复合材料科学与工程

王晓明, 王晓波, 程亚男, 张晨, 权震震, 张辉, 刘勇, 孙厚礼, 俞建勇

2024, 0(8): 5-10. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.001

摘要 ( 64 )

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混杂是提高复合材料力学性能的一种有效途径。本文通过对三维编织预制件纱线运动路径进行研究,提出了层内混杂和层间混杂三维编织复合材料的设计与制备方法。根据上述研究,制备了层内混杂三维编织复合材料,采用树脂共固化法制备了两层和四层层间混杂三维编织复合材料,并对三种混杂三维编织复合材料进行了低速冲击性能测试。结果表明,混杂方式是影响三维编织复合材料冲击性能的重要因素,在面内冲击和轴向冲击下,冲击性能由强至弱排序为层间混杂(4层)三维编织复合材料>层间混杂(2层)三维编织复合材料>层内混杂三维编织复合材料。本文的研究结果可为三维编织复合材料的性能优化提供一种有效可行的方式。

适用于RTM工艺的环氧改性苯并噁嗪树脂的性能研究

李嘉敏, 谭丽娜, 蒋函蔚, 范如意, 冉起超

2024, 0(8): 11-16. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.002

摘要 ( 29 )

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复合材料行业的发展需要开发具有良好工艺特性和高耐湿热性的RTM专用树脂基体。本文使用E6110、AFG90、AG80三种高耐热环氧树脂,分别对二胺型苯并噁嗪(DC-BOZ)进行共混改性,对比研究了共混树脂体系的黏度特性、凝胶化反应、固化行为、聚合反应及固化物的耐热性、耐湿热性和热稳定性。结果表明,环氧树脂的加入降低了苯并噁嗪的黏度,延长了适用期,其中,DC/E6110在100 ℃下10 h后的黏度仅为333 mPa·s,满足RTM工艺要求。环氧树脂的加入会影响体系的凝胶化时间,使固化峰值温度略有增加。环氧树脂可以与苯并噁嗪发生共聚交联反应,从而增加共聚体系的交联密度,致使改性树脂体系的耐热性、耐湿热性和热稳定性均明显增加。其中,DC/E6110的玻璃化转变温度(T_g)提升至209 ℃,相较改性前增加了44 ℃。此外,各体系的湿态T_g相比干态T_g均出现不同程度的降低,但DC/E6110的湿态T_g仍能达到189 ℃。本文开发的低黏度、耐湿热树脂基体可用于RTM工艺制备大型复合材料制件。

阻燃微胶囊改性玻璃纤维增强聚合物基复合材料阻燃性能与冲击性能研究

凌徐杰, 陈殷红, 陆亦洲, 方园

2024, 0(8): 17-23. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.003

摘要 ( 28 )

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为了提高玻璃纤维增强聚合物基复合材料(GFRP)的阻燃性能,采用由微流控技术制备的FR-PN@ETPTA阻燃微胶囊改性环氧树脂基GFRP。采用垂直燃烧试验、锥形量热试验和落锤试验,研究阻燃微胶囊FR-PN@ETPTA对GFRP阻燃性能、燃烧性能和抗冲击性能的影响。试验结果表明:阻燃微胶囊FR-PN@ETPTA能明显提高GFRP的阻燃性能,相比FR-PN阻燃剂,添加阻燃微胶囊FR-PN@ETPTA的GFRP表现出更好的燃烧行为,当添加量为10wt%时,阻燃效果最佳;阻燃微胶囊FR-PN@ETPTA的加入能有效降低阻燃剂对GFRP抗冲击性能的负面影响,添加了10wt%阻燃微胶囊FR-PN@ETPTA的GFRP抗冲击性能最佳。

含钨粉体改性三维间隔连体织物复合材料γ射线屏蔽性能研究

刘雨舜, 魏筱霖, 刘奔奔, 顾轶卓

2024, 0(8): 24-31. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.004

摘要 ( 21 )

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核能会产生电离辐射,如X,γ射线,需采用屏蔽材料进行防护。传统的X射线和γ射线屏蔽材料存在重量大、易腐蚀、有毒和结构力学性能低等缺点,因此研制质轻、辐射性能优异、结构/功能一体化的新型复合材料是辐射防护技术发展的重要方向。根据各类含钨粉体的质量衰减系数理论计算值及密度,优选了氧化钨作为γ射线屏蔽填料,采用含钨粉体改性环氧树脂,并与玻璃纤维三维间隔连体织物复合形成具有夹层结构的纤维增强复合材料。考察了不同含量氧化钨对复合材料屏蔽⁶⁰Co和¹³⁷Cs γ射线的能力及平压性能的影响。实验结果表明:氧化钨粉对复合材料的辐射屏蔽性能有显著的提升,提升程度与理论计算值相近;相同屏蔽率下,复合材料重量明显低于铁的重量;此外氧化钨也提高了连体织物复合材料的平压强度和平压模量。

