复合材料科学与工程

李洪年, 石强斌, 王轩, 邹润文, 张峰

2024, 0(2): 5-12. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240228.001

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建立了一种复合材料蜂窝夹芯结构低速冲击后压缩强度的可靠性与灵敏度分析方法。利用ABAQUS有限元分析软件和VUMAT子程序建立了蜂窝夹芯结构冲击后压缩渐进损伤失效分析模型,并通过试验验证模型的有效性;在此基础上,利用Python语言对模型中材料力学性能和面板厚度、蜂窝芯子厚度进行参数化;采用径向基神经网络代理模型替代渐进损伤失效分析模型;基于蒙特卡洛法进行冲击后压缩强度的可靠性分析;分别采用基于方差和基于失效概率的方法进行参数的灵敏度分析,并研究参数的变异系数对结构可靠性的影响。结果表明:在外载荷低于10 000 N,结构失效概率小于0.000 17的情况下,当外载荷达到12 700 N时,结构失效概率达到0.9;面板的力学性能、面板厚度、蜂窝芯厚度对冲击后压缩强度的影响较大;冲击后压缩强度的变异系数随着参数变异系数的增大而增大。

复合材料加筋板高能量低速冲击损伤特性数值研究

冯振宇, 李玲玲, 邹君, 解江, 王计真, 郭亚周

2024, 0(2): 13-19. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240228.002

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高能量大面积钝物冲击对复合材料飞机运营安全带来较大的威胁。采用Hashin准则和双线性渐进损伤模型模拟层内损伤,采用Cohesive界面元模拟层间损伤,采用Ogden超弹性材料模型作为橡胶材料本构模型,并进行了模型有效性验证,针对复合材料加筋板开展了高能量软体、硬体低速冲击下的损伤特性数值研究。分别分析了加筋板不同位置在刚性冲头和橡胶冲头高能量低速冲击下的冲击响应和损伤过程,对比研究了在冲击过程中加筋板变形和损伤模式。结果表明,刚性冲击下接触压力较大,局部变形和损伤更严重。橡胶冲击下橡胶变形起到了一定缓冲和分散压力的作用,但接触力峰值与刚性冲击相比高出约23%。冲击位置位于筋条时在刚性冲击下的损伤最严重,损伤主要位于蒙皮、筋条腹板和缘条,在橡胶冲击下损伤主要位于蒙皮背部和筋条腹板。与刚性冲击相比,不同位置橡胶冲击下的损伤较小且几乎外部目视不可见。

高耐热线性环氧树脂的合成及流变特性研究

张相昌, 王钧, 陈晞

2024, 0(2): 20-26. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240228.003

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通过N-苯基马来酰亚胺(N-PMI)与4,4′-二氨基二苯甲烷(DDM)迈克尔加成反应合成了一种改性二元胺(PDP),并与双酚A型环氧树脂(EP)反应制备了线性环氧树脂。通过核磁共振氢谱(HNMR)、红外光谱法(FTIR)和差式扫描量热法(DSC)研究了PDP的化学结构与性质,并通过DSC,FTIR和凝胶渗透色谱法(GPC)研究了线性环氧树脂耐热性(T_g)及流变特性。结果表明:随着反应时间延长,EP/PDP(1∶1摩尔比)树脂体系黏度由0.55 Pa·s增至57 Pa·s,T_g由55 ℃升至120 ℃,平均分子质量由4 651增至25 096;随着温度的降低,体系黏度由200 ℃的0.55 Pa·s增加至140 ℃的60 Pa·s。不同比例EP/PDP树脂体系的T_g随PDP过量的比例增大而升高,当EP∶PDP为0.8∶1时,T_g为121 ℃,在相同反应时间,体系黏度随PDP过量比例的增大而增大。

含开孔与含裂缝的复合材料层压板拉伸剩余强度评估

汪厚冰, 邓凡臣, 魏宏艳, 李新祥, 杨胜春

2024, 0(2): 27-34. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240228.004

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为研究含开孔和裂缝的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层压板在拉伸载荷作用下的剩余强度,针对四种典型铺层、两类损伤形式、四种损伤尺寸的约200件试验件进行了试验研究。结果表明:对于具有相同铺层、相同宽度的复合材料层压板,开孔直径与裂缝长度相等时,两类层压板有相同的剩余强度;加载过程中,裂缝根部较早出现裂缝、分层,应力重新分配,降低了裂缝根部的应力集中。基于损伤区纤维断裂判据、经典层压板理论及复变函数理论的强度计算方法能较准确地计算出含开孔的复合材料层压板剩余强度;计算含裂缝复合材料层压板剩余强度时可将裂缝损伤等效为开孔损伤,计算结果与试验结果吻合较好。

