复合材料科学与工程

沈叶波, 张富宾, 徐靖, 方海

2023, 0(10): 5-9. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.001

摘要 ( 30 )

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本文通过试验研究了用玻璃纤维增强复合材料(GFRP)缠绕管约束的木-钢筋混凝土组合柱的轴向压缩性能,并与GFRP布包裹的木-钢筋混凝土组合柱进行比较,分析了各组成部分对组合柱失效模式、承载力、刚度和延性的影响。结果表明:添加木芯的GFRP管约束柱的刚度比添加木芯的外包GFRP布组合柱刚度高36.2%~49.2%,而不同GFRP约束形式对组合柱的承载力和延性无显著影响;木芯的引入使GFRP约束柱的延性提升了23.8%~27.0%;相比于无GFRP约束的组合柱,使用GFRP缠绕管约束组合柱可使柱的承载能力显著提高146.5%~208.6%,延性提高28.4%~56.4%。

模具-复合材料相互作用的复合材料固化变形仿真方法研究

元振毅, 魏方见, 孔令飞, 杨振朝, 同新星, 李言

2023, 0(10): 10-16. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.002

摘要 ( 32 )

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针对L形复合材料结构固化变形所引起的装配问题,建立了考虑模具-复合材料相互作用的复合材料固化变形仿真模型。首先,利用设置摩擦系数与最大剪切应力的方法,表征成型阶段模具对复合材料结构的剪切滑移效应。其次,考虑复合材料各向异性、材料热胀冷缩效应以及基体化学收缩效应对结构本身固化变形的影响。最后,利用固化硬化瞬时线弹性本构模型,在有效提升计算效率的前提下实现固化变形仿真计算。在此基础上,通过设计不同厚度、不同铺层顺序的L形结构件固化变形实验,验证仿真模型的有效性。实验和仿真分析结果比对最大误差为-20.8%,平均误差为-7.35%。结果表明:对于铝制模具制备的L形结构件,模具与复合材料相互作用会加剧结构的固化变形情况,并且结构刚度对这种变形有重要影响作用。

斜向冲击荷载作用下仿生蜂窝夹层梁动态响应数值模拟研究

张文萍, 孔祥清, 张惠玲, 章文姣, 李若男, 付莹

2023, 0(10): 17-22. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.003

摘要 ( 20 )

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为探究双层夹芯新型仿生蜂窝夹层梁(Bio-inspired Honeycomb Sandwich Beam,BHSB)低速倾斜冲击下力学响应特性,利用ABAQUS有限元软件建立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对比,验证了该模型的有效性。在此基础上,研究了冲击角度对BHSB的损伤模式、接触力峰值、接触时间、吸能的影响,同时利用该数值模型进一步探讨不同冲击能量下BHSB斜向冲击力学性能,分析了斜向冲击荷载下BHSB的失效模式及破坏机理。结果表明:随冲击角度的增加,峰值荷载降低2%~4%,能量吸收减小23%~52%,同时损伤区域减小,接触时间延长;随冲击能量的提高,BHSB损伤加重,峰值荷载增大20%~42%,能量吸收效率由59%增至83%。冲击角度及冲击能量对仿生蜂窝夹层结构斜向冲击性能数值分析的影响规律可为类似结构的实际应用提供一定参考。

自修复EMAA纤维束缝合复合材料抗冲击层间性能研究

葛超坤, 铁瑛, 张臻臻, 杨威亚

2023, 0(10): 23-31. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.004

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针对碳纤维增强树脂基复合材料层间断裂韧性不足、抗冲击损伤容限低以及冲击损伤后修复困难等问题,利用缝合和分阶段共固化工艺,制备热塑性树脂纤维EMAA缝合复合材料试件,并进行自修复前后冲击性能研究。将铺层好的预浸料沿厚度方向进行热塑性树脂纤维EMAA的缝合,在内部建立起三维自修复网络,经过分阶段加热加压固化,加工成冲击试件。采用不同能量对缝合EMAA复合材料层合板进行一次冲击及自修复后冲击试验,对冲击后损伤的缝合EMAA复合材料层合板试件进行愈合试验,对不同冲击能量下未修复层合板和自修复复合材料层合板的损伤及其自修复前后的抗冲击性能开展了研究。试验结果表明:在相同能量冲击作用下,缝合EMAA较未缝合EMAA复合材料层合板损伤损耗能量最大降低17.66%,损伤更小,具有更好的抗冲击性能;自修复后层合板修复效率最低为97.96%,较好地实现了材料的自修复功能。

