复合材料科学与工程

孔令滨,张火明,方贵盛,田中仁

2017, 0(6): 5-11.

摘要 ( 99 )

PDF (929KB) ( 110 )

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玻璃钢复合材料作为一种新型的工业材料,被广泛应用于包括造船行业在内的诸多领域当中。在船体设计时,为了避免因碰撞等外力因素造成船体损伤,需要事先对其相关结构的力学性能进行数值分析。以带有大开口的玻璃钢游艇舷侧夹层板架结构作为研究对象,对该结构的相关力学性能进行了有限元分析,并对其位移变形量和应力分布情况进行了校核。按照此种方式,分别计算了不同大小的静压力载荷、不同大小的冲击载荷、不同的开口形状和尺寸以及不同的载荷作用位置等诸多工况下的仿真算例,分析、比较其计算结果,最终得出结论。

长期腐蚀环境影响下GFRP筋混凝土构件的老化机理及抗弯性能研究

李星,孙理想,蔺鹏臻,杨子江

2017, 0(6): 12-17.

摘要 ( 104 )

PDF (864KB) ( 182 )

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为了研究长期腐蚀环境影响下GFRP筋混凝土构件的老化机理以及抗弯性能,分别分析了水分、温度、碱性环境等因素对GFRP筋抗拉强度、有效受拉面积和粘结强度等性能方面的影响。基于GFRP筋材料老化后与混凝土协同工作关系的变化,通过构造新的几何条件,推导了老化GFRP筋正截面抗弯承载力计算公式,利用推导的公式分析了不同GFRP筋老化率对构件承载力的影响。研究表明:GFRP筋混凝土构件在腐蚀环境长期作用下,GFRP筋不断老化,其抗拉强度、有效受拉面积以及粘结性能都有不同程度的降低;随着GFRP筋材料老化率的不断增加,构件抗弯承载力损失率也不断增加,当老化率达到27%时,构件抗弯承载力也相应损失了25.97%。

湿热环境对碳纤维/环氧复合材料的冲击破坏特性影响

谷卫敏,刘齐文,刘立胜,张江涛

2017, 0(6): 18-22.

摘要 ( 116 )

PDF (903KB) ( 141 )

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为了研究湿热环境对碳纤维/环氧树脂(CFRP)复合材料抗冲击性能的影响,对碳纤维/环氧复合材料层合板进行70 ℃水浴处理,采用锥头圆柱形弹体对湿热饱和试样和干燥室温试样进行速度分别为45 m/s、68 m/s、86 m/s的冲击,采用激光测速仪测量冲击前后的速度,然后采用超声C扫描检测系统、超景深三维显微系统、扫描电镜(SEM)等方法对试样的冲击破坏进行检测。实验结果表明:随着冲击速度的增加,试样的破坏投影面积增加;在速度较低时,湿热环境对碳纤维/环氧树脂层合板的损伤孔洞面积影响更大;湿热处理之后的碳纤维/环氧树脂层合板层间性能明显降低。

长管拖车用大容积环缠绕复合材料气瓶充气及冷却过程温度变化的数值模拟研究

刘奉宣,邓贵德,梁海峰,吉方

2017, 0(6): 23-27.

摘要 ( 96 )

PDF (902KB) ( 164 )

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建立了压缩天然气车(CNGV)用大容积环缠绕复合材料气瓶的充气温升数值模型,通过计算流体力学软件Fluent17.1进行数值仿真,模拟1800 s充满20 MPa、2500 L的CNG气瓶的填充过程以及5400s的静态冷却过程。详细介绍了该有限元模型的设置过程,重点分析了气瓶内气体流向、温度分布,以及充气及冷却过程的壁面温度状况,模拟结果表明,大容积气瓶的高温区域集中在瓶尾,该工况下的充气不会使气瓶壁面温度超过许用温度。

基于改进双种群遗传算法的复合材料层合板铺层优化设计

郑国文,谢习华

2017, 0(6): 28-32.

