复合材料科学与工程

王轩, 王威, 余芬, 邹润文, 王魁奎

2024, 0(1): 5-12. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.001

摘要 ( 108 )

PDF (3981KB) ( 131 )

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以挖补修理复合材料蜂窝夹芯结构为研究对象,考虑胶层性能的不确定性,通过ABAQUS-MATLAB-Python联合仿真,建立挖补修理蜂窝夹芯结构侧向压缩渐进损伤分析模型,得到随机变量与其所对应的输出响应。基于蒙特卡罗法进行可靠性分析,采用基于方差和失效概率的全局灵敏度分析方法进行参数灵敏度分析。结果表明:外载荷在不同数值区间下结构失效概率具有较大差异,在接近极限破坏载荷时失效概率显著增加;胶层厚度方向的弹性模量和面内两个相互垂直方向上的剪切模量对挖补修理蜂窝夹芯结构侧压强度方差和失效概率的影响较大。

三维编织复合材料细观结构建模关键问题研究

刘帅, 王真, 卢国盛, 刘芳, 沈敏

2024, 0(1): 13-21. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.002

摘要 ( 80 )

PDF (10364KB) ( 107 )

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基于细观力学的数值分析方法是研究三维编织复合材料力学性能的有效方法,其中细观模型的建立是力学分析的基础。纤维束的空间走向和细观结构几何参数表征是细观结构建模中的两个关键问题。围绕这两个关键问题,针对三维四向编织复合材料的三单胞模型开展研究,全面分析了单胞45°划分方式和水平划分方式中纤维束的各种空间走向,获得了详细的三单胞的纤维束方向余弦;针对三种形状的纤维束横截面,分析推导了编织工艺参数与单胞几何参数的复杂关系,利用编织工艺参数作为初始参数对单胞结构进行定量化表征,并获得了纤维束体积分数和纱线填充系数的计算方法。研究工作为三维多向编织复合材料的细观结构建模提供理论参考,具有一定的工程实用价值。

嵌入式共固化穿孔纤维增强阻尼复合材料面内力学性能

孙瑞骏, 梁森, 罗皓, 刘昭阳, 胡子健

2024, 0(1): 22-29. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.003

摘要 ( 38 )

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本文提出一种嵌入式共固化穿孔纤维增强阻尼复合材料板(Embedded Co-curing Perforated Fiber-reinforced Damping Composite Panel,ECPFDCP)结构。该结构在减小刚度损失、提高承载能力的同时,还提高了阻尼性能。建立了有限元模型和穿孔纤维增强阻尼薄膜的面内等效参数的理论模型,运用数值模拟分析方法验证了文中理论模型和方法的有效性。用验证的理论模型和方法分别研究了设计参数对ECPFDCP穿孔纤维增强阻尼薄膜面内力学性能的影响。结果表明:增大穿孔阻尼层厚度和阻尼层穿孔孔径,减小阻尼层穿孔孔距,均有利于增大剪切模量。文中的模型和方法对嵌入式共固化非连续阻尼复合材料结构的动力学性能理论研究具有重要的指导意义,为结构的设计与制造提供了参考。

不同冲击角度对复合材料层合板低速冲击损伤特点的影响

林逸, 刘玲

2024, 0(1): 30-37. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.004

摘要 ( 68 )

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复合材料结构在服役过程中常受到低速冲击影响,产生不可目视的内部损伤,这将降低结构的承载能力。实际工程中,低速冲击物与结构相互作用时,可能呈现不同的冲击角度。因此,本文针对一种典型铺层的碳纤维/环氧复合材料层合板,采用ABAQUS建立90°和不同倾斜角度的低速冲击数值模型,以分析不同冲击角度对层合板接触力与损伤的影响,以及冲头旋转造成的二次接触对损伤的影响。在数值模型中,采用连续介质损伤力学模型和三维Hashin准则模拟层内的失效,并采用内聚力模型与双线性牵引-分离本构关系模拟层间分层。对90°模拟结果与试验结果进行对比分析,结果证明了所建立数值模型的可靠性。不同冲击角度冲击模拟结果表明:在冲击角度从30°升至90°过程中,法向接触力始终增大,切向接触力先增大后减小;随着冲击角度的减小,损伤的整体偏移逐渐明显,并且基体拉伸损伤面积始终较大。不同冲击能量下的二次接触模拟结果表明,随着冲击能量增大,产生二次接触的冲击角度范围减小,且二次接触对层合板顶部造成了新的损伤。

含分层CFRP层合板结构的振动频率与剩余压缩强度的关联性研究

郭静静, 张芝芳, 罗子微, 刘文迪

2024, 0(1): 38-44. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.005

摘要 ( 43 )

