复合材料科学与工程

余章杰, 张琪, 蔡登安, 戴征征, 周光明

2023, 0(7): 5-12. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230728.001

摘要 ( 157 )

PDF (5972KB) ( 165 )

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采用试验与数值模拟相结合的方式对复合材料-金属连接结构的面外拉伸失效机制进行了研究,探究了铝合金下垫块尺寸变化对结构承载能力及失效机制的影响。研究发现:增大铝合金下垫块与复合材料层合板的接触面积能够提高结构的承载能力;无倒角处理的铝合金下垫块会对层合板产生明显的剪切作用,引发层合板分层,致使结构过早发生破坏;在铝合金下垫块增设倒角可避免层合板发生分层,并提高结构的承载能力。结合本构方程、改进的三维Hashin准则及刚度退化方法,建立了复合材料-金属连接结构的渐进损伤模型,得到了结构的预测失效载荷及破坏形式,所得结果与试验结果一致。

石墨烯/改性聚醚醚酮的制备及性能研究

刘惠智, 梅启林, 丁国民, 肖晗, 陈述慧, 黄志雄

2023, 0(7): 13-18. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230728.002

摘要 ( 76 )

PDF (8254KB) ( 72 )

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由于石墨烯(Gr)片层之间存在较强的范德华力且聚醚醚酮(PEEK)的熔融黏度大,Gr在PEEK基体中的分散性较差,导致复合材料的性能不能达到理想状态。为了提高Gr在PEEK中的分散性,本文通过乙酸/硝酸的混酸体系对PEEK进行化学改性,得到了PEEK-Aa粉末,然后采用溶液共混法和热压法制备了Gr/PEEK-Aa纳米复合材料。结果表明,Gr/PEEK-Aa纳米复合材料表现出良好的导电性,最大导电率为3.41×10^-4 S/cm,渗流阈值低至0.55vol%。此外,当Gr含量为1wt%时,Gr/PEEK-Aa纳米复合材料具有最佳的综合性能。

冲击荷载作用下仿生蜂窝夹层梁动态响应数值模拟研究

孔祥清, 张文萍, 张惠玲, 章文姣, 李若男, 付莹

2023, 0(7): 19-25. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230728.003

摘要 ( 77 )

PDF (9938KB) ( 73 )

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为了探究双层夹芯新型仿生蜂窝夹层梁(Bio-inspired Honeycomb Sandwich Beam,BHSB)的抗冲击性能,利用ABAQUS有限元软件建立了其在冲击荷载作用下的三维有限元数值模型,并将数值模拟结果与已有试验结果进行了对比,验证了该模型的有效性。在此基础上,分析了BHSB在冲击荷载作用下的动力响应,并与传统蜂窝夹层梁(Honeycomb Sandwich Beam,HSB)进行了对比。同时利用该数值模型进一步分析了冲击荷载作用下橡胶夹芯(夹芯Ⅰ)厚度、材料类型和蜂窝夹芯(夹芯Ⅱ)壁厚等几何参数对BHSB的冲击荷载、能量吸收的影响。结果表明,与HSB夹芯发生剪切破坏不同,BHSB的破坏主要为上部蒙皮处基体开裂,而夹芯保持完整。与HSB相比,BHSB峰值力高约一倍,且整体变形较小。随夹芯Ⅰ厚度的减小,BHSB抗冲击性能一定程度上得到改善。夹芯Ⅱ壁厚的改变对该结构的冲击荷载有显著影响,而对其能量吸收无明显影响。对比橡胶与PMI泡沫两种不同夹芯Ⅰ材料类型下的BHSB动态响应,可知从抵抗冲击荷载角度,采用橡胶夹芯的BHSB冲击性能优于采用PMI泡沫夹芯的BHSB冲击性能,但从吸能效果方面,后者更具优势。

界面范德华作用对石墨烯/聚乙烯复合材料弹性性能的影响

黄立新, 张院秀, 黄君

2023, 0(7): 26-34. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230728.004

摘要 ( 71 )

PDF (4330KB) ( 39 )