基于上浆处理的碳纤维/聚丙烯纤维毡复合材料的制备及性能研究

毛敬侨, 胡怡玲, 庞优, 阳玉球

2024, 0(8): 32-38. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.005

摘要 ( 23 )

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碳纤维/热塑性树脂基复合材料因其综合性能好、耐变形、可循环利用等优异性能在复合材料领域拥有良好前景,界面作为两相的过渡区域,起到应力传递作用,对复合材料的力学性能有重要影响。通常采用上浆剂使碳纤维表面改性,从而提高界面结合能力。本文针对一种碳纤维/聚丙烯混合毡进行上浆,采用模压成型制备复合材料。通过透气性、透光性测试分析了上浆均匀性和对混合毡结构的效果,通过拉伸、弯曲及冲击试验研究了上浆对复合材料力学性能的影响效果,并分析了上浆剂的作用机理。结果表明,上浆后,复合材料的拉伸强度提高了22.52%,弯曲强度提高了7.57%,冲击强度提高了39.07%。

复合材料风力机叶片参数化设计及优化

金想想, 马远卓, 赵振宙, 许波峰, 李洪双

2024, 0(8): 39-44. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.006

摘要 ( 31 )

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风力机叶片重量过大不仅会影响叶片的结构性能,还会增加运输、维修等成本。为解决叶片质量问题,本文选取经典的1.5 MW复合材料风力机叶片,叶片主梁、腹板、前缘和后缘分区铺设不同的复合材料。由于复合材料的铺设厚度从叶根向叶尖呈现递减趋势,且失效位置也多位于叶根处,故取距离叶根约1/3部分为研究对象来简化问题。为便于后期优化,采用ANSYS APDL参数化构建复合材料风力机叶片模型。考虑到陷入局部最优的情况,选择子集模拟优化方法进行随机优化。设计变量为腹板位置,约束函数为极限载荷下叶片满足位移及Tsai-Wu准则校核,目标为叶片重量最小。通过30组子集模拟优化统计结果可知:当腹板位置约在29.4%、53.3%弦长处时,相较于确定性设计,叶片减重约15.4%。最终结果表明,该优化方法在风力机叶片结构优化方面具有可行性,且优化结果对工程设计具有参考价值。

碳纤维增强聚芳醚酮热塑性复合材料电阻焊接工艺研究

叶璐, 张代军, 李军, 栗付平, 陈祥宝

2024, 0(8): 45-52. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.007

摘要 ( 22 )

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本文研究了以不锈钢金属网为电阻加热元件的热塑性复合材料电阻焊接技术,考察了电阻焊接工艺参数如绝缘膜材质和规格、焊接功率、焊接时间、焊接压力等对焊接质量的影响,揭示了各参数之间的多重关联制约关系。通过工艺优化,解决了焊接过程中的边缘效应和电流泄漏等问题,实现了180 mm长焊缝的高质量焊接。研究结果表明,当绝缘层为0.1 mm厚的PEI膜,焊接压力为2.0 MPa时,焊接试样的单搭接剪切强度达到40.5 MPa,高于材料本征值。

纤维增强复合材料螺栓连接结构参数化有限元建模方法

王浩达, 朱福先, 胡可军, 徐先宜

2024, 0(8): 53-61. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.008

摘要 ( 31 )

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有限元建模方法是纤维增强复合材料螺栓连接结构强度分析的有效手段,为提高有限元建模效率,基于ABAQUS分析平台,对纤维增强复合材料螺栓连接结构参数化有限元建模方法进行了研究。根据纤维增强复合材料螺栓连接结构特征和强度分析的需求,采用GUI插件开发了专用的GUI图形参数输入界面,采用Python语言编写了连接结构有限元建模内核脚本程序,采用Fortran语言编写了损伤失效判定准则和刚度退化方法的用户子程序,搭建了纤维增强复合材料螺栓连接结构参数化有限元建模与强度分析平台。以碳/玻混杂复合材料三钉连接结构和T800碳纤维复合材料十钉连接结构为算例,模拟分析了连接结构的破坏载荷和破坏模式,并与试验结果进行了比较,破坏载荷误差在3%左右,破坏模式一致。研究结果表明,该参数化有限元建模与分析平台可实现各类纤维增强复合材料螺栓连接结构的快速自动建模,分析结果准确可靠,为纤维增强复合材料螺栓连接结构快速强度分析和工程优化设计提供了有效途径。

