复合材料科学与工程

王文乾, 冯宇, 李哲, 刘宋婧, 安涛, 王逸韬, 李元凯

2024, 0(7): 5-15. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.001

摘要 ( 122 )

PDF (19385KB) ( 101 )

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基于碳纤维复合材料激光辐照理论,应用有限元方法,开展了碳纤维复合材料激光辐照温度场仿真分析。首先,研究了碳纤维复合材料激光辐照温度场分布规律,建立了不同位置线上的温度场表征方程,定量分析了辐照表面温度变化规律,并通过文献数据验证了有限元模型的有效性。然后,基于该模型,探究了复合材料板材不同铺层方向、不同光斑直径和不同激光功率下的温度场变化规律。结果表明:在不同铺层方向下,热影响区为椭圆形,[0]₁₆和[0/90]_4S板材的长轴方向为碳纤维0°铺层方向,而[45/90/-45/0]_2S板材的长轴方向为碳纤维45°铺层方向,且三者最高温度均约为1 830 ℃;当光斑直径分别为6 mm、10 mm和14 mm时,热影响区面积逐步增大,而中心最高温度逐步降低,整个过程中最高温度分别为3 347 ℃、2 401 ℃和1 838 ℃;在200 W、400 W和600 W激光功率下,板材中心温度随激光功率增大而增大,中心点最高温度分别为1 750 ℃、2 401 ℃和2 789 ℃。

基于半解析法的功能梯度悬臂梁力学行为研究

张龙, 刘秉斌, 范钧滔

2024, 0(7): 16-22. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.002

摘要 ( 48 )

PDF (5983KB) ( 54 )

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功能梯度材料(Functionally Graded Material,FGM)物理性能优良,具有重要的应用价值,近些年来受到了越来越多的关注。本文发展了一种可用于功能梯度悬臂梁受力分析的半解析方法,该方法具有与解析法同等的计算精度,并且可用于材料性能梯度分布复杂情况下的悬臂梁结构受力分析。将该方法用于材料性能按线性梯度分布、指数梯度分布、复杂经验公式梯度分布的功能梯度悬臂梁受力分析,并与解析法、梯度有限元法、分层有限元法的计算结果进行了对比验证。研究结果表明,当高度和长度方向的积分点数分别为11个和21个时,半解析法和梯度有限元法计算的弯曲应力分布结果与解析解基本一致,分层有限元法计算的弯曲应力分布结果与解析解相差较大,相对误差大于10%。而对于挠度值分析,半解析法、梯度有限元法、分层有限元法的计算结果均与解析解非常接近,最大相对误差不超过1.0%。

一种考虑应变率的复合材料动态压缩响应预测模型

文劲钧, 屈美娇, 沈永鳌, 李孟奇, 宋雨恒, 朱瀚锐

2024, 0(7): 23-30. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.003

摘要 ( 51 )

PDF (8922KB) ( 28 )

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本文提出一种考虑应变率效应的复合材料动态压缩响应预测模型,该模型基于人工神经网络,根据材料的弹性模量等属性参数即可预测其不同应变率下的动态压缩响应。建立了T300/QY8911预浸料制备的碳纤维增强复合材料高应变率压缩响应预测模型,预测了该材料应变率为517 s^-1、721 s^-1和1 070 s^-1时的动态压缩响应,并开展试验,对预测结果进行了验证。结果表明,预测结果与试验结果吻合度较高,应力最大误差仅为-1.585 6%,应变最大误差仅为1.703 7%。

功能化PVC/PET柔性复合材料的性能研究

郭毅川, 姜育阳, 沈春晖, 高山俊, 卢豪, 姜颖

2024, 0(7): 31-38. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.004

摘要 ( 58 )

PDF (3067KB) ( 81 )

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本研究采用聚氯乙烯(PVC)和聚酯纤维(PET)作为原料,通过热压贴合工艺制得了PVC/PET柔性复合材料。在PVC涂层膜中添加不同的阻燃剂和抗紫外剂,发现氧化锑-硼酸锌协同作用的阻燃体系表现出良好的阻燃效果,当添加5 phr时,可将涂层布的极限氧指数提高至28.7%。此外,该阻燃体系还具有抑制烟雾生成的效果,使烟密度降低了35.2%。在抗紫外方面,抗紫外剂UV-531的效果与UV-234效果相当,但在抗热迁出方面表现更加优异,因此选择UV-531作为PVC/PET柔性复合材料的抗紫外剂。在涂层膜和基布复合时,添加3.0 g/m²的胶黏剂可将材料的剥离强度提高至28.89 N/5 cm,同时不影响其他性能,从而延长PVC/PET柔性复合材料的使用寿命。