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纤维增强复合材料层合结构在生产和使用过程中容易出现分层损伤,为研究分层损伤对复合材料层合结构压缩强度的影响,本文对含有不同预制分层缺陷的复合材料层合板进行了模态测试,提取固有频率,并通过静强度压缩试验得到剩余压缩强度。主要研究了在复合材料层合板的中间界面预埋不同尺寸的穿透型分层对其固有频率及剩余压缩强度的影响。基于ABAQUS平台建立了含预制分层的复合材料结构有限元模型,将仿真结果与试验结果进行对比,验证了仿真模型。采用有限元模型进一步分析分层损伤对频率以及剩余压缩强度的影响。结果表明:试件的固有频率随预制分层损伤面积增加而下降;与无初始损伤试件相比,含有预制分层的试件,其压缩破坏的位置主要集中在预制分层缺陷的铺层,且随预制分层的尺寸变化呈现不同程度的分层扩展;改变层合板的铺层时,随着分层损伤尺寸增加,复合材料层合板的压缩强度与其固有频率均逐渐下降;试验和仿真分析皆表明复合材料层合板的固有频率与其剩余压缩强度具有定量的关联性,但关联性受铺层影响,改变铺层将导致二者的指数关系发生变化。

考虑剪切非线性的复合材料层合板渐进损伤数值模拟

贺利乐, 李书宝, 郑建校, 邵献忠

2024, 0(1): 45-53. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.006

摘要 ( 38 )

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基于连续损伤力学的基本原理,建立了考虑剪切非线性的三维渐进损伤模型,分析预测复合材料层合板的力学行为、失效载荷以及失效机理。选用高阶指数函数描述复合材料的剪切非线性行为,考虑复合材料刚度渐进和突然折减的组合方式来表征损伤过程中材料的刚度变化,编制了UMAT子程序,采用ABAQUS软件对带孔AS4/PEEK复合材料层合板进行渐进损伤失效分析。本文提出的模型与传统不考虑剪切非线性的模型相比,仿真结果精度更高,与已报道试验对比误差值小于4%。模拟结果显示,孔径越大,损伤发生前,圆孔附近的应力极限值越大,应力分布梯度越大,层合板承载能力越小。当采取[±45]_2S铺层方式时,仿真应力与试验结果具有很好的一致性,也进一步验证了模型的适用性和准确性。

基于改进NSGA-Ⅱ的纤维缠绕落纱点轨迹采样特征权重优化

田会方, 仇振兴, 吴迎峰

2024, 0(1): 54-59. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.007

摘要 ( 43 )

PDF (2008KB) ( 60 )

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针对基于空间特征曲线特征函数的纤维缠绕落纱点轨迹采样算法无法自动选择特征权重的问题,建立以特征权重为变量,以得到采样点线性插值生成曲线与原曲线的MAE,RMSE为目标函数的双目标优化模型。提出基于改进NSGA-Ⅱ算法的双目标优化求解方法以优化特征权重。实例验证表明,与传统NSGA-Ⅱ算法相比,改进NSGA-Ⅱ算法求得Pareto解集的MAE,RMSE平均下降了0.002和0.105,算法选取特征权重的MAE,RMSE比特征权重为(0.1,0.3)的MAE,RMSE分别降低了约12.9%和8.5%,比特征权重为(0.9,0.1)的MAE,RMSE分别降低了约20.6%和11.4%,有效地提高了落纱点轨迹采样的精度。

碳纤维对纳米偏高岭土再生混凝土抗折强度及微观结构影响试验研究

阎杰, 罗岩, 于旭涛, 王丽君, 谢军, 舒新前

2024, 0(1): 60-65. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.008

摘要 ( 41 )

PDF (6644KB) ( 64 )

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为了充分利用再生混凝土资源,采用碳纤维对纳米偏高岭土再生混凝土抗折强度进行改性,以不同碳纤维和纳米偏高岭土掺量作为变量制备再生混凝土,结合压汞法及扫描电镜研究再生混凝土孔隙结构及微观形貌特征,分析碳纤维对纳米偏高岭土再生混凝土的改性机理。结果表明:碳纤维对再生混凝土抗折强度增强效果显著,在不同纳米偏高岭土掺量下,碳纤维适配掺量有所不同,当纳米偏高岭土掺量为7%、10%、12%时,碳纤维最佳掺量分别为0.1%、0.15%、0.2%,当纳米偏高岭土掺量为10%,碳纤维掺量为0.15%时,抗折强度达到最大值,较普通再生混凝土强度增幅为59.1%;碳纤维的掺入细化了再生混凝土内部的孔隙结构,使有害孔和多害孔的比例降低,少害孔的比例增加;碳纤维在再生混凝土内部起到承载及阻裂作用,纳米偏高岭土的填充效应以及火山灰活性增强了界面过渡区的粘接强度,使碳纤维更能发挥其作用,进而促进再生混凝土强度的提高。