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本文结合细观力学和有限元法,采用代表体积单元研究石墨烯/聚乙烯复合材料的弹性性能,分析界面范德华作用对复合材料弹性性能的影响。有限元模型中,石墨烯的碳碳键采用弹簧单元模拟,基体采用实体单元,界面范德华作用采用刚度为Lennard-Jones势函数的二次导数的弹簧单元模拟。其中,范德华数量通过一个简单数学模型确定,弥补了已有研究忽视范德华数量的缺陷。本文采用三明治和嵌入式代表体积单元模型讨论了不同石墨烯尺寸和体积含量下,界面范德华作用对石墨烯/聚乙烯复合材料杨氏模量和泊松比的影响,研究表明界面范德华作用对石墨烯/聚乙烯复合材料杨氏模量影响较大,尤其对沿石墨烯厚度方向的杨氏模量提升显著,对泊松比影响较小。

激光诱导冲击波在胶层中的传播耦合规律分析

熊纯, 任子昂, 严肖艳, 刘嘉仪, 徐进军

2023, 0(7): 35-43. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230728.005

摘要 ( 47 )

PDF (8113KB) ( 24 )

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本文设计了高能激光诱导等离子体诱导激光冲击波冲击胶接试件试验,建立了激光冲击胶接试件的数值模型,模拟了应力波在胶层中的传播过程,对比试验与仿真所得到的背面粒子速度,验证了有限元模型的准确性。在此基础上,采用仿真方法研究了不同能量、脉冲宽度的激光冲击试件时,应力波在胶层中的传播耦合规律。结果表明,激光能量和脉宽均会影响应力波在胶层中的传播。随激光能量增大,试件背面自由粒子速度峰值和最大拉应力值增大,最大拉应力深度不变。随激光脉宽增大,试件背面自由粒子速度峰值增大,最大拉应力值增大,最大拉应力深度减小。

冷等离子体改性聚乳酸纤维/热塑性淀粉复合材料的研究

陈英烜, 马辉煌, 孙铭, 杨少霞, 陈剑佩, 周晓东

2023, 0(7): 44-49. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230728.006

摘要 ( 52 )

PDF (5749KB) ( 55 )

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为提高聚乳酸纤维(PLAF)与热塑性淀粉(TPS)的界面相容性并以此改善复合材料的力学性能,通过冷等离子体对PLAF进行改性处理。采用转矩流变仪制备TPS,利用模压成型制备了PLAF/TPS复合材料。探究了不同功率冷等离子体、不同纤维长度、不同纤维含量对复合材料力学性能的影响。结果表明:冷等离子体改性处理功率越高,PLAF制备的复合材料拉伸强度、弯曲强度越高,但对复合材料的冲击强度几乎无影响;纤维含量及长度的变化对拉伸性能、弯曲强度、冲击强度变化趋势的影响不同,当纤维长度为10 mm,纤维含量为20%时,纤维的综合力学性能较为良好,此时拉伸强度为16.15 MPa,弯曲强度为56.12 MPa,冲击强度为5.54 kJ/m²。

基于组合梁结构的复合材料机翼设计及验证

王静, 路畅, 邬盼盼, 李闯

2023, 0(7): 50-56. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230728.007

摘要 ( 66 )

PDF (5877KB) ( 69 )

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本论文以给定外形及尺寸的复合材料机翼为研究对象,进行机翼的结构设计和整体成型方案的研究。利用CATIA软件建立机翼的三维实心模型,设置模型为各向同性材料,并以三点弯曲的加载方式进行有限元分析。基于COMSOL的有限元结果,对机翼主要受力区域进行单独设计。结合梁结构屈曲和刚度效率准则,提出了“双C+工字组合梁”的骨架方案。通过对采用等厚度铺层的中央翼盒进行位移响应分析,提出了中央翼盒阶梯铺层的设计方案。利用ABAQUS对铺层后的中央翼盒进行有限元分析,并对比试验结果对中央翼盒铺层进一步设计,提高中央翼盒的刚度。采用分步固化+共胶接成型工艺,避免填充泡沫加工的同时提高了机翼整体载重比。最终提出了一种屈曲及刚度效率高的复合材料机翼设计方案,其中机翼总重为316.18 g,载荷/重量比为34.85 N/g,证明了设计方案的合理性和有效性。

轴向压缩荷载作用下纤维增强柔性管渐进失效研究

卜嘉润, 刘文成, 王树青, 丁新东

2023, 0(7): 57-64. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230728.008