注射成型制备的碳纤维聚丙烯复合材料蠕变性能

高佳艺, 杨扬, 阳玉球

2024, 0(7): 39-44. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.005

摘要 ( 45 )

PDF (2737KB) ( 34 )

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碳纤维热塑性树脂基复合材料在极端环境及长期服役条件下的蠕变行为会使结构件的形状发生改变,影响其性能稳定性,因此对该种材料蠕变性能的研究是材料设计及应用的关键。本文通过对注射成型制备的碳纤维增强聚丙烯复合材料进行单轴拉伸蠕变试验,研究其蠕变行为,并基于以上试验数据得到该种材料的Burgers模型理论方程,采用Moldex3D模流分析软件模拟注射成型哑铃型试样内部碳纤维的取向和分布情况,将该模拟结果映射到ABAQUS中进行有限元分析。结果发现Burgers模型的拟合曲线与试验曲线吻合程度较高,能够用于更长时间以及更广范围应力水平下该种材料的蠕变行为预测;模流分析结果与实际试样横截面观察结果具有较好的一致性;注射成型过程中碳纤维取向及分布会影响最终成型试样的蠕变行为,采用模流分析与有限元分析相结合的方式能够更好地反映材料的蠕变进程。

基于碳纳米管膜的树脂基复合材料电加热除冰技术

叶璐, 张代军, 李军, 栗付平, 陈祥宝

2024, 0(7): 45-52. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.006

摘要 ( 40 )

PDF (10760KB) ( 22 )

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本文开展了碳纳米管膜应用于树脂基复合材料电热除冰技术的研究,采用一体化成型工艺制备了碳纳米管膜/复合材料,并对其结构进行优化,考察了碳纳米管膜/复合材料的电热性能和除冰性能。研究结果表明,所得碳纳米管膜/复合材料内部质量良好,电加热性能优异,与金属电热元件相比,其除冰效率高,除冰能耗低。

基于角钢连接的GFRP梁柱T形节点性能研究

顾靖, 宗钟凌, 谢青海, 李珂珂, 李猛

2024, 0(7): 53-61. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.007

摘要 ( 35 )

PDF (8783KB) ( 45 )

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采用设置上下角钢的连接形式,设计了不同类型的GFRP梁柱T形节点,通过对八个节点构件进行单调加载试验,并结合有限元分析,研究了角钢类型、螺栓排距、螺栓端距以及螺栓排数对GFRP梁柱T形节点承载力及变形性能的影响。研究结果表明:与未设置加劲肋相比,增加加劲肋可显著减小角钢转角处的变形,设置三角形加劲肋提高了GFRP梁柱T形节点的承载能力和转动刚度;节点的极限承载力随螺栓排距的增大而提高,随螺栓端距的增大而降低,随螺栓排数的增加先提高后降低;转动刚度则随排距和端距的增加呈现先增大后降低的趋势。在本文分析的参数范围内,GFRP梁柱T形节点采用设置两排螺栓的角钢连接可获得较优的力学性能,同时排距为45~50 mm,端距为55 mm较为合理。

碳纤维及碳纤维布混凝土抗冻性及能量耗散试验研究

杨晓, 葛亚琼, 金家胜

2024, 0(7): 62-69. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.008

摘要 ( 36 )

PDF (6874KB) ( 8 )

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为探究碳纤维增强方式对混凝土材料抗冻性能及能量耗散影响规律,利用纵波波速仪以及电液伺服压力机获取冻融循环作用(0,25,50,75,100次)后四种混凝土(素混凝土、碳纤维混凝土、碳纤维布混凝土、碳纤维及碳纤维布混凝土)的纵波波速及力学性能,分析碳纤维增强方式、冻融循环次数对试件相对动弹性模量、峰值应力、能量耗散及损伤度影响规律。结果表明:①相较于冻融循环0次素混凝土,冻融循环25,50,75,100次试件相对动弹性模量降幅分别为8.21%、18.33%、30.44%、45.89%,冻融循环次数的增加使试件相对动弹性模量降低,碳纤维及碳纤维布均能减缓试件相对动弹性模量降幅;②冻融循环次数的增加使四种不同混凝土试件峰值应力均呈降低趋势,碳纤维及碳纤维布不仅能够增强试件强度,还能够增强其抗冻性,且两者组合时对试件的提升效果最佳;③相较于未冻融试件,冻融循环25,50,75,100次时弹性变形能降幅分别为3.87%、7.63%、9.67%、12.70%,耗散能降幅分别为10.42%、21.97%、30.16%、41.60%,冻融作用会使试件内部产生损伤,降低试件储能、耗能效果;④三种碳纤维混凝土在达到峰值应力时对应机械损伤度值显著高于素混凝土对应机械损伤度值,碳纤维的增强作用能够有效提升混凝土材料吸能效果、延展性及抗冻性。