基于剪滞理论的纤维应力分布分析

沈志强, 王华毕, 章文燕

2024, 0(2): 35-39. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240228.005

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探讨拉压过程中纤维与基体之间的应力,利用弹性力学基本理论,根据Cox剪滞模型,推导轴向力和剪切力理论数学公式。在推导过程中,将径向力考虑在内,同时纤维与基体间的应力传递过程需要通过剪切应力来实现,最终求解轴向力,对轴向力和剪切力的分布作图并进行详细分析。最终发现径向力存在的情况下,最大剪应力有所降低,降低幅度达5.25%,最大轴向力有所提升,提升幅度达3.76%。同时,在拉伸过程中发现纤维两端出现了最大剪应力,而最大轴向力出现在纤维中心处。

BNNS插层PVDF/BaTiO₃制备高储能密度复合电介质

邵丹丹, 王耀, 雷炳育

2024, 0(2): 40-44. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240228.006

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具有快速储存与释放电能的静电电容器一直在船载逆变器、舰载飞机弹射装置、光伏/风力发电等能源领域行业有着重要的作用,提升电容器电介质材料的储能密度(U_e)可大幅加快该行业的发展。以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体,引入钛酸钡(BaTiO₃)陶瓷提升基体介电常数(ε_r),为了缓解引入高ε_r陶瓷造成复合材料击穿场强(E_b)下降,通过氮化硼纳米片(BNNS)插层PVDF/BaTiO₃以制备三元复合材料。试验与仿真模拟发现,高绝缘BNNS能够实现复合材料E_b与ε_r的同步提升,在396 MV/m电场下获得9.7 J/cm³的U_e,为缓解E_b与ε_r的矛盾与制备高储能密度电介质材料提供基础。

基于渐进损伤模型的热固性复合材料电阻焊接头强度的尺寸效应研究

赵艺, 赵刚, 范欣愉, 闫忠伟, 葛亚琼, 徐剑

2024, 0(2): 45-51. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240228.007

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研究了拉剪载荷下热固性复合材料电阻焊接头强度的尺寸效应,揭示了不同搭接尺寸对焊接强度和焊接界面渐进损伤行为的影响规律。为了研究焊接界面的渐进损伤行为,引入双线性内聚力单元,进而建立焊接接头的有限元模型,然后通过电阻焊接的拉剪试验验证了模型的准确性。在此基础上,建立了不同搭接尺寸的数值模型并对其进行研究。研究结果表明,增大搭接长度或者宽度可以提高接头结构的承载能力,但是当搭接长度较长时,在搭接区域边缘易发生翘曲失效,降低了接头单搭接剪切强度,而宽度则对接头的剪切强度影响很小。

CFRP层合板双面挖补补片设计及性能分析

张弘强, 陈栋, 李成

2024, 0(2): 52-58. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240228.008

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基于三维Hashin准则,借助有限元方法(FEM),建立了复合材料层合板双面挖补修补模型。引入一种只挖去破损部位,留下有锥度的孔但未覆盖胶层及补片的挖补模型,分别论述修补效果中挖补后母板的剩余强度和胶层补片提升的强度,得到了双面挖补修理的损伤过程和最佳挖补角度。结果表明:双面挖补拉伸强度恢复率为50%~80%,能够通过更小的挖补面积实现与单面挖补相同的修复效果,对母板的损伤更少,适用场景更多;双面挖补修理效果随着挖补角度的增大先增大后减小,在挖补角度为6°时修补效果最佳,强度恢复率达到78%;采用T300/7901材料作为母板和补片材料,通过试验验证了试件失效载荷与有限元模拟结果吻合良好,误差率小于15%,可以证明建模的正确性。

埋地夹砂拱结构的受力特性影响分析

杨计刚, 张芳芳, 梁瑛硕, 张朝阳, 王清洲

2024, 0(2): 59-66. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240228.009

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为研究埋地半椭圆形夹砂拱结构受力特性的影响规律,采用自制模型箱开展拱结构埋地特性的加载试验,测试其环向应变与竖向位移,建立埋地半椭圆形夹砂拱结构的ABAQUS数值计算模型并验证精度;采用有限元方法研究不同矢跨比、覆土高度和拱脚约束状态对拱结构受力和变形的影响规律。结果表明:0.30~0.45之间的四种矢跨比下,拱顶和拱脚位置是拱结构受力和变形的关键位置;覆土高度在60 cm、90 cm和120 cm三个高度变化时,增加覆土高度可以对拱结构起到较好的减载作用;拱脚由无约束向半约束和全约束状态转换时,拱结构受力的最不利位置由拱顶转移至拱脚,有利于结构整体受力。夹砂拱结构设计施工中,可将受力最不利位置作为安全控制点,且应关注拱结构的应力集中问题,同时采取减载等手段,以避免结构产生破坏。