基于渐进均匀化方法的CFRP缠绕储氢气瓶多尺度仿真研究

冯君, 张楠, 宋梅利, 陈杨, 赵晓冬, 梁建国

2024, 0(1): 66-73. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.009

摘要 ( 40 )

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为模拟储氢气瓶的碳纤维复合材料(CFRP)缠绕层复杂结构及应力状态,建立介观尺度CFRP缠绕层代表体积单元(RVE),基于渐进均匀化方法求解均质化复合材料的等效材料参数。通过仿真CFRP层合板拉伸试验,验证渐进均匀化方法和宏观等效材料参数的正确性。基于网格理论确定储氢气瓶缠绕层,细观建模内衬相邻环向缠绕层,RVE模拟其余复合材料层,可准确预测气瓶响应。多尺度模拟70 MPa公称压力作用下三种CFRP缠绕层叠顺序结构的Ⅳ型储氢气瓶响应,结果表明:复合材料均质化模型与细观模型相比,复合材料层纤维方向应力的最大误差为8.7%,内衬等效应力最大误差为2%;交替缠绕次数越少,均质化模型误差越小。先螺旋后环向的缠绕方式或可将复合材料气瓶破裂压提高约15%。

CFRP层合板单搭胶接接头胶板界面剥离强度仿真分析

张亚楠, 陈栋, 时建纬, 铁瑛, 李成

2024, 0(1): 74-82. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.010

摘要 ( 48 )

PDF (17436KB) ( 74 )

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基于异材界面奇异应力场理论,以CFRP层合板单搭胶接结构为对象,通过有限元和实验的方法分析了结构承载时板胶结合界面上出现的应力分布,锁定界面剥离强度关键区域,通过网格无关的有限元应力比值法提升仿真求解精度,最大限度还原板胶界面应力分布,着重探讨了多层各向异性CFRP板与传统均质材料在仿真过程和结果的差异,及搭接长度、胶层厚度、结构胶参数等对板胶界面应力分布及起裂点位置的影响,为板胶界面剥离应力的优化、胶接工艺的改进和单搭胶接接头强度的提升提供理论支撑。结果表明:各层参数不同的CFRP板胶界面承载时,剥离应力的最大处需由三个维度共同约束,其中两个维度的约束结果与均质材料相同,极值位于板胶界面垂直于拉伸方向的边缘,实际结构中失效的起始亦常见于此处,第三维度受层合板多层异性影响,该边缘上应力最大的点既不位于该边缘的中点也不位于界面角部,具体位置由材料参数和胶接结构共同影响。

基于Mask R-CNN的复合材料夹杂缺陷自动检测研究

李磊磊, 王明泉, 赵付宝, 朱焕宇, 丰晓钰, 谢绍鹏

2024, 0(1): 83-88. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.011

摘要 ( 39 )

PDF (7040KB) ( 47 )

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为提高复合材料夹杂缺陷的检测效率,本文提出利用深度学习网络设计一种夹杂缺陷自动检测系统。在图像预处理环节采用两级反锐化掩膜算法突出夹杂缺陷特征,构建复合材料夹杂缺陷图像数据库;采用Mask R-CNN网络模型,经过网络模型训练,得到最优权重参数,最终设计实现缺陷检测软件系统。实验结果表明,Mask R-CNN算法网络准确率达94.6%,召回率达92.4%,AP值达87.3%。该系统应用方便快捷,将有效提高一线人员的缺陷检测效率和检测精度。

芳纶平纹编织复合材料平板弹道冲击特性及损伤分析

牟浩蕾, 李仪, 宋东方, 解江, 冯振宇

2024, 0(1): 89-97. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.012

摘要 ( 37 )

PDF (10625KB) ( 27 )