摘要 ( 49 )

PDF (35857KB) ( 38 )

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以一种黏结型的纤维增强柔性管为研究对象,基于ABAQUS/Explicit建立纤维增强柔性管的实体单元模型,根据Hashin-Yeh失效判据判断柔性管模型失效情况,使用了嵌套非线性刚度退化模型的VUMAT子程序,发展了轴向压缩下纤维增强柔性管的渐进失效模型,具有准确判断柔性管在压缩工况下失效模式、位置的功能。通过压缩实验验证了有限元模型,数值模拟与实验得到的力与位移关系吻合较好。在此基础上进一步分析了压缩工况下,柔性管各失效模式的演化过程。研究结果表明:压缩工况下,纤维增强柔性管失效的主要模式为基体压缩及纤维压缩失效,且各失效模式出现于管道的不同位置。柔性管纤维缠绕角度大于30°时,主要的失效模式由纤维压缩失效变为基体压缩失效。

超薄热塑性复合材料人形杆制备及其性能研究

马心旗, 宗文波, 张竹青, 蒋林, 桑琳, 吴海宏

2023, 0(7): 65-71. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230728.009

摘要 ( 53 )

PDF (8466KB) ( 66 )

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薄层预浸料复合材料结构具有良好的弹性应变能调控、存储特性,在可展开、折叠结构,如空间可展开天线、太阳帆和光伏表面等方面具有重要应用价值。本文以碳纤维增强尼龙6(CF/PA6)为实验对象,首先,用单层厚度为0.045 mm和0.105 mm的CF/PA6复合材料分别制备1 mm厚的单向层合板,对其进行了弯曲性能测试和弯曲破坏后微观形貌的对比分析,然后采用非对称铺层设计方法及真空热压一次成型工艺制备了复合材料人形杆,对人形杆的法兰展开行为、收拢弯曲承载行为进行了实验测试。结果表明:单层厚度减薄57%,层合板的弯曲强度和弯曲模量分别提高了24.8%、17%,有效抑制了复合材料的层间裂纹扩展;铺层结构直接影响人形杆可展开、收拢变形行为,增加0°铺层所占比例,人形杆的比刚度和比强度均有所提高。实验结果为热塑性复合材料可展开结构的设计与性能评价提供了基础。

预紧力对复合材料胶螺混合连接结构拉伸性能研究

黎海银, 郑国彦, 王乐乐, 齐佳旗, 郑艳萍

2023, 0(7): 72-78. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230728.010

摘要 ( 65 )

PDF (7956KB) ( 78 )

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本文在试验验证仿真模型可行性的基础上,通过数值模拟方法分析了CFRP/钛合金螺栓连接和胶螺混合连接结构中单钉单搭模式下预紧力对接头承载能力的影响。结果表明:对于CFRP/钛合金螺栓连接结构,预紧力的施加能够有效提升接头的失效载荷,施加2 N·m拧紧力矩和施加3.5 N·m拧紧力矩比施加0.5 N·m拧紧力矩的接头失效载荷分别提高了11.4%和13.19%;对于CFRP/钛合金胶螺混合连接结构,预紧力对失效载荷的提升较螺栓连接有所减弱,但胶层的刚度下降率(SDEG)仿真结果表明,预紧力可以有效降低胶层剥离应力的扩散,减缓胶层的失效。

连续玻纤增强热塑性复合管内压下力学性能研究

王琪, 谢煜斐, 袁连忠, 高进可, 陆嘉君

2023, 0(7): 79-85. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230728.011

摘要 ( 52 )

PDF (8522KB) ( 146 )

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连续玻璃纤维增强热塑性复合管(RTP管)的力学性能对工程应用有着极其重要的影响,因此,采用Halpin-Tsai组合式模型法,建立其在内压载荷下的有限元模型,并基于三维正交各向异性弹性理论,使用最大应力失效准则对复合管的内压爆破值进行理论分析计算;最后,对复合管展开短时爆破压力试验,进行验证分析。结果表明:随着内压载荷的增大,增强层所受到的力远大于内外层所受到的力,增强层在内压作用下起着主要的作用;实物RTP管的平均爆破压力值为14.15 MPa,有限元模拟分析结果值为13.28 MPa,与实验结果的相对差值为6.14%;理论计算值为16.34 MPa,与实验值吻合良好,对RTP管道的设计与应用具有重要的指导意义。