Al₂O₃-SiO₂复合纳米气凝胶材料耐高温性能研究

吴佳臻, 徐长伟, 张忠伦, 王明铭

2024, 0(2): 67-74. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240228.010

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以正硅酸四乙酯(TEOS)和六水合氯化铝(AlCl₃·6H₂O)作为混合前驱体,环氧丙烷作为网络诱捕剂,在不添加螯合剂情况下,采用溶胶-凝胶工艺与CO₂超临界干燥法制备出了不同摩尔比的Al₂O₃-SiO₂复合气凝胶。对样品分别进行600 ℃、800 ℃、1 000 ℃和1 200 ℃热处理,并利用傅里叶红外光谱分析仪、扫描电镜、X射线衍射仪、比表面积分析仪、热重差热分析仪等仪器对Al₂O₃-SiO₂复合气凝胶的微观形貌、结构及热稳定性能进行表征。结果表明:当AlCl₃·6H₂O∶TEOS=8∶1时,Al₂O₃-SiO₂气凝胶样品在1 000 ℃和1 200 ℃热处理后的导热系数分别为0.062 1 W/m·K和0.080 3 W/m·K,在1 000 ℃以上热处理后,孔径更加均匀,保留了较好的介孔结构;并且不同的热处理温度延缓了晶型转变,在常温和1 200 ℃条件下,样品比表面积分别为617.14 m²/g和102.9 m²/g,为均匀的介孔结构(孔直径为8~32 nm),孔径低于常温下空气的平均自由程,在1 200 ℃热处理后,样品总失重率为16.3%,具有较好的高温热稳定性。

考虑连续性和对称性约束的复合材料风力机叶片纤维铺角优化

李天泽, 李宏宇, 孙鹏文, 王子瑞

2024, 0(2): 75-80. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240228.011

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在复合材料结构的设计过程中,应考虑为满足结构性能和生产工艺要求所必需的制造性约束,使之贴合工程实际。论文基于复合材料层合板理论和离散材料优化方法,将铺层参数优化转换为离散多相材料的纤维铺角分布优化问题,构建了以结构柔顺度最小为目标函数,备选材料人工密度为设计变量,连续性约束和设计变量和等于1为约束函数的复合材料层合板分区细观纤维铺角优化数学模型。以考虑连续性与对称性约束的层合板和某风力机叶片进行应用,结果表明,考虑连续性和对称性约束的优化铺层方案可提高结构的性能,有效避免结构的翘曲变形,减小基体开裂的概率,更符合生产制造要求。

轴向荷载作用下碳纤维布约束损伤混凝土能量耗散试验研究

张正亚, 王志博, 孙明明

2024, 0(2): 81-88. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240228.012

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本文对碳纤维布约束损伤混凝土在轴向荷载作用下的力学性能开展试验研究。设计了混凝土损伤度、碳纤维布层数及碳纤维布缠绕角度三种变量,通过试验结果分析了三种变量对碳纤维布约束混凝土应力-应变曲线、峰值应力、耗能效果及机械损伤度的影响规律。试验结果表明:相较于未损伤试件,0.4σ_m(σ_m为未损伤混凝土试件单轴抗压强度)、0.5σ_m、0.6σ_m、0.7σ_m应力幅值损伤下素混凝土损伤度均值分别为7.24%、14.86%、25.31%、36.66%,损伤度与损伤应力幅值间指数函数呈现良好的正相关。碳纤维布的约束作用增强试件峰值应力及延性,0.4σ_m损伤应力作用后,相较于未粘贴碳纤维布试件,粘贴1,2,3层碳纤维布试件峰值应力增幅分别为34.99%、55.16%、64.42%,碳纤维布粘贴层数与峰值应力间指数函数呈负相关,过量的纤维布使试件应力增幅不再明显。碳纤维布缠绕角度的增大使试件单位体积耗散能线性降低,缠绕角度的增大降低了荷载作用下试件的承载效果。应力损伤幅值的增大使试件机械损伤度降低,碳纤维布层数的增加使试件机械损伤度增加,纤维布的约束保护作用极大提升了试件的耗能效果。

BFRP加固对冻融损伤混凝土短柱承载能力的影响

李志强, 张宏家, 孙玉洁

2024, 0(2): 89-95. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240228.013