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为了研究1000D629T/EPMOLD110芳纶平纹编织复合材料平板抗冲击行为及损伤特性,采用真空辅助树脂灌注成型技术(VARI)和树脂传递模塑成型技术(RTM)加工不同厚度的平板试验件,通过空气炮装置进行弹道冲击试验。同时,基于芳纶平纹编织复合材料基础力学性能试验数据,建立经验证的细观代表体积单元(RVE)模型,通过拟合确定宏观模型的材料本构参数;建立芳纶平纹编织复合材料平板弹道冲击宏观有限元模型,结合CT扫描结果进一步分析其弹道极限特性及损伤形貌等。结果表明:芳纶平纹编织复合材料平板在圆柱弹体冲击试验下的失效模式主要为纤维拉伸断裂、纤维脱出、面外剪切与层间分离等;随着平板厚度增加,其弹道极限相应增加,且与VARI工艺相比,采用RTM工艺可将芳纶平纹编织复合材料平板的抗冲击性能提升5%;芳纶平纹编织复合材料平板宏观模型的弹道冲击仿真结果与试验结果吻合较好,弹道极限误差在1%以内。

连续芳纶纤维增强PLA复合材料3D打印技术成型缺陷及工艺优化方法研究

孟云聪, 周光明, 蔡登安, 张楠

2024, 0(1): 98-104. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.013

摘要 ( 35 )

PDF (11525KB) ( 19 )

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连续纤维3D打印技术结合了复合材料高力学性能和3D打印灵活制造的优点,具有较大发展潜力。然而现有工艺制得的零件存在较多成型缺陷,影响了该技术的大规模应用。本文基于自行研制的3D打印设备制造芳纶纤维增强PLA试验件,研究试验件成型质量并提出了滑移缺陷发生条件,系统研究了纤维束滑移、剥离、断裂和层间孔隙等缺陷,最后提出优化打印速度、路径变化角、冷却系统和喷嘴外形四种工艺优化方法,设计了相关试验进行验证。结果表明,优化打印速度、路径变化角和增设冷却系统可将纤维束滑移距离分别降低45%、81%和50%,优化喷嘴设计可将纤维束断裂率降低90%。本研究为基于3D打印的复合材料设计和制造提供了新的思路和解决方案。

下采样体素网格技术在角联锁复合材料损伤失效预测中的应用研究

李小欢, 郭居上, 朱立平, 朱梦蝶, 杨成

2024, 0(1): 105-110. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.014

摘要 ( 31 )

PDF (6704KB) ( 16 )

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为解决角联锁复合材料在损伤失效预测时计算量大、计算效率低的问题,采用图像处理方法中常用的下采样体素网格技术,将原体素网格模型中的4³个网格打包成一个代表性体元进行计算,从而大幅度降低计算量和计算时间。从复合材料的弹性性能、损伤状态和计算时间三个方面与全网格模型进行比较,数值试验结果表明,采用下采样体素网格技术的模型与全网格模型不仅在刚度预测中完全一致,且损伤状态也相仿,同时具有千万级网格模型的CPU时间降低约85%,适用于工程用角联锁结构的高精度、高速率计算。

聚醚醚酮复合材料制备技术在医疗领域中的应用进展

高亮, 白钰, 高军鹏, 凌常月, 张宝艳, 齐楠

2024, 0(1): 111-118. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.015

摘要 ( 58 )

PDF (4842KB) ( 46 )

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随着科学技术的进步和人们健康意识的提升,植入性医疗器械被越来越广泛应用于临床。聚醚醚酮复合材料因具有低影像学干扰、轻质高强、模量更接近人体组织、动态负载性能优异、耐腐蚀以及耐磨等特点,在医疗领域应用前景广阔。本文重点介绍了注塑成型、3D打印成型和预浸料热压成型三种聚醚醚酮复合材料制备技术的基本原理、国内外研究及其在医疗领域中的应用进展,比较了不同制备技术的优缺点和适应性。同时,提出了聚醚醚酮复合材料在医疗应用中所面临的问题与挑战。希望未来相关研究深入开展,促进我国医用材料水平的发展和植入性器械的更新换代,提高患者身体健康水平,改善生活质量。

先进复合材料用模具材料及结构形式现状与发展趋势

马全胜, 王文义

2024, 0(1): 119-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240128.016

摘要 ( 53 )

PDF (12890KB) ( 67 )

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复合材料制件的制备一般在模具中进行,在材料固化的同时完成复合材料制件成型,因而模具直接影响复合材料制件的尺寸及表面精度。随着先进复合材料制件在航空航天等领域应用的显著增长,为满足对复合材料产品不断提高的性能和精度要求,多种模具材料及结构形式应运而生,为复合材料制件的高精密制造提供了丰富的加工方式。总结了用于复合材料制造的模具材料由使用传统材料到殷钢、轻质复合材料及新型材料的发展过程,针对不同成型工艺及复合材料制件结构类型,对复合材料成型模具的结构形式进行了论述,并探讨了复合材料成型模具的发展方向。

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