基于分段线性均值修正的风电叶片疲劳寿命计算方法

谢利来, 胡聪良, 董敏, 杨晓辉, 刘鹏辉

2024, 0(8): 62-69. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.009

摘要 ( 28 )

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随着风电机组的大型化,疲劳强度设计成为大型风电叶片设计中的最为关键因素之一。目前风电叶片疲劳寿命的计算方法主要采用传统的简化算法,该方法存在诸多的简化与假设,并不能很好地预测风电叶片实际的疲劳损伤,所以需要一种更为合理的疲劳寿命计算方式。本文根据IEC 61400-5中提出的分段线性均值修正的方法,基于Goodman线性均值修正理论,结合多条已知的疲劳S-N曲线,提出了一种适合大型风电叶片疲劳寿命的计算方法。以目前应用较为广泛的玻纤拉挤板作为分析对象,对比分析了线性均值修正与分段线性均值修正两种方法的差异,最后通过对风电叶片实际疲劳试验损伤的分析以及大型风电叶片主梁疲劳强度的分析,得出如下结论:①玻纤拉挤板的疲劳性能并不是线性变化,基于单一S-N曲线的线性预测结果与测试结果存在较大误差,玻纤拉挤板更适合采用基于多条S-N曲线的分段线性CLD模型来描述其疲劳性能的变化,且分段线性均值修正疲劳寿命计算方法能更好地预测试验叶片实际疲劳损伤;②叶片设计中更应该关注PS侧主梁的疲劳强度,建议采用基于多条疲劳S-N曲线的分段线性均值修正疲劳寿命计算方法对大型风电叶片的疲劳强度进行计算,提高叶片疲劳设计的可靠性。

基于CLD的风电叶片挥舞疲劳试验寿命预测方法

冯学斌, 王博文, 张文伟, 邓航, 刘鹏辉

2024, 0(8): 70-74. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.010

摘要 ( 23 )

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随着风电叶片长度的不断增加,挥舞疲劳测试时叶片自重和夹具重量对叶片产生的影响已无法忽略。本文以株洲时代新材料科技股份有限公司某90 m级叶片挥舞疲劳试验主梁失效为研究对象,测试了主梁拉挤板在不同应力比情况下的疲劳S-N曲线,基于Goodman等寿命图提出一种新的复合材料疲劳寿命预测方法。通过考虑平均应力对主梁疲劳寿命的影响,文章对比分析理论试验预测损伤及疲劳试验实际损伤,得出两个重要结论:①现有不考虑叶片自重的挥舞疲劳试验载荷等效方法已不能反映叶片的实际受载情况;②本文提出的考虑均值的Goodman疲劳寿命计算方法能够较准确地预测叶片的疲劳试验寿命。

民机中央翼桁架肋结构布置优化设计

李明, 樊维超, 孙乾, 杨东锦, 居相文, 方亚宁, 吴举

2024, 0(8): 75-83. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.011

摘要 ( 26 )

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在民用飞机中央翼的轻量化设计过程中,可以采用桁架肋代替传统的腹板肋,但目前中央翼桁架肋结构的研究缺乏定量分析,如何合理地布置桁架肋内部的连杆结构已经成为重要的工程问题。为获得最优结构效率的桁架肋构型,本文提出了十种相同直径的桁架肋连杆结构布置构型,运用HyperSizer建立优化模型,以结构质量最小为优化目标,以桁架肋连杆数量与连杆连接方式为设计变量,通过不同构型方案的内力分布和结构效率对比研究获得桁架肋的影响规律。结果表明:当桁架肋连杆数量低于九根时,桁架肋重量与壁板重量趋近于收敛,减重可达16.1%;当桁架肋与前梁腹板采用连接方案时,桁架肋可分担前梁腹板所承受的载荷,降低了前梁重量,并提高了中央翼的整体结构效率。

基于PSO-RF的FRP筋与混凝土间黏结强度预测模型

易晓园

2024, 0(8): 84-90. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.012

摘要 ( 22 )

