复合材料科学与工程

周俊, 王阳, 黄明, 翟孟雷, 陈文广, 张娜, 刘春太

2023, 0(11): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.001

摘要 ( 171 )

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在现有的复合材料层间剪切强度测试方法中,用于计算强度的公式仅含有试样的几何参数而未考虑模量和中性面变化,所以仅适用于各向同性或横观各向同性复合板,对于不同材料非均匀铺设的异质多层复合板,使用该方法会得到不同严重程度的错误结果。鉴于此,本文首先构建了三层异质复合板中性面位置及层间切应力计算方法,进而推导出n层复合板中性面及层间切应力计算通式,结合短梁剪切法,建立了异质多层复合板层间剪切强度测量计算方法。计算分析表明,对于异质复合板,其最大相对层间切应力会随各层模量的变化而改变,其中性面也不再位于试样几何中心。针对GFRPP/胶/GFRPP和GFRPP/胶/钢这两类三层异质复合板的试验结果表明,本文方法能较准确地测量计算出异质复合板层间剪切强度,而现有方法则会随复合板各向异性程度的增加而逐渐偏离真实值。

补片搭接长度对修理层合板湿热振动特性的研究

崔开心, 卢翔, 赵耀斌

2023, 0(11): 12-20. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.002

摘要 ( 96 )

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根据复合材料层合板损伤尺寸确定补片的搭接长度尤为重要,合适的搭接长度能够有效提高层合板的强度,延长使用寿命。通过数值仿真与试验验证,研究湿热效应下补片的搭接长度对修理层合板振动特性的影响。基于一阶剪切变形理论(FSDT)和Hamilton原理推导了层合板在湿热效应下的本构方程和自由振动控制方程。利用ABAQUS软件建立了双面阶梯修理层合板模型,分析了在不同温度、湿度和湿热耦合作用下,使用搭接长度p分别为8 mm、10 mm、12.7 mm、14 mm、16 mm、18 mm的补片修理层合板与完整板的振动特性。结果表明:当温度T为300~320.15 K,p为12.7 mm时,层合板的热稳定性与刚度恢复效果较好;当湿度C为0%~0.158%,p为14 mm时,层合板的湿稳定性与刚度恢复效果较好;湿热耦合作用下,采用搭接长度较小的补片,固有频率变化较大,采用搭接长度过大的补片则会扩大修理区域导致层合板剩余刚度降低。p值越靠近12.7~14 mm的修理构型,湿热效应对固有频率影响越小,层合板的湿热稳定性与修理效果越好。

基于预制分层损伤方法的复合材料三次冲击损伤研究

许良, 胡鸿铭, 周松, 宋万万

2023, 0(11): 21-27. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.003

摘要 ( 89 )

PDF (7883KB) ( 157 )

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在ABAQUS/Explicit中建立复合材料层合板三次冲击的三维仿真模型,采用预制分层损伤的方法,将前一次冲击损伤的状态变量预制进下一次冲击模型中,并将三维Hashin准则和刚度退化方案编入VUMAT子程序中。对层合板三次冲击过程中的层内损伤、层间损伤和接触力进行分析。结果表明,仿真结果与冲击试验结果吻合良好,所建立的模型可以较好地反映复合材料层合板三次冲击下的损伤演化过程。和后续冲击相比,第一次冲击的最大接触力最小,分层损伤的形状主要由第一次损伤形成,后续冲击仅增加分层损伤的损伤面积。

低速冲击损伤后FML的剩余拉伸强度数值模拟研究

张邵峰, 魏金辉, 唐新春, 许家婧, 刘心语, 姚潞

2023, 0(11): 28-36. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.004

摘要 ( 87 )

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纤维金属层合板(FML)结合了复合材料与金属材料各自的优异性能,逐渐被用于汽车、飞机等交通工具的轻量化结构。然而,低速冲击后结构会存在损伤,尤其是复合材料内部复杂损伤,严重影响FML的剩余拉伸强度。因此深入探索冲击损伤后FML的剩余拉伸强度具有非常重大的工程意义。本文首先建立FML的低速冲击以及准静态拉伸有限元数值模型,并通过低速冲击/拉伸试验,对FML冲击与拉伸数值模型的准确性与可靠性进行了验证。随后借助有限元重启动技术,建立了FML的冲击-分离-拉伸一体化数值模型,对不同冲击工况下FML的剩余拉伸强度进行了数值模拟研究,进一步总结了FML冲击损伤后的剩余拉伸强度规律。最后基于冲击后的当量化模型研究了FML的剩余拉伸强度,并与一体化数值模型结果进行对比,验证了当量化分析方法的准确性,可以节约计算成本并提高研究效率。

