复合材料科学与工程

陈峰, 周叮, 刘朵, 张建东

2017, 0(5): 5-10.

摘要 ( 107 )

PDF (5011KB) ( 137 )

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采用弹性力学方法分析预张拉CFRP加固简支梁的动力特性,研究各参数对加固梁自由振动特性的影响。首先将简支梁和CFRP沿界面分开,基于二维弹性力学理论对梁进行动力学分析,利用弦理论对预张拉CFRP进行动力学分析,通过界面间应力和位移的连续条件得到频率方程,由行列式搜根法数值计算各阶固有频率,数值结果与有限元软件ANSYS进行了比较,显示出了很好的一致性。研究表明,CFRP的加固效果随层数和预拉力增加而增强。

超声波在线监测环氧树脂中温固化过程实验研究

胡焱, 黄贵飞, 梁科, 谢家雨

2017, 0(5): 11-15.

摘要 ( 108 )

PDF (4679KB) ( 155 )

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采用超声波透射法成功实现了实时在线监测环氧树脂在不同条件下的固化反应过程,研究了超声波振幅衰减随固化反应时间的变化关系,探讨了中温条件下模具厚度和玻璃纤维对环氧树脂固化反应过程的影响。结果表明:振幅衰减呈现出先增加后减小并趋于稳定的规律;随着固化反应的进行,振幅衰减能够准确地反映出环氧树脂体系出现凝胶点的时间和黏稠态—凝胶态—玻璃态各相态的变化过程。提高温度能缩短固化时间,增加厚度和玻璃纤维能在一定程度上延缓凝胶点出现的时间,并对其机理进行了讨论。超声波在线监测为环氧树脂基复合材料的加工成型和制作工艺提供了理论依据和重要的技术手段。

风力机叶片结构强度复合材料力学分析方法研究

郭小锋, 郭士锐, 杨树峰, 曹衍龙

2017, 0(5): 16-21.

摘要 ( 105 )

PDF (5113KB) ( 542 )

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截面结构强度分析校核方法是风力机叶片设计优化的关键问题。针对现有的叶片工程力学计算方法精度不高、有限元分析方法计算开销较大的问题,在研究风力机复合材料叶片结构设计模型的基础上,基于复合材料力学理论,推导出计算叶片截面周向各处拉伸和剪切应变的计算公式;在叶片生命周期内的极限载荷下,对某1.5 MW叶片进行了结构强度计算和分析,通过与该叶片在当量极限载荷下的测试结果对比,验证了所述方法的有效性。

碳纤维编织复合材料损伤变形与破坏实验研究

卢博远, 赵静, 韦子辉, 周伟

2017, 0(5): 22-27.

摘要 ( 64 )

PDF (7611KB) ( 72 )

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通过对碳纤维编织复合材料的拉伸实验,利用声发射技术(Acoustic Emission,简称“AE”)和数字图像相关(Digital Image Correlation,简称“DIC”)方法研究碳纤维复合材料的损伤演化规律。通过采集试件在拉伸过程中的声发射信号、损伤变形与应变场信息,分析碳纤维编织复合材料的力学加载、变形场和声发射特征参数的关系。结果表明复合材料的位移场、应变场信息以及AE信号特征参数能良好地描述复合材料在拉伸状态下的损伤累积和破坏过程。在加载前期,以40~60 dB低幅度信号为主;随着载荷增加,撞击累计数急剧升高,高幅度、高持续时间信号增多。通过DIC测得的位移场和应变场信息,发现对于相同的载荷增量,加载方向的位移和最大拉应变呈先增加后减小的趋势。

树脂基三维机织复合材料拉伸失效模式研究

张建

2017, 0(5): 28-33.

摘要 ( 107 )

PDF (6391KB) ( 149 )

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树脂基三维机织复合材料试件在拉伸过程中,较多试样出现两个断口,其中一个断口出现在夹持过渡段,且呈明显的压缩失效特征。采用显式有限元计算及应力波理论分析方法,对试件断裂后的瞬态位移及应变响应开展了研究,结果显示拉伸断裂后应力波在远端夹持端引起的压缩应变大于静态压缩失效应变,从而导致在夹持端发生二次失效。该结论对采用ASTM D3039开展三维机织复合材料拉伸试验时的有效破坏模式提出了修正建议。

复合材料帽型加筋板界面应力与失效模拟

黄凌凯, 朱礼宝, 章向明, 王安稳

2017, 0(5): 34-40.

