徐俊

2023, 0(2): 122-125. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230228.016

摘要 ( 34 )

PDF (3480KB) ( 31 )

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为了更加准确地预测应力集中对风电叶片开孔拉挤板拉伸强度的影响,采用试验测试、解析法和有限元法,研究了拉伸载荷作用下不同孔径的开孔拉挤板应力集中问题。首先,对两种孔径玻纤拉挤板进行拉伸强度测试。然后,给出采用平均应力准则计算应力集中系数的解析表达式。接着,采用商用有限元软件ANSYS建立开孔拉挤板的有限元模型,进行网格对孔边应力分布影响的研究。最后,对三种方法研究结果进行了分析和讨论。研究结果表明:随着孔径的增大,开孔拉挤板孔边应力集中系数增大,拉挤板强度降低;试验测得的应力集中系数小于理论分析值;有限元解和解析解得出的孔边应力分布和应力集中系数偏差较小,应力集中系数偏差小于3%。

纤维增强树脂基复合材料层合板振动性能的研究进展

周宸, 陈明达, 杨建, 张雄军, 祝颖丹

2023, 0(2): 126-132. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230228.017

摘要 ( 63 )

PDF (891KB) ( 33 )

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纤维增强树脂基复合材料在各个领域中的应用日益广泛,是关乎国防安全和国民经济发展的关键战略材料。复合材料在实际应用过程中产生的振动可能会带来不良影响,研究其振动机理,进而去优化其减振能力对提高复合材料的应用水平具有重要的意义。本文介绍了复合材料结构振动的基本原理,详细讨论了多种关于计算系统固有频率及受迫响应的分析法,探讨了影响固有频率的结构及材料参数,分析了变刚度复合材料结构的振动研究方法,并对复合材料结构振动性能的研究方向进行了展望。

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