AC531树脂与胶膜界面相容性研究

翟全胜, 苗春卉, 崔海超, 张晨乾, 赵艳文, 叶宏军

2023, 0(11): 37-43. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.005

摘要 ( 74 )

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本文采用J-116B胶黏剂和J-375胶黏剂,通过共固化的成型方式制备了胶接试样,并对胶接试样进行了湿热加速老化,测试了老化前后胶接试样的拉伸剪切性能,并分析了性能差异原因及界面破坏机理。结果表明:AC531树脂与J-375胶黏剂之间的界面相容性优于AC531树脂与J-116B胶黏剂之间的界面相容性,这是由于AC531树脂与J-375胶黏剂固化反应工艺窗口重合度更高,两者的表观活化能更加接近。

碳纤维复合材料的湿热老化模型研究

王威力, 魏程, 田晶

2023, 0(11): 44-48. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.006

摘要 ( 98 )

PDF (3222KB) ( 153 )

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在90%RH的高湿度环境下,选择40 ℃、60 ℃和80 ℃三个温度条件对碳纤维复合材料进行湿热加速老化试验,并对复合材料的动力学和力学性能进行测试。以扫描电镜(SEM)、力学性能、差热扫描(DSC)和红外(IR)测试结果为依据,选择了两种湿热加速老化模型,并计算确定了相应的参数,得到在90%RH的高湿度环境中,两种老化模型的具体计算公式。由计算结果可知,动力学模型较适用于推算不同温度条件下材料性能的变化情况,剩余强度模型适用于推算延长时间变量后的材料性能变化。

复合材料成型模具补偿及构件自适应调整方法研究

鲍益东, 张恒, 张会杰, 宦蕾, 杨智勇, 左小彪, 安鲁陵

2023, 0(11): 49-57. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.007

摘要 ( 95 )

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复合材料构件固化变形后进行模具补偿需要对构件有限元模型进行重新建模,效率低,工作量大且缺乏验证,针对复合材料成型模具型面补偿后需要调整对应的复合材料构件有限元模型的问题,提出了一种复合材料成型模具型面补偿及构件自适应调整的方法,采用虚拟材料模型实现了构件网格与补偿后模具网格相互贴合。使用典型件验证了方法的正确性,并依据T形加筋壁板构件实例讨论了在此方法下的试验结果。结果表明:①通过模具型面补偿,能够使T形加筋壁板和复杂筒形壁板构件固化变形量明显降低;②使用本文提出的方法进行T形加筋壁板固化试验,可得试验偏差测量值与数值模拟偏差值的最大相对误差为17.20%,满足工程验收标准;③使用本文复合材料固化成型模具型面补偿及构件有限元自适应调整方法能够避免模具补偿后构件有限元模型重构操作,提升模具补偿效率,提高结果准确性。

玄武岩纤维布-聚氯乙烯管复合约束纤维再生混凝土短柱的轴压性能

张振雷

2023, 0(11): 58-69. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.008

摘要 ( 44 )

PDF (8982KB) ( 65 )

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为研究不同约束条件下的纤维再生混凝土短柱的受力性能,制作了45个再生混凝土短柱并对其进行了轴心抗压试验。探讨了聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC)管、玄武岩纤维(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)布的层数以及BFRP布-PVC管复合约束对其受压性能的影响。结果表明:试件的承载力、极限应变和延性随外加BFRP布层数增加而上升;采用PVC管及BFRP布加固能明显提高短柱承载力;BFRP布-PVC管复合加固短柱充分利用了不同材料的优点,不仅提高了混凝土短柱的抗压强度,而且改善了素混凝土脆性破坏问题。此外,建立了极限应力与极限应变模型,其计算值与试验值具有较好的一致性,为今后的工程应用提供了一定的理论依据。

混杂碳/玻纤维复合材料自行车轮辋的铺层优化分析及抗疲劳验证

周勇军, 邱宇鸿, 李红周

2023, 0(11): 70-77. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.009

摘要 ( 56 )

