复合材料科学与工程

詹超,马晓静,张芝芳

2017, 0(9): 5-12.

摘要 ( 133 )

PDF (1103KB) ( 152 )

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通过损伤发生前后结构频率的变化来检测和评估纤维增强复合材料(FRP)层合梁中的分层损伤。利用FRP层合梁在分层发生前后的一系列频率变化值,通过构建直观图像法和人工神经网络两种逆向算法反推出梁中分层损伤的三个参数,即分层所在的界面、位置和尺寸。为检验两种算法的有效性和识别精度,分别进行了理论和实验双重验证。理论验证结果表明,两种逆向检测算法都可以有效预测出分层损伤的三个参数,其中直观图像法相比人工神经网络预测精度更高。而实验验证采用文献中报道的实测频率,结果表明:直观图像法对于测量数据误差有更高的包容性,可以较为准确地预测出分层在FRP梁试件中的位置和大小;而人工神经网络对于实验误差相对敏感,对FRP梁试件中的分层损伤预测不够准确。综上认为,相较于人工神经网络,直观图像法具有更好的鲁棒性,应被优先选择应用于FRP梁的分层损伤识别。

内压载荷下玻璃纤维增强复合软管力学性能研究

林珊颖,白勇,方攀

2017, 0(9): 13-18.

摘要 ( 104 )

PDF (997KB) ( 191 )

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对玻璃纤维增强复合软管进行短期爆破压力试验,建立内压载荷下玻纤软管有限元模型进行模拟仿真计算,在此基础上,研究提出了玻纤软管爆破压力的理论求解方法。将三者进行对比分析,结果表明:在一定内压作用下,加强层所受到的力远大于内外层,说明了玻纤软管的加强层承担大部分内压载荷;玻纤缠绕角度大于45°且小于80°时,抗内压能力逐渐增强,59°为玻纤软管设计中最优缠绕角度;适当减小管道的径厚比,可以提高管道承受内压的能力。

纤维增强复合材料疲劳性能的温度效应

谢桂华,卞玉龙,唐永生,冯倩红

2017, 0(9): 19-24.

摘要 ( 164 )

PDF (976KB) ( 229 )

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纤维增强复合材料(FRP)因其轻质高强、耐腐蚀等突出优势受到广泛的关注,但其疲劳性能受材料特性、环境条件和载荷条件影响较大。基于唯象学刚度退化理论,研究了FRP材料的疲劳性能在不同温度和应力水平下的变化规律,推导了FRP材料基于温度变化的刚度退化和疲劳寿命预测等效模型,并在已有试验数据基础上对该模型进行了验证,并将之应用于E型玻璃纤维平纹编织层状材料的疲劳性能预测。结果表明:该模型能有效预测FRP材料的刚度退化规律和等效剩余疲劳寿命;FRP材料疲劳性能的温度效应明显,其影响程度甚至可能超过应力幅的影响。

多环混合复合材料飞轮应力分析与结构设计

芦晨祥,苏维国,张贤彪,王东

2017, 0(9): 25-33.

摘要 ( 114 )

PDF (1124KB) ( 172 )

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基于线弹性理论,考虑纤维缠绕复合材料各向异性,建立了多环混合复合材料飞轮过盈配合的平面应力分析理论模型,并通过有限元验证了模型的正确性。利用建立的复合材料飞轮转子力学分析模型,研究了各复合材料环模量比值、环数、环厚度以及环间过盈量分布对静止和高速旋转飞轮转子应力分布的影响。结果表明,多环混合复合材料转子中,各因素相互影响,共同作用,当各环复合材料模量比、厚度从内到外依次增加,同时优先保证轮毂与内环环间的大过盈量时,可以有效改善在高速旋转载荷下转子应力的分布,提高复合材料层间强度,避免层间脱开。在此基础上,设计了一种玻璃纤维、T700、T800组成的三环过盈装配的高储能密度超导磁悬浮储能复合材料飞轮,并用三维有限元模型进行了验证。

基于细观力学的短纤维增强复合材料断裂性能数值研究

高剑虹,杨晓翔

2017, 0(9): 34-39.