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与钢筋相比,FRP筋具有抗疲劳、低磁性和耐腐蚀等优势,在不利工程环境中的应用越来越普遍。然而,现有FRP筋与混凝土间黏结性能预测模型的适用范围较小,预测精度较低。为此,本文收集了170组铰接梁试验数据,并在此基础上利用粒子群算法优化随机森林算法(PSO-RF)建立了FRP筋与混凝土间的黏结强度模型。将PSO-RF模型与RF模型和五个现有模型进行对比,各模型的预测结果通过决定系数R²和平均绝对值误差MAE等统计指标进行评价。PSO-RF模型的R²和MAE值分别为0.939 6和1.014 3,可以为FRP筋在混凝土中的应用提供有价值的参考。与现有模型相比,PSO-RF模型的R²和MAE值分别提高了141.9%和81.3%,预测性能提升明显。模型的参数重要性分析结果表明,黏结长度和混凝土抗压强度对模型的预测结果影响较大,重要性系数分别为22.35%和18.3%。

一种超近程无人机热膨胀成型工艺研究及性能验证

陈铃飞, 王宣博, 刘其琛, 邵振宇, 王子龙, 张浩

2024, 0(8): 91-96. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.013

摘要 ( 21 )

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对一种超近程无人机进行了结构设计和整体成型工艺研究,采用芳纶纤维预浸料作为无人机部件的外蒙皮原材料,玻璃纤维预浸料作为无人机部件内部承力梁结构原材料,自膨胀聚氨酯泡沫芯体作为无人机部件的夹芯材料以及内胀成型时的加压材料,成功制备了机身、机翼、垂尾、平尾等部件,验证了无人机部件整体成型工艺的可行性。对无人机部件进行了静力试验,结果显示无人机结构设计合理,满足强度设计要求。

车载Ⅳ型高压储氢气瓶内衬损伤与爆破失效研究综述

张宜凯, 冯家稷, 谷俊峰, 孙秀洁, 阮诗伦

2024, 0(8): 97-109. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.014

摘要 ( 23 )

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高压储氢气瓶是氢燃料电池汽车的关键设备,储氢瓶的应用推广将是氢能汽车商业化发展的重要突破口,Ⅳ型储氢瓶被认为是氢燃料电池乘用车最有潜力的储能装备之一。本文综述了Ⅳ型储氢瓶内衬损伤和爆破失效的最新研究成果,依据时间顺序总结了常用的失效准则,对失效机理和引起失效的因素进行了较为详细的分析。同时,比较了Ⅳ型储氢瓶的不同损伤模型,讨论了现有Ⅳ型储氢瓶失效研究的不足并展望了未来的发展方向,助力Ⅳ型储氢瓶质量评价体系的建立。

环氧树脂复合材料残余应力检测技术研究进展

荣亚鹏, 陈允, 王亚祥, 李天辉, 陈荣, 李进

2024, 0(8): 110-118. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.015

摘要 ( 28 )

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环氧树脂复合材料被广泛应用于电工装备核心构件制造,但成型过程增强材料和树脂基体的热学、力学参数不匹配会导致内部存在较大残余应力,对构件机械性能和使用寿命产生直接影响,因此准确有效的残余应力检测表征手段对于优化构件成型工艺和提高电工装备可靠性具有重要意义。本文首先介绍了增强型环氧树脂复合材料残余应力的形成机理,综述了基于曲率测量法、去层法、柔度法、钻孔法、光弹性法、X射线衍射法、拉曼光谱法、光纤法和声弹性法几种残余应力检测方法的原理及其适用范围,讨论了残余应力影响环氧树脂构件机械性能的研究进展,最后对环氧树脂复合材料残余应力检测方法进行了展望。本文相关总结有助于掌握构件残余应力分布规律并为成型工艺优化提供参考。

风电机组叶片覆冰预测和防覆冰技术综述

张莹博, 单光华, 王飞, 马海鹏, 刘瑞卿, 陈辉

2024, 0(8): 119-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.016

摘要 ( 36 )

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风电机组运行在低温、潮湿环境下,叶片极易发生覆冰现象,严重影响机组的安全性、可靠性和发电效益。本文基于航空器防覆冰相关技术的研究,从叶片覆冰检测和监测技术出发,阐述了防覆冰涂层和低粘接力涂层等被动除冰技术以及液流融冰、机械除冰、电热除冰和气热除冰等主动除冰技术。通过对不同除冰技术的分析对比得出结论,电热除冰和气热除冰将成为主要的研究和应用方向。建议在投资新项目建设时,将覆冰折减率纳入投资收益率的影响因素,并采购出厂配置除冰系统的考虑覆冰折减的风电场建设机组。

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