摘要 ( 119 )

PDF (6497KB) ( 155 )

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基于内聚力模型,采用界面单元模拟筋条和蒙皮之间的粘接界面,建立了复合材料帽型加筋板结构的有限元模型,探究了复合材料帽型加筋板在四点弯曲载荷作用下的界面应力和脱粘失效问题。结果表明,胶层脱粘是复合材料帽型加筋板的主要失效形式,脱粘失效主要受剪应力的影响,脱粘导致加筋板承载能力下降,加剧了整体结构的损伤。

基于材料物性参数时变特性的复合材料层合板固化残余应变应力数值模拟

贺继林, 蒙元明, 王特, 王小飞

2017, 0(5): 41-47.

摘要 ( 112 )

PDF (5748KB) ( 261 )

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热固性树脂基复合材料层合板成型过程形成的残余应力是影响材料质量的重要因素。针对复合材料固化过程建立了基于复合材料物性参数时变特性的复合材料固化过程的三维多场耦合计算模型。该模型包含经典的热-化学模型、树脂固化动力学模型、残余应力模型;在此基础上将材料物性参数时变特性引入多场耦合计算模型中,模型计算结果通过与文献中实验结果比较,验证所建立的固化模型的可靠性;在此基础上,对AS4/3501-6复合材料层合板的固化残余应变应力进行数值模拟,研究了固化过程中残余应变/应力的变化规律,分析工艺参数对应力应变的影响。通过与光纤光栅应变试验比较,验证其正确性。研究结果表明:模型可以很好地仿真复合材料固化过程;温度、树脂体积分数、铺层角度对层合板应力/应变都有较为显著的影响,为正相关关系,其中树脂的体积分数影响最为显著。

基于SPH方法的鸟撞复合材料层合板数值分析

于永强, 李成, 铁瑛

2017, 0(5): 48-52.

摘要 ( 124 )

PDF (5923KB) ( 202 )

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采用光滑粒子流体动力学法(SPH)耦合有限元法对复合材料层合板受鸟撞击的过程进行了数值模拟。复合材料层合板采用渐进损伤模型,鸟体采用SPH粒子建立模型,利用ANSYS/LS-DYNA显示动力分析模块分析了复合材料层合板结构非线性接触。分析了鸟撞层合板过程中鸟体损伤及层合板单层纤维失效和基体失效情况,分析了鸟体的入射角方向及层合板采用不同铺层时对层合板吸能效果的影响。计算结果表明,合理设计层合板铺层可以提高层合板的吸能效果。

不同铺层角度玻璃钢长期蠕变性能的研究

刘清, 朱四荣, 梁娜

2017, 0(5): 53-56.

摘要 ( 97 )

PDF (2994KB) ( 140 )

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随着玻璃纤维增强复合材料的广泛应用,如何正确地分析其蠕变特性已成为最为迫切的课题之一。但由于实验方法和理论研究的不成熟性,致使玻璃钢长期性能的研究发展较为缓慢。在前人研究的基础上,制备不同铺层角度的玻璃钢试样,探究蠕变柔量随服役时间的增加而改变的特性,并建立相应的双变参理论模型,用理论公式拟合实验数据,并比较不同铺层角度蠕变性能的差异性。结果表明理论模型与实验数据契合度较高。

玻璃短纤维对多层多轴向经编复合材料层间撕裂性能影响

聂小林, 马丕波, 王亚柏

2017, 0(5): 57-61.