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对碳纤维/玻璃纤维层间混杂复合材料自行车轮辋进行数值优化分析,能够设计出具有价格适中、安全性能高、耐疲劳等特点的自行车轮辋。借助有限元分析对自行车轮辋模型进行服役状态下的力学行为模拟,能够为试验研究提供相对可靠的方案,减少试验过程中不必要的原料浪费,从而降低整个复合材料轮辋的设计和制备成本。本文通过ABAQUS软件构建了自行车轮辋模型,通过调整碳纤维预浸布铺层和玻璃纤维预浸布铺层的顺序、各铺层角度比例和顺序,计算轮辋在服役状态下的力学性能,通过比较各方案得到较优的设计方案。5万次加速疲劳测试结果表明:采用优化后的自行车轮辋侧壁铺层方案及凸缘铺层方案指导复合材料轮辋的制备,可以显著提高复合材料自行车轮辋的抗疲劳能力。

复合材料水平尾翼的后梁铺层优化研究

刘嘉, 吴江, 张夫恩, 吴道明

2023, 0(11): 78-83. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.010

摘要 ( 60 )

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为有效降低水平尾翼的重量,合理布置铺层方式,提高复合材料的利用效率,以某型复合材料水平尾翼为研究对象,借助专业分析软件Patran & Nastran建立了水平尾翼的有限元模型,校核了水平尾翼的静强度。设计制造了水平尾翼主承力结构试验件和试验夹具,并完成试验验证,试验结果表明二者应力分布基本一致,说明有限元模型是合理的。水平尾翼承受最大过载时,主承力件后梁最大应力远远小于材料许用值,以铺层厚度为设计变量,材料应力极限为约束对后梁铺层进行优化设计。结果表明:优化后的结构重量减轻了15.75%,且强度性能满足要求。

三维四向碳/碳复合材料预制体压实致密多影响因素分析与研究

任洪庆, 董九志, 梅宝龙, 陈云军, 蒋秀明

2023, 0(11): 84-89. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.011

摘要 ( 62 )

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为提高预制体纤维体积含量,基于三维四向碳/碳复合材料预制体成型工艺,设计正交试验分析每循环压实次数、保压时间和助剂含量对纤维体积含量的影响规律,结果显示助剂含量对最终纤维体积含量影响最大,每循环压实次数影响次之,保压时间影响最小;纤维体积含量随助剂含量的增加先增大后降低,随保压时间及每循环压实次数的增加而增大。通过设计BBD响应面优化试验,建立相应纤维体积含量数学模型并验证了模型的可靠性,进而优化工艺参数并进行了试验验证。结果表明:每循环压实3次,保压7 s,两束含助剂纤维为最优压实工艺参数。在最优参数下编织的预制体最终纤维体积含量与预测值仅相差0.24%,与原工艺参数相比提高4.54%。最后通过显微观测发现最优参数下所编织的预制体更加密实。

复合材料风电叶片预埋螺栓套连接的轴向刚度分析

高翔, 喻光安, 刘志强, 席振钊, 刘防防, 宋笑非, 秦志文

2023, 0(11): 90-95. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.012

摘要 ( 96 )

PDF (4219KB) ( 80 )

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预埋方式的螺栓连接是大型风力机叶片根部连接和分段式叶片连接的主要形式之一。螺栓连接刚度的准确计算是保证风电叶片静态和疲劳载荷安全设计的重要因素。基于分段式叶片中的预埋螺栓套连接结构,假设被连接件内的轴向应力满足锥形分布,推导了其轴向刚度的解析方程;采用有限元数值方法确定了锥形半角;研究了螺栓直径、夹持长度以及螺栓套厚度对被连接件刚度的影响,通过对比被连接件刚度的解析解与数值解,验证了预埋螺栓套刚度解析表达式的精度。结果表明:预埋螺栓套连接的锥形半角取值范围为15°~18°;被连接件的刚度随着螺栓直径、螺栓套厚度的增大而增大,随着夹持长度的增大而逐渐减小。

大尺寸变截面翼梁的自动铺丝成型

薛柯, 何大亮, 薛凯, 马占宇, 唐珊珊, 张亮, 房晓斌

2023, 0(11): 96-101. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.013

摘要 ( 59 )