摘要 ( 65 )

PDF (957KB) ( 107 )

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基于细观力学,采用虚拟裂纹扩展结合有限元法计算了短纤维增强复合材料纤维端部不同方向裂纹的应变能释放率,研究了网格尺寸对应变能释放率计算结果的影响,并分析应变能释放率随裂纹长度,纤维的长度、半径和含量的变化关系。研究表明:网格尺寸对应变能释放率的计算结果影响小;不同区域的裂纹,其应变能释放率受裂纹长度的影响不同;应变能释放率随裂纹扩展方向变化曲线呈对称特点,其中滑移型裂纹的扩展阻力较小;应变能释放率随着纤维长度、半径和含量的增大而增大。

钢外筒-FRP内筒复合材料烟囱在地震作用下的响应分析

高明,朱四荣,王应军,王启兴

2017, 0(9): 40-45.

摘要 ( 116 )

PDF (891KB) ( 141 )

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用FRP内筒与钢外筒一起组成套筒式新型复合材料烟囱结构。然而,玻璃钢复合材料烟囱结构的分析较为罕见,目前还没有相应的设计规范,其设计和计算较为困难。结合ANSYS有限元分析软件应用振型分解反应谱法研究钢外筒-FRP内筒复合材料烟囱结构在地震作用下的动力特性和地震响应,应用Tsai-Wu强度比理论对其进行了校核,并与相同结构尺寸的钢烟囱在相同地震作用下的响应结果进行了对比分析,探讨该新型烟囱结构的优势与可行性,为其抗震设计提供可靠的参考。

基于碳纤维材料力阻效应的传感器工程应用初探

黄俊捷,刘荣桂,许兆辉,谢桂华

2017, 0(9): 46-51.

摘要 ( 116 )

PDF (932KB) ( 144 )

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碳纤维复合材料(CFRP)的力阻特性已经在实验和理论上获得了较多的探索与验证。将碳纤维与改进配方的基体制成新型的CFRP传感材料,并对其力阻特性进行测试,验证了CFRP作为传感器的可行性,这也是CFRP成为集成承载特性和传感特性的智能材料所必备的条件。然而在实际工程中,承载材料的受力情况远比拉伸试验复杂,因此设计了一项实验,将CFRP传感材料布置于梁内的受拉区,最大限度地模拟受力筋的实际受力情况,测试了CFRP传感材料在实际工程的复杂受力情况下,对荷载、裂缝等结构状态信息的反馈情况。实验结果表明,CFRP传感材料能够较为直观地反映以上结构信息。

碳纤维传动轴刚度不平衡胶接接头的失效行为研究

洪涛,胡业发,谭建,刘灿

2017, 0(9): 52-57.

摘要 ( 113 )

PDF (951KB) ( 263 )

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建立了碳纤维传动轴刚度不平衡胶接接头的有限元模型,对扭转载荷下刚度不平衡胶接接头的失效行为进行分析,预测了胶接接头的失效扭矩和失效模式,并进行扭转实验证明有限元分析方法的有效性,最后研究了被粘物剪切模量比和壁厚比对刚度不平衡胶接接头失效行为的影响,为工程上碳纤维传动轴胶接接头的设计提供了参考。

复合材料-铝合金碾铆与螺栓连接强度对比分析

黄志超,何俊华,冯佳

2017, 0(9): 58-62.

摘要 ( 105 )

PDF (888KB) ( 149 )

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通过碾铆连接和螺栓连接对复合材料-铝合金进行了连接实验,对两种连接方式的接头进行了静拉伸测试,对比分析了有无垫片和是否粘接两种因素对接头连接强度和能量吸收的影响。结果表明:添加垫圈后,两种接头的峰值载荷趋于一致,但螺栓连接接头的失效位移高于碾铆连接接头,且其能量吸收值比碾铆连接接头高16.29%,有更强的缓冲吸震能力;引入粘接对两种接头的抗拉伸强度影响不大,螺栓连接失效的峰值载荷略高于碾铆连接,两种接头的失效位移和能量吸收基本相同。

风力机叶片气热除冰系统研究

吕庆,宁立伟,魏克湘,周舟

2017, 0(9): 63-66.