表面积比对固体浮力材料吸水率的影响

林守强, 杨转, 刘刚, 黄辉, 陈妙谋, 黄鑫, 陈大江, 郝静

2023, 0(10): 32-36. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.005

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不同形状和尺寸的固体浮力材料在相同水压环境下的吸水率不同,其表面积与体积的比值,即表面积比,是影响吸水率的主要因素之一。为研究固体浮力材料表面积比与其吸水率的关系,对不同表面积比的固体浮力材料试样在10 MPa和20 MPa水压环境下进行了累计30 d的水压试验,得到了累计吸水率随表面积比增加而增加的对应趋势。基于菲克定律,推导了水在浮力材料内部扩散的动力学方程,得到了吸水率与组合参数公式的线性关系,并通过与试验数据对比进行了验证。结果表明在相同水压环境和保压时间下,固体浮力材料的吸水率与其表面积比成正比。该结论对工程设计和分析具有指导意义。

芳纶和超高分子量聚乙烯纤维织物的铺层方式和混杂比对爆炸载荷动态响应影响研究

冯振宇, 甄婷婷, 高斌元, 解江

2023, 0(10): 37-46. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.006

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为探究芳纶纤维和超高分子量聚乙烯(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)纤维织物的抗爆特性,采用LS-DYNA R11建立了纤维织物爆炸冲击有限元仿真分析模型,并通过对比纤维织物爆炸试验中织物的动态响应、失效模式和测点超压曲线验证了模型的有效性。等面密度条件下,在同一爆距和当量下对不同层叠方式和层叠比例的织物进行爆炸冲击数值分析,从失效模式、超压衰减能力两个方面进行抗爆能力分析,结果表明,先A后B式铺层与AB交替铺层两种层叠方式相比,前者能够更好地阻挡冲击波超压。不考虑爆炸火球影响的情况下,织物的抗爆能力随UHMWPE织物的比例增大而不断增强。在层叠数为12层时,混叠织物抗爆结构采用迎爆面6层芳纶织物、背爆面6层UHMWPE织物的组合形式抗爆性能最佳。

大尺寸复合材料Z形加强筋制造技术

杨博, 权银洙, 王菲, 蒋蔚

2023, 0(10): 47-51. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.007

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介绍了复合材料框的结构特征和制造技术发展趋势,针对大尺寸复合材料Z形加强筋大曲率弧形,同时存在阴、阳模拐角的结构特点,提出了一种无软盖板的成型方案,在成型工装设计时选用Invar钢,对内缘条回弹角进行补偿设计,产品制造过程重点控制拐角区域厚度、表面质量、固化变形以及拐角区域铺贴质量,研制的Z形加强筋可以很好地满足各项技术指标要求。该复合材料Z形加强筋成型方案质量高,适合工程化推广应用。

FRP筋再生混凝土梁受弯性能试验研究

靳高明, 孙康才, 刘生纬, 白晟渝

2023, 0(10): 52-59. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.008

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为了研究FRP筋再生混凝土(RAC)梁受弯性能,试验制作八根FRP筋再生混凝土梁(其中GFRP筋和BFRP筋再生混凝土梁的数量分别为六根和两根),通过四点弯曲试验研究再生骨料(RA)替代率与FRP筋类型对梁破坏模式、挠度和承载力等性能的影响。试验结果表明:①梁的开裂荷载和极限承载力均随着再生骨料替代率的增加而下降,且破坏模式也逐渐由正截面混凝土受压破坏转为斜拉破坏;②BFRP筋弹性模量的提高使梁的混凝土受压区高度增加,正截面承载力增加,而斜截面承载力提高较少,从而使BFRP筋再生混凝土梁发生斜拉破坏;③规范计算得到的FRP筋再生混凝土梁承载力安全储备略显不足,建议实际配筋率为平衡配筋率ρ_fb的1~1.5倍时,设计值取规范计算值的0.8倍;④GB与ACI挠度计算值均与试验值拟合程度较好,能很好地预测FRP筋再生混凝土梁的挠度值。

FRP约束混凝土柱的修正Drucker-Prager模型

张璐珂, 张峰, 赵国浩

2023, 0(10): 60-68. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.009

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Drucker-Prager(DP)模型中,摩擦角和内聚力相关的参数决定屈服、硬化软化准则,与膨胀角相关的参数决定流动法则。通过对试验样本数据的分析,确定了摩擦角的影响因素,将摩擦角定义为塑性应变的函数;进而由DP模型的屈服准则更新了内聚力模型。通过计算侧向塑性应变与轴向塑性应变的比率,建立了考虑约束刚度比的膨胀角模型。基于ABAQUS中的USDFLD子程序对修正后DP模型参数实现自定义,结果表明提出的修正后的DP模型可以很好地预测FRP约束混凝土柱的应力-应变响应,具有一定的精度。