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机翼翼梁是飞机的主承力构件,为了保证其成型质量和生产效率,需要采用自动化成型方式进行翼梁构件的生产制造。本文对目前翼梁成型方法的应用及研究现状进行了介绍,根据大尺寸变截面翼梁(长度大于10 m)的结构特点,研究了复合材料翼梁的自动铺丝成型技术。以M.TORRES龙门铺丝机为铺放平台,提出了翼梁的自动铺丝成型要点,确定了各个角度铺层的轨迹规划方法,结合轨迹规划情况,给出了翼梁的铺丝成型轨迹完善处理方案。最后,通过大尺寸复合材料翼梁的自动铺丝成型制造,验证了轨迹规划方法和轨迹处理方案的可行性与正确性,为国内自动铺丝技术在大尺寸复合材料翼梁成型上的应用提供参考。

基于GMDH的FRP板-混凝土黏结强度预测模型

易晓园, 张爱玲

2023, 0(11): 102-107. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.014

摘要 ( 50 )

PDF (6252KB) ( 30 )

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近年来,纤维增强复合材料(FRP)已被广泛应用于既有混凝土结构加固。而现有FRP与混凝土界面黏结强度模型的预测精度偏低,无法为FRP的实际应用提供有效的参考。为此,本文建立了一个由855组试验数据组成的大型数据库,并在此基础上利用数据分组处理算法(GMDH)提出了一个高精度预测模型。为验证GMDH模型是否能为FRP-混凝土界面的黏结强度计算提供更有价值的参考,本文将GMDH模型与现有七个文献模型进行对比,并采用决定系数(R²)、变异系数(COV)和相对平方根误差(RRSE)等三个统计指标对模型的预测结果进行评价。结果表明,与现有文献模型相比,本文所提GMDH模型的R²,COV和RRSE值至少改进了11.9%、30.9%和35.3%。因此,GMDH模型能够为FRP的实际应用提供更加有效的参考。

碳纤维复合材料固化变形预报方法对比

罗玲, 张涛, 田智立, 刘雷波, 夏雅男, 李卓达, 魏洪峰

2023, 0(11): 108-115. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.015

摘要 ( 57 )

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碳纤维复合材料固化变形引起复合材料制件装配困难、残余应力等问题。因此,非常有必要建立复合材料构件制造过程引起变形缺陷的准确预报方法。本文对半经验模型与CHILE模型这两种应用最为广泛的固化变形仿真分析方法进行对比,并通过热压罐成型工艺试验对其进行验证。试验结果表明,这两种模型均可准确地模拟复合材料层合板的固化变形行为,其模拟误差均小于10%。基于CHILE模型研究材料参数对固化变形的影响,发现对固化变形影响最大的是玻璃态横向热膨胀系数,其次是橡胶态横向化学收缩系数。

碳纤维复杂构件LCM成型工艺技术发展综述

李先阳, 刘彬, 于雅琳, 周何乐子, 周华民

2023, 0(11): 116-121. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.016

摘要 ( 76 )

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复合材料液体成型工艺(Liquid Composite Molding,LCM)是纤维增强树脂基复合材料的主流成型工艺之一。随着航空航天工业的发展,高端装备对复合材料构件的性能以及复杂性提出了更多的要求,需要对当前LCM成型工艺进行创新,为此,新型复合材料成型工艺成为研究热点。本文按成型工艺类别划分,分别概述了复合材料LCM成型、自动铺放-液体成型、三维纺织预制体液体成型以及共固化液体成型的工艺原理、工艺特点与工业应用。最后对复合材料LCM成型工艺未来发展方向提出针对性建议。

纤维增强热塑性复合材料3D打印研究进展

任佳军, 孙颖, 鞠博文, 于肖

2023, 0(11): 122-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.017

摘要 ( 80 )

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3D打印(3DP),又称为增材制造(AM),是一种通过连续分层切片与材料层层沉积构建三维物体的新兴技术。近年来,关于3D打印技术的研究在全球范围内呈指数级增长。3D打印技术在航空航天、轨道交通、电子和生物医学等领域有着广泛的应用。纤维作为增强体在热塑性聚合物3D打印中的应用,极大地提高了复合材料的综合力学性能。本文在简要介绍纤维增强复合材料3D打印的发展历史基础上,评述了纤维增强复合材料3D打印的制件性能优化方式、存在问题与未来发展趋势。

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