摘要 ( 79 )

PDF (11041KB) ( 46 )

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以玻璃纤维多轴向经编针织物为增强体,以环氧树脂为基体,将玻璃短纤维添加到玻纤织物增强体层之间,制备层间含有玻璃短纤维的多层多轴向经编复合材料。利用万能力学材料试验机对复合材料的层间撕裂性能进行测试和电镜扫描,对撕裂后的复合材料层间形态进行了观察,研究了玻璃短纤维对复合材料层间性能的影响。结果表明,玻璃短纤维增韧处理的复合材料层间撕裂性能明显增强,载荷-位移曲线初始斜率大,复合材料不易被以撕裂形式为主的载荷破坏。

表面处理对铝合金粘接修理性能的影响

余周辉, 万琦

2017, 0(5): 62-67.

摘要 ( 60 )

PDF (9641KB) ( 45 )

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GFRP粘接修复损伤铝板,粘接前对损伤铝合金表面采用不同浓度的硅烷偶联剂KH550、KH560进行处理,以未经偶联剂处理的铝板为对照组,通过拉伸试验与湿热试验研究偶联剂处理对修复效果的影响。试验结果表明:两种偶联剂KH550、KH560处理铝合金效果相当,铝板表面经1%~2%浓度的偶联剂溶液处理不仅有较高的初始强度,而且耐湿热性能也得到提高;湿热处理使不同表面处理的修理试样力学性能发生明显下降,同时,湿热环境对铝板-胶层之间粘接界面的渗透破坏要强于其对胶层-GFRP之间的界面破坏,铝板-胶层界面粘接强度的下降是引起试样性能下降的主要原因。

格栅剪力键的FRP板与混凝土粘结性能试验研究

宗明明, 韩丽婷, 刘伟庆, 童刚

2017, 0(5): 68-71.

摘要 ( 84 )

PDF (4189KB) ( 147 )

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针对不同界面连接形式的FRP板与混凝土进行单剪试验,重点研究破坏形式、极限承载力及破坏机理等内容,研究表明:布置单向剪力连接件时,增加连接件数量、减小连接件间距可以提高界面抗剪承载力,也可改善构件弹性阶段整体刚度;提出的双向格栅剪力连接件可明显提高界面整体抗剪承载力,并可增强弹性阶段构件整体刚度。

铺放成型工艺参数对复合材料板材弯曲强度和层间剪切强度的影响

李靖, 洪成, 郭兵兵, 方立

2017, 0(5): 72-79.

摘要 ( 52 )

PDF (8603KB) ( 55 )

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为得出铺放成型过程中热风枪温度、铺放速度、压力辊压力、压力辊温度和底板温度五个工艺参数对复合材料板材弯曲强度和层间剪切强度(ILSS)的影响,用自制连续玻璃纤维增强聚苯硫醚预浸带进行铺放成型实验制备复合材料板材,分别用正交试验和单因素实验研究其规律。结果表明,压力辊压力对板材ILSS影响最大,底板温度对ILSS影响最小,铺放速度对弯曲强度影响最大,压力辊温度对弯曲强度影响最小。在合适的范围内,降低铺放速度,升高压力辊压力,选择适中的热风枪温度、底板温度和压力辊温度,有利于材料弯曲性能和ILSS的提升。在铺放小车速度为40 cm/min、压力辊压力为0.4 MPa、压力辊温度为240 ℃、热风枪温度为340 ℃和底板温度为240 ℃的条件下,GF/PPS复合材料板材的层间剪切强度和弯曲强度达到最优值,分别为79.94 MPa和1097.37 MPa。

基于Creo和ADAMS的纤维缠绕机挂纱机构设计与仿真

田会方, 周承光, 张军伟

2017, 0(5): 80-83.

摘要 ( 115 )

PDF (3830KB) ( 132 )

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通过对纤维缠绕机的结构特性和工作原理的概述,发现目前国内纤维缠绕机存在的问题和不足,然后根据实际生产需要在建模软件Creo中对气瓶纤维缠绕机自动挂纱机构进行设计与装配。利用MECH/PRO接口将挂纱机构模型导入ADAMS中,并对其进行了挂纱运动仿真,对几种常见型号的气瓶芯模进行模拟挂纱,获得了机构的运动特性。研究结果表明,所设计的纤维缠绕机自动挂纱机构满足多种尺寸的芯模挂纱设计要求,对解决目前国内纤维缠绕机存在自动化程度不高的问题有一定的指导意义。

复合材料十字梁结构的优化设计

张国旗, 关鑫, 张玉生, 黎昱

2017, 0(5): 84-88.