双曲形复合材料构件成型精度修正技术研究

刘宝明, 罗晨, 王小凯, 韩志仁

2024, 0(7): 70-73. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.009

摘要 ( 29 )

PDF (6494KB) ( 7 )

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双曲形复合材料构件固化变形是影响零件质量和几何精度的关键问题之一,为了提高双曲形复合材料构件成型几何精度,本文提出了一种基于试验数据的变形修正方法,详细阐述了试验数据获取、去噪和数据对齐以及基于多截面的试验数据搜索法和镜像法等关键问题;并基于CATIA/CAA二次开发技术开发了修正模块,该模块能够对双曲形复合材料构件的固化变形进行有效补偿。以某机上双曲形零件为例进行试验验证,经过该模块修正后,零件的制造误差显著减小,证明了该方法的有效性和可行性。本研究结果对于提高双曲形复合材料构件的制造精度和性能具有重要意义。

HB-FRP加固钢筋混凝土梁抗弯试验及数值模拟

李岩, 魏琦安, 石南, 高磊, 王佳斌, 黄悦

2024, 0(7): 74-85. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.010

摘要 ( 28 )

PDF (7566KB) ( 22 )

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为研究混合粘贴FRP(HB-FRP)加固混凝土(RC)梁的抗弯性能,对八片HB-FRP加固梁进行三点弯曲试验,研究了螺栓扭矩、扣件间距、锚固分布模式以及FRP板黏结方式对试件的破坏模式、荷载-挠度曲线以及FRP应变分布的影响规律。基于有限元软件ABAQUS建立HB-FRP加固RC梁的精细有限元模型,通过试验结果验证模型并开展参数分析。结果表明:与未加固梁相比,HB-FRP加固梁的极限荷载提高了71%~156%,极限荷载和FRP利用率随螺栓扭矩的增加而提高,随着扣件间距的增加而降低;通过消除扣件与FRP板之间的黏结,试件均发生了FRP板剥离破坏;跨中集中和端部集中锚固的加固效果不稳定,易提前发生破坏;建立的HB-FRP加固RC梁计算模型精度良好,可用于抗弯性能的模拟计算;扣件宽度和碳板宽度的增加提高了HB-FRP加固梁的极限荷载;螺栓扭矩和扣件宽度过高会导致受压区混凝土提前破坏;FRP的利用率随着FRP宽度增加而减小。

两种厚度的层合板单搭接胶接接头的静力与疲劳性能研究

张茹, 陈向明, 李新祥, 袁菲, 程立平

2024, 0(7): 86-92. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.011

摘要 ( 42 )

PDF (6324KB) ( 55 )

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针对两种厚度的复合材料单搭接胶接接头开展了静力与疲劳试验研究和静力数值分析。用虚拟裂纹闭合技术模拟搭接胶接界面,研究单搭接试件在轴向拉伸载荷作用下的裂纹起始和扩展原理。结果显示:损伤起始时刻,G_Ⅲ远远小于G_Ⅰ,G_Ⅱ;G_Ⅰ随着裂纹长度的增加而减小,G_Ⅱ随裂纹长度的增加而增大;界面损伤起始主要受面外剥离力的影响,裂纹扩展主要受滑移剪切力的作用。设计两种厚度的复合材料单搭接胶接接头的疲劳试验,得到了不同疲劳载荷下试件的疲劳寿命,并给出相应裂尖G_Ⅰ/G_ⅠC,G_Ⅱ/G_ⅡC的值;绘制N-G_Ⅰ/G_ⅠC,G_Ⅱ/G_ⅡC曲线发现,寿命随G_Ⅰ/G_ⅠC增加的递减幅度远远大于随G_Ⅱ/G_ⅡC变化的幅度;对比试件胶接界面破坏形式发现,与粘接层较薄试验件相比,粘接层较厚的试验件界面破坏形式较平滑,且胶层破坏面积所占比例较高;随着疲劳载荷值的增加,搭接区域胶层破坏面积所占比例减小,被粘接的复合材料纤维层撕裂面积增加。

基于DNV规范的玻璃纤维复合材料软管保护结构强度仿真研究

高爽, 李想, 文子彦, 刘晓彬, 初星澎

2024, 0(7): 93-99. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.012

摘要 ( 37 )

PDF (12901KB) ( 26 )