摘要 ( 131 )

PDF (836KB) ( 180 )

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针对复合材料层合板铺层优化设计过程中易出现的算法早熟及收敛慢的问题,结合多种群遗传算法和自适应遗传算法,提出一种引入自适应算子的改进双种群遗传算法。在算法过程中以对称复合材料层合板为例进行验证,通过Patran建立有限元初始模型,采用Matlab编写遗传算法主程序及数据传递程序,实现对Nastran的输入输出文件的读写,并在以Tsai-Wu准则为基础确立的适应度函数下,对复合材料层合板的铺层顺序进行优化。对比传统遗传算法,结果表明该改进算法能够明显提高优化效率,并能够有效收敛于全局最优解,对解决复合材料结构优化设计问题有一定的指导意义。

孔隙率对复合材料单向板横向力学性能的影响

李波,万小朋,赵美英

2017, 0(6): 33-38.

摘要 ( 101 )

PDF (935KB) ( 193 )

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在考虑纤维和孔隙随机分布的情况下,通过随机算法生成包含孔隙的代表性体积单元Representative Volume Element(RVE)。对生成的RVE建立有限元模型,引入基体的塑性本构模型和界面的双线性本构模型,采用有限元方法研究了孔隙率对碳纤维/环氧树脂复合材料单向板横向力学性能的影响。研究显示,孔隙随机分布对横向力学性能的影响不是很大;当孔隙率不超过临界值时,孔隙对横向力学性能的影响相对较小;当孔隙率超过临界值后,材料横向弹性模量、横向拉伸强度和横向压缩强度都会有较大的下降。

钢板-GFRP组合桥面板受弯性能试验与理论分析

华鹏,方海,刘伟庆,徐欣

2017, 0(6): 39-45.

摘要 ( 78 )

PDF (1020KB) ( 171 )

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基于玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer,简称“GFRP”)具有轻质高强、耐腐蚀等优点,提出一种新型组合桥面板,即在钢板表面粘贴GFRP板,作为正交异性钢桥面板的防水和防腐蚀层,兼有增强钢板刚度的作用。在对组成材料材性测试的基础上,对组合桥面板试件在正弯矩和负弯矩作用下进行四点弯曲试验,测出各试件的荷载-位移曲线、荷载-应变曲线;通过换算截面理论推导出钢板-GFRP组合桥面板的刚度、跨中挠度和应力计算公式,并与试验值对比;在四种铺装模型下运用有限元软件分别对正交异性钢板进位移和应力分析。研究结果表明:钢板表面粘贴GFRP板可以有效提高钢板的屈服承载能力和刚度,降低钢板表面应力和开裂风险;钢板-GFRP组合桥面板弯曲性能的理论计算值与试验值吻合性较好。

碳纤维复合材料不同制孔工艺技术研究

王共冬,彭天,李映池,周丽

2017, 0(6): 46-50.

摘要 ( 101 )

PDF (868KB) ( 114 )

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碳纤维复合材料钻孔分层主要由钻孔入口的剥离作用和出口的推出作用所引起。轴向钻削推力是分层的主要原因,控制轴向推力可以提高制孔质量。设计无预制孔的麻花钻、带预制孔的麻花钻和阶梯钻三种钻孔工艺方案,根据现有三种工艺的轴向力模型,分析对比三种工艺方案的临界轴向力与直径比率、轴向力与钻削位置深度及轴向力与进给率关系,并使用SEM观察孔的质量。结果表明,使用阶梯钻和预制孔钻削能大幅减少轴向推力,获得高质量的孔出口。

碳纳米纤维对单向玻纤/环氧复合材料的影响

吕广超,鲁智力,董梦瑶,刘春太

2017, 0(6): 51-56.