FRP约束再生骨料混凝土抗压强度及极限应变计算模型对比研究

许森杰, 李奔奔, 李鹏举, 詹瑒

2023, 0(7): 86-90. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230728.012

摘要 ( 61 )

PDF (2007KB) ( 23 )

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本文建立了318个复材(FRP)约束再生骨料混凝土(RAC)圆柱的试验数据库,通过该数据库对比研究了三个代表性计算模型(Lim模型、Xiao模型及Wei模型)对FRP约束再生骨料混凝土抗压强度和极限应变的预测精度。研究表明,三个计算模型对抗压强度的预测精度均高于对极限应变的预测精度。其中:Lim模型对抗压强度的预测具有最好的精度,平均绝对误差AAE仅为9.4%,预测值与试验值比值的平均值Mean为100.8%;Wei模型对抗压强度的预测值要小于试验值(Mean=78.9%),且与试验值相比误差较大(AAE=21.2%);而Xiao模型对抗压强度的预测精度介于Lim模型和Wei模型之间(AAE=12.8%、Mean=109.8%)。三个计算模型在预测极限应变时,Lim模型的精度最高(AAE=21.1%,Mean=95.5%),Wei模型总体上低估了复材约束RAC的极限应变(AAE=28.5%,Mean=78.1%),而Xiao模型对极限应变的预测值要高于试验值(AAE=40.1%,Mean=125.9%)。从总体上看,在三个计算模型中,Lim模型在预测抗压强度和极限应变时都具有最好的精度,故推荐采用Lim模型来预测FRP约束再生骨料混凝土极限状态。

复合材料机身Z形隔框RTM成型方案设计与验证

刘钧天, 陈吉平, 邱春亮, 苏佳智

2023, 0(7): 91-97. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230728.013

摘要 ( 60 )

PDF (8366KB) ( 38 )

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针对一种典型结构的复合材料机身Z形隔框零件,进行RTM(resin transfer moulding)成型工艺方案的设计与验证。对零件的注射方案进行设计,并结合PAM-RTM进行仿真,仿真结果显示树脂填充率可达到100%;研究注射压力与填充时间之间的关系,得知随着注射压力增加,填充时间先较快速减小后逐步变缓。进行了RTM成型模具的设计及制造,上下模可配合不同的底架完成不同工序的操作,并设计手动液压式升降机构解决了RTM工艺零件脱模困难的问题。对RTM工艺流程进行设计并完成制造验证,结果显示零件无显著内外部缺陷,厚度偏差在±4%范围内,纤维体积含量基本达到55%以上,零件型面基本满足要求,验证了Z形隔框RTM成型工艺方案的有效性。

初始应力损伤碳纤维高强混凝土动态力学性能研究

郝丽, 张凯, 吴文飞

2023, 0(7): 98-105. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230728.014

摘要 ( 53 )

PDF (5401KB) ( 29 )

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为探究初始应力损伤下碳纤维高强混凝土试件在冲击荷载作用下的力学性能变化规律,采用声波检测仪测量不同应力幅值(0σ_m、0.3σ_m、0.4σ_m、0.5σ_m、0.6σ_m、0.7σ_m,σ_m为试件的单轴抗压强度)损伤下碳纤维高强混凝土纵波波速及损伤因子,利用电液伺服压力机及分离式霍普金森压杆(SHPB)对损伤试件开展不同应变率下的单轴压缩试验,分析试件峰值应力、动态增强因子(DIF)、能量耗散与应变率及试件损伤程度间的关系。结果表明:循环荷载损伤下试件纵波波速降低,且损伤应力幅值越大,试件纵波波速降幅越大,损伤因子增幅增加,损伤因子与应力幅值间呈二次函数正相关;0.2 MPa气压下0.3σ_m、0.4σ_m、0.5σ_m、0.6σ_m、0.7σ_m损伤应力作用下试件峰值应力降幅分别为5.86%、16.45%、23.97%、36.10%、52.29%,降幅不断增大,损伤试件承载能力随之降低,且损伤应力幅值越大,试件损伤程度越高,峰值应力及DIF越小;动载作用下试件入射能、反射能、透射能及耗散能均随时间的增加而增大并最终趋于定值;随着损伤应力幅值的增大,试件反射能不断增大,透射能及耗散能逐渐减小,应力损伤作用会降低试件的能量耗散密度,且损伤应力幅值越大,试件吸能效果越低。