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为减少冻融循环对混凝土力学性能的影响,经济高效地延长严寒地区冻融损坏混凝土结构的使用寿命,通过三种BFRP布包裹层数(0,2,3层)约束经历四种冻融循环次数(0,25,50,75次)素混凝土短柱试验,系统研究BFRP布加固层数对不同冻融损伤混凝土柱承载能力影响。结果表明:在经历冻融循环后,混凝土柱极限承载力大幅降低,极限位移略有提高;3层加固使0,25,50,75次冻融循环混凝土柱的极限承载力提升20%、16%、22%、37%,还使极限位移大幅增加;由试验现象和数据分析发现,应于端部施加额外加固,以获取更好的加固效果;采用ABAQUS并选取合适材料本构模型,参照试验建立12种有限元模型,模拟结果同试验结果吻合较好;考虑FRP约束棱柱体有效约束面积划分后,代入BFRP约束混凝土柱极限应力公式和冻融损坏混凝土单轴受压应力本构关系,建立了适用BFRP约束冻融损伤混凝土短柱极限承载力公式。

纤维缠绕塑料内胆表面处理装置的设计与分析

田会方, 刘娇, 吴迎峰

2024, 0(2): 96-101. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240228.014

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为提高目前塑料内胆的表面处理质量以及处理时间,节约时间和人工成本,本文针对纤维缠绕塑料内胆的表面处理设计了一套自动化的处理装置。它主要可以实现塑料内胆的自动夹持夹紧定位以及塑料内胆表面处理等功能。文中主要介绍了所设计的夹持传动装置以及等离子表面处理装置等相关结构,并在SolidWorks软件中对此套装置进行了总体设计与装配,在Workbench中对部分零部件进行了强度校核,分析Workbench中的相关结果。结果显示,该装置达到了相关力学要求且能够平稳传动,满足设计要求。

复合材料折纸管吸能特性多目标优化设计

周政言, 李响, 朱璐, 孙烨培

2024, 0(2): 102-108. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240228.015

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薄壁结构被广泛用于吸能装置中,传统直管碳纤维树脂基增强复合材料(CFRP)薄壁结构在受到压溃时总是表现出峰值力过高以及力-位移曲线波动较大的问题,然而吸能装置必须保证渐进和受控的能量吸收,避免可能过大的峰值力,因此CFRP薄壁管结构作为吸能装置还需进一步改进设计。与传统直管结构相比,CFRP折纸管由于其独特的结构形式有更好的吸能特性。通过数值模拟研究了折纸管在轴向载荷作用下的能量吸收特性,得到了管件吸能特性指标与其几何参数之间的非线性映射关系。建立起考虑最大化总吸能和最小化峰值力的多目标结构优化设计模型,采用NSGA-Ⅱ遗传算法求解并对结果进行了分析。优化设计后的折纸管在保持质量不变的情况下,总吸能增加了144.9%,峰值力下降了46.5%,相比初始结构得到了明显提高。

热固性碳纤维预浸料单/双隔膜预成型对比及数值模拟

赵月青, 林德志, 陈萍, 汤家力

2024, 0(2): 109-118. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240228.016

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热隔膜成型工艺是一种快速成型预成型体的方法。为了对比单/双隔膜预成型工艺预成型体质量的差异,利用热隔膜成型装置成型具有双曲特征的C形预成型体,通过观察试验件褶皱产生的大小和位置评估成型温度、铺层顺序、铺层数、预成型体尺寸和成型工艺对预浸料成型质量的影响,同时建立了热隔膜成型仿真模型,并对仿真结果与试验结果进行对比。研究表明:铺层顺序对褶皱的产生有很大的影响,减少[45°/0°]铺层组合可以有效地减少褶皱产生,0°铺层在受压时容易诱导褶皱产生;预成型体越厚越容易产生成型缺陷;对于C形预成型体,采用双隔膜成型比单隔膜成型具有更好的成型质量,尤其对缘条位置褶皱的产生具有显著的抑制作用;基于ABAQUS建立的热隔膜成型仿真模型能较为准确地预测褶皱。

CFRP在汽车轻量化与安全中的应用进展

韩善灵, 王涛, 光新杰, 李志勇, 李勇

2024, 0(2): 119-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240228.017

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碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)具有比强度高、吸能性好等优点,在汽车结构安全及轻量化中的应用优势明显,前景广阔。本文综述了CFRP在汽车轻量化及安全性中应用的研究进展,从汽车车身、底盘以及配件等方面阐述了CFRP在汽车轻量化的应用,从安全性的角度分析了CFRP在汽车安全部件的优势,指出了制约CFRP应用的结构设计理论及异质连接工艺等难点,并展望了未来CFRP在汽车领域的应用前景。旨在拓展CFRP在汽车轻量化与安全中的应用范围,为其在汽车工业发展及轻量化中的广泛应用提供参考。

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