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玻璃纤维复合材料因具有质轻高强、耐腐蚀的材料特点,在过去二十年里,被海外油田公司广泛应用于水下油气生产设施的防护,并取得成熟的工程应用。本文针对国产玻璃纤维复合材料软管保护罩,结合保护罩在水下的功能,应用有限元ANSYS软件建立国产玻璃纤维复合材料软管保护罩的三维模型,从沙坡堆积、渔网拖挂和落物冲击三方面分析保护罩的强度,并依据DNV规范进行安全评定。仿真分析与试验对比分析表明,该保护罩强度满足规范要求,与试验结论吻合,可为今后的国产玻璃纤维复合材料水下防护结构设计提供参考。

碳纤维气流展纤工艺研究及均匀性分析

谭晶, 万凯, 吴雪松, 丁奇胜, 杨卫民

2024, 0(7): 100-104. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.013

摘要 ( 39 )

PDF (5233KB) ( 41 )

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为研究碳纤维在气流作用下的展纤过程,研制了一套气流展纤装置。通过多因素正交实验研究了气流流速、支撑辊跨距和纤维悬垂量对展纤宽度的影响,并对实验结果进行了分析。采取MATLAB数字图像处理技术,对展纤后的碳纤维图像进行了缩小、灰度化和增强等预处理,引入了变异系数与概率分布,对碳纤维横、纵向分布均匀性进行表征。结果表明:气流展纤宽度与纤维悬垂量在一定范围内呈线性正相关,选取最优工艺参数,即气流流速为4 m/s,支撑辊跨距为140 mm,有着较好的展纤效果;采用数字图像分析法能够较好地表征碳纤维气流展纤均匀性,并与实验结果相一致,具有较好的工业应用前景。

双辊铸轧工艺制备连续碳纤维增强铝基复合材料的研究

牟维鹏, 朱保顺, 魏娜娜, 丰铭, 林金保

2024, 0(7): 105-115. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.014

摘要 ( 33 )

PDF (8377KB) ( 12 )

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连续碳纤维增强铝基(CCF/Al)复合材料具有高比强度、低密度、良好的传热性以及低热膨胀系数等诸多优良的特性,在航空材料、汽车制造、电子设备和工业生产等领域均具有广阔的应用前景。对连续碳纤维表面涂层的制备方法进行了讨论,并总结了近年来CCF/Al复合材料的主要制备工艺、重要研究成果以及存在的问题;重点阐述了采用双辊铸轧工艺制备CCF/Al复合材料的研究结果,具体包括搭建的实验设备、改性后碳纤维的性能、所制备复合材料的组织结构及强化机理;讨论了该工艺目前存在的主要问题,并对其发展前景进行了展望。

大型风电叶片拉挤复合材料研究进展

卫立江, 邱锐磊, 王乾武, 谢博武, 李铭志, 冯威

2024, 0(7): 116-121. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.015

摘要 ( 58 )

PDF (2798KB) ( 47 )

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随着风电叶片的大型化,对复合材料性能的要求越来越高。近年来,拉挤复合材料在风电叶片上成功应用,这是风电叶片制造工艺几十年发展历程的一个新的里程碑。拉挤复合材料具有更高的力学性能与生产效率及更低的制造成本,在制造风电叶片主承力梁帽时,拉挤工艺几乎完全取代了使用了20多年的真空灌注工艺。为了梳理风电领域拉挤复合材料的研究进展,本文从拉挤板用原材料、拉挤板力学性能、拉挤板缺陷检测技术以及拉挤板梁帽灌注工艺方面综述了风电领域拉挤复合材料的专利申请与研究进展,旨在为复合材料与叶片领域后续研究提供参考。

碳纤维复合材料刚性界面相和刚柔界面相构筑研究进展

李宝来, 甄梓廷, 步同安, 杨家乐

2024, 0(7): 122-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.016

摘要 ( 59 )

PDF (5485KB) ( 67 )

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碳纤维树脂基复合材料(CFRP)具有轻质、高强、高模量等优异性能,在航空航天领域有广阔的应用前景。界面作为连接树脂基体和碳纤维(CF)增强体的桥梁,是影响复合材料力学性能的重要因素。针对碳纤维与树脂的模量差异过大的问题,提高界面相的模量使两者的模量平稳过渡,提高应力传递效率,是改善界面性能的有效策略。本文主要综述了近年来刚性界面相、刚柔界面相的构筑方法及其对复合材料增强效果的研究进展,并对碳纤维树脂基复合材料界面相存在的问题进行了讨论,对今后界面增强的研究方向进行了展望。

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