摘要 ( 115 )

PDF (5035KB) ( 153 )

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基于数值仿真分析方法,针对某航天器结构中的十字梁结构进行了优化设计。依据结构承载特点,优化了传力路径,合理地设计了加强区域以及铺层顺序,并采用复合材料整体铺设成型工艺制备了试验件。试验结果表明,经过优化设计,十字梁结构重量由699 g降低到436 g,减重达37.6%,在6000 N压缩载荷作用下的最大变形由0.33 mm降低到0.19 mm,满足其刚度设计要求。

聚脲弹性体/纤维增强树脂基复合材料抗冲击性能研究

贺红鹰, 倪爱清, 王继辉, 杨斌

2017, 0(5): 89-92.

摘要 ( 112 )

PDF (4664KB) ( 189 )

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玻璃纤维增强树脂基复合材料在使用过程中极易受到外力冲击,造成复合材料结构破坏,严重威胁其安全使用寿命。研究了聚脲弹性体涂层对玻璃纤维增强乙烯基树脂复合材料抗冲击性能的影响。通过简支梁摆锤冲击试验和光学显微镜对前涂覆(FCGF)、后涂覆(BCGF)及未涂覆(NCGF)试样进行对比测试。研究结果表明,聚脲弹性体涂层的弹性形变和断裂破坏能够大幅增加冲击能耗,提高整体的冲击强度。当试样聚脲涂层厚度相同时,前涂覆(FCGF)试样聚脲弹性体冲击后并未完全断裂,主要依靠弹性形变吸收冲击能量,起缓冲减震作用;后涂覆(BCGF)试样聚脲弹性体发生断裂破坏能够消耗更多的冲击能量,其整体结构破坏最小,冲击强度更高。

新舟飞机雷达罩蜂窝夹层进水和电性能研究

王正刚, 夏卫卫, 赵兵, 惠晨鹏

2017, 0(5): 93-98.

摘要 ( 92 )

PDF (4818KB) ( 153 )

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新舟飞机雷达罩位于机身最前端,是采用手工湿法糊制的一种蜂窝夹层玻璃钢,不仅是具有电磁透波功用的功能件,同时又是容易受损的结构件,其中夹层进水就是雷达罩一种非常重要的损伤方式。结合新舟飞机雷达罩在外场使用过程中出现的各种电性能降低的故障现象,对故障雷达罩进行淋雨和浸泡模拟验证试验,通过分析对比淋雨和浸泡前后雷达罩重量和电性能指标,表明水分可以通过损伤(即使不易察觉的微小损伤)进入雷达罩夹层结构,使雷达罩电性能迅速降低。针对这些试验结果对雷达罩夹层进水、积水原因及原理进行分析,并利用雷达罩的电磁理论研究水对雷达罩电性能的影响,提出及时发现、及时处理雷达罩内外表面各种损伤情况是保证雷达罩始终具有良好电性能的关键。

感应焊接技术在民用飞机热塑性复合材料中的应用

袁协尧, 杨洋, 见雪珍, 徐捷

2017, 0(5): 99-104.

摘要 ( 139 )

PDF (7529KB) ( 193 )

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热塑性复合材料在民用飞机制造领域的应用近年来发展迅速,焊接技术是热塑性复合材料制造过程中的关键环节之一,是零件装配成部件必不可少的工艺过程。感应焊接技术是目前应用的几种焊接方法之一,通过感应线圈产生高频电磁场,加热电感材料使接头熔融,加压重新凝结后完成焊接过程。感应焊接工艺过程稳定,可实现连续化操作,受人为因素影响较小,是将来热塑性复合材料连接的重要发展方向。立足于提供此技术的基本原理,介绍此技术已取得的最新进展。同时,还介绍一些实验过程和实验装置。最后,还尝试简易描述焊接区域的温度场分布,以便于焊接实验者进行工艺参数评价。

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