摘要 ( 130 )

PDF (914KB) ( 120 )

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采用真空辅助RTM成型方法制备了0.5%碳纳米纤维(CNF)玻纤/环氧(GF/EP)复合材料,并对其一维饱和渗透率、不同温度下的力学性能、耐固体粒子冲蚀磨损性能进行了测试和研究分析。实验结果表明,加入0.5% CNF之后,平行于纤维方向的饱和渗透率降低了2~6倍,垂直于纤维方向的饱和渗透率降低了2~5倍;在孔隙率小于0.44时,两个方向的饱和渗透率差别不大,均接近于零;0.5% CNF的加入对纯EP及垂直于纤维方向复合材料的机械性能和耐固体粒子冲蚀磨损性能影响较小,在平行于纤维方向上复合材料的力学性能和耐固体粒子冲蚀磨损性能均有提高;在不同温度下,0.5% CNF的加入使垂直纤维方向上复合材料拉伸强度的稳定性得到提高。

玻璃纤维/环氧层合板低冲击能量与凹坑深度量化研究

丁明聪,李地红,侯云芬,王佳俊

2017, 0(6): 57-63.

摘要 ( 90 )

PDF (940KB) ( 152 )

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使用试件为单向层合板和多向层合板两种类型的玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料层合板,采用自由落体式冲击试验机进行低能量冲击,以及超景深显微镜对损伤形貌进行特征描述。引入低能量冲击关系因子K,建立冲击能量与损伤凹坑深度量化关系,该量化关系可使冲击能量与损伤形貌特征相对应。所建立的凹坑深度与冲击能量的关系,既可以根据测量冲击凹坑深度反推出冲击时的能量值,也可以根据冲击能量预判结构的损伤情况。

风电叶片用聚氨酯模内胶衣的工艺适用性研究

牟书香,周连侠

2017, 0(6): 64-67.

摘要 ( 154 )

PDF (772KB) ( 284 )

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模内涂装是提高风电叶片涂装效率的一种有效方式。相比模外涂层体系,风电叶片用模内涂层体系在工艺性能方面有一些特殊性要求。研究了三种聚氨酯模内胶衣在风电叶片中的工艺适用性,通过可操作性、占模时间、与玻璃钢之间的附着力、在实际叶片模具上的脱模性能以及脱模后对其覆盖的玻璃钢中灌注缺陷的可观察性等性能研究发现,其中两种聚氨酯模内胶衣适用于风电叶片的生产工艺过程。

BFRP筋与玄武岩纤维再生混凝土粘结性能

尹甜甜,刘华新,孔祥清,王学志

2017, 0(6): 68-74.

摘要 ( 108 )

PDF (935KB) ( 121 )

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为了研究玄武岩纤维再生混凝土与BFRP筋的粘结性能,通过42个试件的中心拉拔试验,研究再生粗骨料取代率、BFRP筋的直径以及筋材的表面特征对其的影响。试验结果表明:随着再生骨料取代率的增加,峰值极限粘结应力逐渐降低,峰值滑移量呈现先减小后增大的趋势;随着BFRP筋直径的增大,粘结应力逐渐增大,与峰值粘结应力对应的峰值滑移量逐渐增大,但整体的变化范围很小;筋材的表面状况对玄武岩纤维再生混凝土与BFRP筋的粘结性能影响很大。分别采用改进BPE模型、CMR模型及连续曲线模型的计算值与实验值比较分析其极限粘结应力,依据试验结果采用非线性回归分析得出粘结-滑移本构关系模型,该模型的计算值与实验值吻合较好。

芳纶纤维增强聚苯醚/尼龙6合金的性能研究

王宏华,梅启林,夏雪,王聪

2017, 0(6): 75-79.

摘要 ( 139 )

PDF (885KB) ( 159 )

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通过马来酸酐接枝苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS-MAH)对聚苯醚/尼龙6(PPO/PA6)合金进行增容增韧改性,制备芳纶纤维(AF)增强PPO/PA6/SEBS-MAH复合材料。实验结果表明:SEBS-MAH能够提高PPO/PA6共混体系的相容性,并且能够提高其力学性能,添加10份SEBS-MAH比不添加SEBS-MAH共混体系的拉伸、弯曲和冲击强度各增加了19.1%、49.3%和46.8%,共混物的玻璃化转变温度得到提高;AF能够提高PPO/PA6/SEBS-MAH共混体系的力学性能以及摩擦性能,并使共混体系的刚性得到提高,添加7.5份AF的复合材料的拉伸、弯曲和冲击强度分别比未添加AF时提高了22.1%、13.1%和12.9%,摩擦系数降低了0.18。

三维角联锁复合材料弯曲性能的热老化特征

王明玲,曹淼,顾伯洪,孙宝忠

2017, 0(6): 80-84.