摘要 ( 115 )

PDF (865KB) ( 287 )

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针对风力机叶片结冰问题,提出了一种基于气热法原理设计的叶片除冰系统。首先对气热除冰系统进行设计,并借助地面试验来分析气热加热系统的可行性,然后通过对已装机运行的风电机组进行现场改造的方式来对气热除冰系统的可靠性进行分析。试验结果表明所设计的气热除冰系统方案可行,对环境温度为-10~0 ℃范围的叶片除冰效果显著,试验运行稳固可靠无异常。

玻璃纤维/环氧树脂复合材料表面金属化工艺研究

邢灵冰,孙士勇,杨睿,孙国钟

2017, 0(9): 67-72.

摘要 ( 136 )

PDF (1056KB) ( 149 )

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提出一种在玻璃纤维/环氧树脂复合材料表面化学镀镍的简化工艺,首先在复合材料表面引入含有镀镍短纤维的过渡层,复合材料与过渡层共固化成型。通过机械粗化、酸化、化学镀工艺成功地在玻璃纤维/环氧树脂复合材料表面沉积一层连续致密的Ni-P镀层。采用超景深显微镜观察化学镀后镀层的表面形貌,并采用SEM对镀层截面特征进行观测。系统地研究了化学镀时间、装载量对镀层表面形貌、镀层厚度与镀层沉积速度的影响规律,并测量了复合材料/镍镀层界面结合强度。试验结果表明,当化学镀时间为8 h、装载量为1.25 dm²/L时,镀层厚度能达到38.96 μm,镀层结合强度达到8.45 MPa。

复合材料压力容器自紧后残余变形研究及有限元分析

舒明杰,李云仲,刘翀

2017, 0(9): 73-77.

摘要 ( 92 )

PDF (883KB) ( 217 )

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研究复合材料压力容器自紧加卸载过程中的轴向残余变形趋势,揭示复合材料压力容器轴向残余变形机理与成因,对合理控制复合材料压力容器自紧过程中的尺寸稳定性具有重要研究和应用意义。主要针对碳纤维缠绕钛内衬压力容器自紧后出现的残余变形现象展开实验研究和有限元分析。结果表明,自紧加卸载后,钛内衬发生了塑性残余变形,为保证封头曲线的连续协调性,封头内衬向内凹陷,容器在轴向产生缩短变形趋势。此外,钛内衬材料屈服强度变化是容器轴向残余变形的显著影响因素,随着钛内衬材料屈服强度的增加,复合材料压力容器轴向残余变形量(缩短)减小,有限元分析结果和实验预测具有很好的一致性。

玻璃钢夹砂管树脂砂浆强度优化试验研究

陈兆南,魏连雨,裴亚男,李春晓

2017, 0(9): 78-81.

摘要 ( 112 )

PDF (867KB) ( 122 )

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玻璃钢夹砂管作为一种柔性非金属复合材料,力学性能优良,综合经济效益好,在公路涵洞工程具有广阔的应用前景。由于路面长期受重型车辆荷载作用,对埋地管涵的强度有更高的要求,其夹砂层质量尤为重要,而目前众多企业生产的FRPM管夹砂层均存在问题。通过制作不同级配的试样优化夹砂层强度,分别测试其抗折和抗压强度,并采用体视显微镜分析试样的断面形貌特征。结果表明,第4组级配试样的力学性能最优,其石英砂和树脂粘结状态较好,树脂填充密实,为玻璃钢夹砂管的生产质量控制和在公路涵洞工程上的推广与应用提供科学的依据。

氙灯加速老化对聚酯纤维/PVC柔性复合材料力学性能影响的研究

魏屈平,倪爱清,张鸿,杨秀礼

2017, 0(9): 82-88.