基于图像处理的绝热层缠绕胶带位置检测方法

邱传森, 侯增选, 严文聪, 张伟超, 李彦良, 戚厚良

2023, 0(7): 106-111. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230728.015

摘要 ( 44 )

PDF (3880KB) ( 40 )

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本文根据固体火箭发动机绝热层自动纠偏控制系统要求,利用工业相机实时采集缠绕胶带边缘图像,通过图像处理算法实现缠绕胶带位置检测。首先,通过图像预处理技术进行图像降噪,使用最大类间方差法确定Canny算法双阈值并进行边缘提取。然后,根据提取到的边缘点集合进行三次多项式拟合得到边缘线,进而获取缠绕过程中胶带边缘的实际位置。最后,将检测到的实际位置与当前缠绕角对应的基准位置比较得到胶带跑偏量,根据纠偏控制算法将其转化为相应控制量控制执行机构进行纠偏。该方法可应用到固体火箭发动机绝热层缠绕成型自动纠偏控制系统中。

碳纤维增强坩埚预制体缠绕线型轨迹研究

王征, 董九志, 陈云军, 蒋秀明

2023, 0(7): 112-119. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230728.016

摘要 ( 52 )

PDF (8948KB) ( 59 )

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本文针对针刺碳/碳坩埚整体连续纤维不足和周向力学性能较差的问题,采用碳纤维增强缠绕碳/碳坩埚预制体。基于非测地线理论建立稳定缠绕方程,以切点法为基础,结合标准线法总结了非轴对称封头壳体的缠绕线型规律,推导出纤维均匀布满时的中心转角计算公式,建立了优化求解封头段滑移系数和圆柱段滑移系数的计算模型,提出了碳/碳坩埚预制体增强碳纤维缠绕的线型设计流程,基于等悬长约束条件,对四轴缠绕机各轴运功轨迹方程求解。对缠绕线型和缠绕机运动轨迹进行仿真,研究了切点数对缠绕线型及运动轨迹的影响。进行缠绕试验,结果表明:计算模型设计合理,纤维可以实现连续稳定缠绕,并且经过一定循环后实现均匀布满,验证了各轴运动轨迹方程的正确性和线型设计方法的可行性。

碳纤维增强尼龙6反应注射拉挤成型实验平台研制

周佳慧

2023, 0(7): 120-124. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221228.032

摘要 ( 62 )

PDF (10191KB) ( 34 )

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本研究自行设计研制了碳纤维增强尼龙6复合材料反应注射拉挤成型实验平台。将实验平台分为配胶系统与拉挤系统两个模块,通过对尼龙6阴离子聚合反应条件的分析及料液流量输出的计算,完成配胶系统的配置选型及拉挤单元加热模具的设计,结合碳纤维纱线的储存、预处理系统及牵引系统,完成实验平台的研制,并且通过实验平台的运转,制备出树脂固化完全且分布均匀,纤维体积含量为47.48%的碳纤维增强尼龙6复合材料平板。考虑到后续连续工业化生产需求,保证料液的持续供给,提出了一种连续在线配胶反应注射机的设计思路,为工业化生产的前期筹备工作提供参考。

氧化铝纤维增强氮化硼基复合材料制备及性能研究

高龙飞, 柴笑笑, 李松, 彭喆

2023, 0(7): 125-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230728.018

摘要 ( 62 )

PDF (3750KB) ( 64 )

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以连续氧化铝纤维编织的2.5D织物为增强体,氮化硼陶瓷为基体,采用PIP工艺制备了2.5D氧化铝纤维增强氮化硼(AB)基复合材料。研究不同烧结温度下AB复合材料的力学性能、介电性能,并对复合材料断口形貌和烧蚀形貌进行分析。研究表明:AB-1200具有优异的力学性能、介电性能和较好的抗烧蚀性能,在1 000 ℃下力学性能是同条件下2.5D石英纤维增强氮化硼复合材料力学性能的2倍,该体系可用作耐高温烧蚀透波材料。

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