摘要 ( 137 )

PDF (945KB) ( 151 )

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研究了三维角联锁碳纤维复合材料未老化及90 ℃、110 ℃、180 ℃老化16 d的弯曲力学性能。对比三维角联锁复合材料弯曲-挠度曲线、破坏形态及SEM纤维特征,分析老化温度对复合材料弯曲性能的影响。通过环氧树脂DSC分析、红外光谱分析说明老化温度对树脂热学性质、后固化现象及分子结构变化的影响。结果表明:环氧树脂老化过程存在后固化和热降解两种竞争机制,90 ℃老化16 d的复合材料后固化作用突出,与未老化复合材料相比其弯曲强度增大;110 ℃老化16 d的复合材料热降解作用占优势,材料起始破坏弯曲强度略有下降;上述两者弯曲模量基本不变,而180 ℃老化16 d的复合材料热降解剧烈,树脂与纤维之间严重脱粘,材料弯曲强度明显下降,弯曲模量减小。

中温固化复合材料层压板分层缺陷注射修补工艺研究

龚志红,包啸,李建川,苏建

2017, 0(6): 85-88.

摘要 ( 90 )

PDF (864KB) ( 200 )

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通过预埋石英砂,制备了复合材料层压板分层缺陷试样。采用注射修补法对分层缺陷试样进行了修补。使用电钻在缺陷试样单侧打注胶孔,通过注胶孔将DG-8胶黏剂注入缺陷区域,利用热补仪将注胶后的试样固化。对修补后的试样进行了无损检测、力学性能测试和微观结构分析。结果表明,修补后的试样拉伸和压缩强度恢复率均达85%以上,试样修补区的DG-8胶黏剂固化良好。

某型号无人机复合材料主起落架的研制

张国旗,胡琦,武海生,关鑫

2017, 0(6): 89-93.

摘要 ( 111 )

PDF (922KB) ( 193 )

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基于工程经验公式和数值仿真相结合的方法设计了某型号无人机主起落架,确定了复合材料泡沫夹芯结构构型及横截面几何尺寸、复合材料铺层顺序;采用手糊工艺制备了试验件,力学试验结果表明试验件力学性能以及重量均满足设计要求。

热塑性碳纤维上浆剂的研究进展

鲁佳腾,颜春,徐海兵,陈刚

2017, 0(6): 94-99.

摘要 ( 193 )

PDF (876KB) ( 610 )

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碳纤维增强热塑性树脂基复合材料具有优异的韧性和抗冲击性能,以及预浸料无贮存时间限制、成型周期短、易回收再利用等诸多优势,在军、民用领域具有巨大的应用前景。界面是决定复合材料综合性能的关键因素之一,热塑性上浆剂是目前制约碳纤维热塑性复合材料成型和使役性能的关键瓶颈。总结了碳纤维与热塑性树脂基体的界面作用机理,介绍了热塑性碳纤维上浆剂的作用、类型、制备方法及性能。

二维编织复合材料管件力学性能研究进展

马晓红,檀江涛,秦志刚

2017, 0(6): 100-103.

摘要 ( 122 )

PDF (792KB) ( 152 )

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综述了近年来国内外对二维编织复合材料管件力学性能的研究成果及研究进展,主要包括力学性能实验研究、结构几何模型和数值仿真研究。在实验研究中介绍了二维编织复合材料管件的能量吸收性能及弹性性能,同时重点介绍了编织角及编织结构的变化对复合材料各种性能的影响的最新研究进展;在结构几何模型研究中,以细观结构、宏-细观结构模型研究为主,详细介绍了当前流行的建模方法;在数值仿真研究方面,介绍了研究人员根据二维编织成型原理以及纤维在复合材料中的取向建立的实体模型仿真分析。最后,总结当下研究中存在的问题,并对未来研究趋势进行展望。

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