摘要 ( 110 )

PDF (923KB) ( 127 )

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聚酯纤维/PVC柔性复合材料由于多用于户外,易受阳光照射而老化,从而影响材料的力学性能。通过模拟大气环境较好的氙灯耐气候试验箱,考察了氙灯加速老化对聚酯纤维/PVC柔性复合材料顶破性能和撕裂性能的影响。采用CRT材料试验机,研究了聚酯纤维/PVC柔性复合材料的顶破性能和撕裂性能的变化,并比较了两种不同撕裂模式的破坏机理;采用FTIR研究了PVC涂层吸收峰和峰强的变化;采用SEM研究老化前后涂层表面的微观形貌。研究表明:氙灯人工气候老化下,聚酯纤维/PVC柔性复合材料的老化机理主要是羰基化合物和共轭双键的形成;柔性复合材料撕裂性能下降明显;不同撕裂模式对评价柔性复合材料差异较大。

VARI成型不同处理方法泡沫夹芯复合材料工艺及性能研究

孙煜,刘强,黄峰,马金瑞

2017, 0(9): 89-92.

摘要 ( 134 )

PDF (842KB) ( 173 )

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采取泡沫芯刻槽和泡沫芯导孔两种处理方法预制备泡沫芯材,采用VARI工艺成型泡沫夹芯复合材料,对复合材料进行无损检测,并对其成型效率、质量和力学性能进行研究。结果表明:刻槽和导孔处理可以有效地提高泡沫夹芯复合材料的成型效率,且其表面质量良好;三种泡沫夹芯复合材料泡沫与复合材料面板间均结合紧密,不存在贫胶、分层等缺陷;经刻槽处理后,泡沫夹芯复合材料的剥离强度有所下降,而弯曲强度和侧压强度略有上升;经导孔处理后,泡沫夹芯复合材料的剥离强度、弯曲强度和侧压强度均小幅下降。总的来看,不同处理工艺对VARI泡沫夹芯结构力学性能影响不大。

风电叶片叶根连接陶瓷垫圈对螺栓疲劳性能的影响研究

季乐,李成良,鲁晓峰,唐金钱

2017, 0(9): 93-96.

摘要 ( 132 )

PDF (811KB) ( 172 )

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首先利用Catia软件建立了风电叶片叶根模型,在专业网格划分工具中划分网格,采用商用有限元软件进行分析,结合有限元分析结果和载荷Markov矩阵,通过Matlab软件编写的疲劳损伤程序进行损伤分析,最终得到螺栓的损伤数值。比较了螺母下陶瓷垫圈存在与不存在时的螺栓应力,并分析了垫圈的存在对螺栓疲劳性能的影响。仿真结果表明采用螺母下放置陶瓷垫圈的方法可使螺栓损伤显著降低,疲劳性能有效提高。

复合材料K/T型接头真空辅助成型工艺树脂流动研究

赵清华,王长春,岳广全,刘建光

2017, 0(9): 97-100.

摘要 ( 116 )

PDF (977KB) ( 167 )

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城市的现代化进程促进了大跨度结构的应用,用于结构间的连接接头需要具有良好的力学、耐疲劳和耐腐蚀性能。先进复合材料以优异的性能成为理想的接头材料,但高昂的制造成本限制了其应用。对基于真空辅助成型(VARTM)工艺制造K/T型接头时的树脂流动过程进行了研究,通过考察四种可能树脂注模方式所需注模时间及流动前锋的信息确定合理的工艺方式;并将模拟结果与相应试验结果对比分析,两者表现出良好的一致性。采用复合材料接头一体化制造模具制造出K/T型接头,并组装了典型复合材料桁架结构。试验结果表明,模拟所得注模方式可实现复合材料K/T型接头的低成本工艺制造,避免了由传统试错法确定注模方式带来的高成本。

纤维增强复合材料钻削加工技术研究现状

孙巧如,刘晓东,王天晨,姚文昊

2017, 0(9): 101-105.

摘要 ( 118 )

PDF (797KB) ( 211 )

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纤维增强复合材料具有力学性能各向异性、导热能力差等特点,在钻削加工时,容易产生分层、撕裂等加工缺陷。综述了钻削轴向力、切削参数、刀具几何结构等对纤维增强复合材料钻削缺陷的影响,进一步分析了钻削加工技术的研究现状,提出合理的加工参数、刀具结构及新的钻削加工技术,对于提高钻削加工质量具有重要的意义。

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