干湿循环作用下混杂纤维再生骨料混凝土抗硫酸盐侵蚀性能研究

李威坤, 向木生, 米力, 王瑾

2023, 0(10): 69-77. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.010

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将聚乙烯醇纤维(PVAF)和玄武岩纤维(BF)以不同比例和不同体积率的方式掺入混凝土中,并用30%再生粗骨料等质量替代普通粗骨料配置混杂纤维再生骨料混凝土,进行90次的硫酸盐干湿循环试验,测量不同干湿循环次数下混凝土的质量损失、相对动弹性模量和抗压强度。研究表明:当硫酸盐干湿循环90次后,单掺PVAF组混凝土质量损失率为0.22%,相较于普通混凝土降低了42%,单掺BF组混凝土质量损失率为0.19%,相较于普通混凝土降低了50%;当PVAF∶BF分别为1∶4,1∶2,1∶1和4∶1,纤维体积率为0.2%时,混凝土的质量损失率最小。硫酸盐干湿循环90次后,当PVAF∶BF为1∶1和2∶1,纤维体积率为0.3%时,混凝土相对动弹性模量降低到最低值,分别为102.2%和99.4%;然而当PVAF∶BF为1∶2,1∶4和4∶1,纤维体积率为0.2%时,混凝土相对动弹性模量降低到最低值,分别为99.4%、94.1%和99.4%。硫酸盐干湿循环90次后,当纤维体积率小于0.2%时,混凝土的抗压强度损失率的大小依次为1∶1混掺<4∶1混掺=1∶2混掺<1∶4混掺<2∶1混掺;当纤维体积率大于0.2%时,混凝土的抗压强度损失率的大小依次为2∶1混掺<1∶2混掺<1∶1混掺<4∶1混掺<1∶4混掺。与单掺PVAF或BF相比,混掺PVAF和BF对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力更高,表现出较好的“正效应”。

车用碳纤维增强复合材料连接结构耐久性研究及失效机理分析

杨阳, 林英豪, 王元伍, 范以撒

2023, 0(10): 78-86. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.011

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粘接接头便于连接FRP型材料,具有应力分布均匀、疲劳性能好、质量轻等优点,常被用于车辆的轻量化结构设计。车辆在服役过程中会经历不同的温度、湿度耦合作用,给粘接结构的耐久性带来了巨大的挑战。因此,研究车用碳纤维增强复合材料连接结构(CFRP-CFRP)耐久性对车辆轻量化具有重要的指导意义。本文对CFRP-CFRP单搭接接头分别进行在60 ℃/95%RH、60 ℃/100%RH、60 ℃/3.5%NaCl和60 ℃/5%NaCl温湿盐耦合环境下放置240 h、480 h、720 h的老化试验。利用Fick定律模拟胶黏剂吸水过程,并与实际吸水率进行比较;通过准静态拉伸测试得到接头失效载荷和力-位移曲线,观察到失效载荷并不随时间增长而上升或下降,这表明后固化(失效载荷上升)和环境侵蚀(失效载荷下降)是两种具有相反作用相互竞争的因素。此外,采用DSC和FTIR测试设备对老化前后的胶黏剂进行表征,分析其内在失效机理。

准静态载荷作用下螺栓连接CARALL结构的损伤分析

张林涛, 杨涛, 杜宇, 张金童

2023, 0(10): 87-93. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.012

摘要 ( 13 )

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碳纤维增强铝合金层合板(CARALL)是一种较新的纤维金属层压材料。为研究CARALL层合板的螺栓连接性能,采用热压罐固化成型工艺制备试件,对其螺栓连接结构进行准静态拉伸试验。对接头在承受准静态拉伸载荷时的失效过程进行了讨论,失效模式涵盖铝合金塑性变形、碳纤维断裂和界面分层。针对CARALL各层的不同材料成分分别建立失效模型,并采用VUMAT子程序实现了基于三维Hashin失效准则对CFRP层的渐进损伤分析。试验与有限元预测的极限载荷相对误差为8.9%,且所提出的模型能较准确预测试件发生分层失效的位置,证明了该模型能够有效地预测碳纤维增强铝合金层合板单钉螺栓连接结构的力学性能。

蜂窝夹层结构后埋件拉伸承载力分析中质量缩放方法的运用

王英明, 张胜兰, 莫杰, 王继运

2023, 0(10): 94-100. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.013

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对于结构较为复杂的蜂窝夹层结构后埋件,在有限元计算时通常需要消耗大量的时间。在对蜂窝夹层结构后埋件拉伸承载力进行仿真分析时,使用质量缩放的方法提高模型计算效率,并从仿真计算的精度与时间两方面进行对比。首先在ABAQUS软件中,不使用质量缩放技术对蜂窝夹层结构后埋件进行仿真分析并与试验结果对比,验证其精确性。随后使用质量缩放的方法将模型的质量分别扩大10²,10⁴和10⁶倍后,对蜂窝夹层结构后埋件进行仿真分析并与未使用质量缩放技术的模型结果对比,通过对比拉脱破坏载荷-位移曲线与试件破坏形式对仿真精度进行验证并比较计算时间。结果表明:使用质量缩放技术对蜂窝夹层结构后埋件进行拉伸承载力分析,能够在保证计算精度的同时,大大节省计算时间。本文研究为蜂窝夹层结构后埋件拉伸承载力分析提供了高效的计算方法。

聚氨酯泡沫填充碳纤维三向织物复合材料薄壁管的吸能特性研究

陶宜强, 张洪华, 李炜

2023, 0(10): 101-108. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.014

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本文对聚氨酯泡沫填充的碳纤维三向编织管进行吸能性能研究,采用准静态轴压的试验方法研究了三向编织管的破坏模式及不同经纬纱的叠层配比对复合管耐压性的影响,通过对压缩过程、经纬纱受力及破坏形貌的观察,分析经纬纱在吸能过程中的作用,并引入权重评价分析。结果发现:纬纱的增多可以显著提高总吸能与比吸能,但载荷效率明显下降;经纱增多可以提供横向束缚,且可以延长三向编织管的压缩行程,但比吸能有不同程度下降。不同经纬纱配比对交织点处破坏模式有着显著影响,其中C₂C₂与C₃C₂交织点几乎不参与压缩破坏;C₂C₄与C₃C₄参与破坏程度更高,且C₃C₄有着更为稳定的变形失效过程。

绝热层自动缠绕成型关键技术研究

张伟超, 侯增选, 严文聪, 徐铭浩, 王浩东, 李彦良

2023, 0(10): 109-114. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.015

摘要 ( 23 )

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本文介绍了国内外固体火箭发动机绝热层缠绕成型技术的研究现状,提出了绝热层缠绕成型工艺方案和设备方案,重点研究了绝热层缠绕成型关键技术。根据绝热层缠绕成型压力控制要求和特点,提出了绝热层缠绕压力控制方法;分析了绝热层缠绕成型胶带跑偏原因,提出了缠绕胶带纠偏方法;设计了一种椭圆凹面压辊,保证胶带边缘粘接质量,避免胶带边缘产生翘边;利用圆柱面压辊与最小型号芯模半径参数,提出了一种绝热层缠绕通用胶带宽度计算方法;分析了绝热层缠绕成型胶带速度及张力控制要求和特点,提出了缠绕胶带速度和张力控制方法。开发、建立绝热层缠绕成型工艺仿真演示示范线,为绝热层缠绕成型设备研制提供支撑。

复合材料电杆在配网转角杆中的应用技术研究

何昌林, 柯锐, 赵淳, 朱晓东, 梅端, 吴峰

2023, 0(10): 115-120. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.016

摘要 ( 18 )

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从理论计算和真型试验两方面着手,对复合材料电杆在配网转角杆中的应用技术进行了深入研究。采用有限元软件和参数化编程,考虑P-δ效应,详细计算了无拉线转角复合材料电杆在各个工况下的应力和杆顶挠度。计算结果显示,复合材料电杆的强度和挠度均满足规范要求,但是挠度比水泥杆挠度大很多。采用有限元软件,详细计算了12 m单回、15 m单回和15 m双回拉线转角复合材料电杆在大风工况下的应力、杆顶挠度和结构稳定性,结果均满足使用要求。为验证复合材料电杆在下压力作用下的稳定性,对上述三种复合材料电杆进行了力学真型试验。在超载至140%的情况下,电杆整体仍未见异常。试验结果为实际工程应用提供了一定依据。

石墨烯/聚合物复合材料气体阻隔性能研究进展

刘冠军, 王赛, 张新, 王路, 杨帆, 王荣国

2023, 0(10): 121-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.017

摘要 ( 20 )

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氢能是改善国内能源结构、实现碳达峰和碳中和目标的重要举措。储氢瓶是氢能发展的关键技术之一。为了提高储氢瓶的质量储氢密度,采用聚合物内衬的轻量化Ⅳ型瓶成为重点发展方向。然而,聚合物内衬的气体阻隔性能成为了限制储氢瓶发展的核心指标。本文阐述了石墨烯提高聚合物气体阻隔性能的机理,归纳了二相和三相气体渗透理论模型,基于石墨烯的化学结构、改性分散、诱导聚合物结晶、取向四个方面总结了石墨烯/聚合物复合材料的气体阻隔性能,在此基础上展望了未来的研究方向。

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