复合材料科学与工程

马祥禹, 张锦光, 蔡光胜, 谭建

2017, 0(8): 5-9.

摘要 ( 102 )

PDF (1335KB) ( 144 )

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碳纤维复合材料具有比重小,比强度和比模量高,耐疲劳等特点。针对某汽车传动轴的强度和临界转速要求,设计了一种碳纤维复合材料汽车传动轴,并采用Abaqus有限元分析软件对传动轴进行了仿真分析,仿真结果显示了复合材料传动轴在受扭转载荷情况下的应力应变分布情况以及失效情况,碳纤维轴管应力应变分布均匀,仿真结果与设计理论相吻合,并与实验结果相验证,说明所设计的碳纤维复合材料传动轴的性能可以满足汽车传动轴的要求。

吸波边界对Lamb波在复合材料中传播的影响研究

宋成杰, 郑艳萍, 纪志星, 赵竹君

2017, 0(8): 10-14.

摘要 ( 84 )

PDF (2036KB) ( 155 )

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运用Lamb波对复杂结构进行结构健康监测时,经常需要对Lamb波传播过程进行有限元仿真,但由于建模大小、复合材料各向异性等原因,会产生较多的边界反射波,从而掩盖损伤波形,因此建立吸收边界抑制反射波的影响就显得尤为重要。使用加入弹簧阻尼器Combin14单元的吸波边界,研究了吸波边界长度、频率、Combin14单元方向等对该吸收边界吸波效果的影响,并通过与传统的阻尼递增吸收边界进行对比,发现频率和吸波边界长度对弹簧阻尼器吸波边界吸波效果均无过大影响,但其吸波边界长度必须大于λ(波长)才会达到最优效果;当Combin14单元设置在沿传播方向时的吸波效果最好;相较于阻尼递增吸波边界,弹簧阻尼器吸波边界的仿真耗时明显减少且在低频段的吸波效果更好。

基于光纤布拉格光栅的复合材料振动性能研究与损伤监测

张春峰, 文晓艳, 张东生, 陈肖

2017, 0(8): 15-19.

摘要 ( 104 )

PDF (1171KB) ( 105 )

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采用光纤布拉格光栅(FBG)对碳纤维增强复合材料(CFRP)的振动性能和损伤类型进行研究。采用落球击打碳纤维增强复合材料悬臂梁自由端,使复合材料悬臂梁产生谐振。通过测量复合材料悬臂梁的谐振频率,计算其阻尼损耗因子,得到无损伤碳纤维复合材料的振动性能。在此基础上,对碳纤维增强复合材料人为引入损伤,利用FBG测量其损伤状态下的谐振频率,依据谐振频率分析判断损伤类型。研究结果可对碳纤维增强复合材料的振动性能研究和损伤监测提供参考。

基于长宽比变化的FRP加固混凝土轴压矩形柱的试验研究

杨志刚, 李晓霞, 刘成强

2017, 0(8): 20-24.

摘要 ( 104 )

PDF (1375KB) ( 83 )

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制作了16根FRP加固混凝土矩形短柱进行轴压试验,按长宽比值不同分成4组,每组4个构件,其中1个未加固,2个无间隙粘贴FRP环向围束加固,1个有间隙粘贴FRP环向围束加固。通过考虑柱截面长宽比、FRP材料类型、粘贴方式等因素的变化,分析探讨了加固前后柱的承载力、延性、破坏形式等。试验表明,长宽比值在提高柱的极限承载力方面影响较大,而在提高柱的延性方面影响较小。根据试验数据对我国混凝土加固规范推荐的公式进行对比,提出了FRP有间隙粘贴环向围束的强度模型。

四点弯曲载荷作用下复合材料分层演化行为探索

郝敏娟, 谢中朋, 岳忠

2017, 0(8): 25-29.

摘要 ( 95 )

PDF (2093KB) ( 141 )

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为探索玻璃纤维增强复合材料在四点弯曲载荷作用下分层演变行为及分层缺陷对复合材料承受负荷能力和服役期限的影响,经过设置相异位置的人为分层缺陷,在万能试验机上对试样实施四点弯曲试验,由声发射记录全过程,并通过试样的撞击累积-时间-幅度历程图、载荷-时间-相对能量历程图、声发射撞击信号定位图等判断复合材料分层损伤的破坏程度。结果表明,接近试件表面的分层缺陷加快了材料破坏扩展进程,分层缺陷所在的位置很大程度地改变了复合材料的弯曲性能,分层缺陷越靠近试件表面,对试件损害力度越大,试件服役能力越差。

树脂混凝土/钢界面剪切的内聚力模型

陈光, 黄莉, 周新伟, 郑立霞

2017, 0(8): 30-35.

摘要 ( 109 )

PDF (2220KB) ( 159 )

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介绍了一种由拉剪试验结合有限元计算得到界面剪切内聚力模型的方法,并从能量释放率的角度验证了该方法的可行性。通过树脂混凝土/钢粘接试样的单侧拉剪试验,得到粘接界面的载荷-加载位移关系图,基于双线性内聚力剪切模型对受拉剪过程的分析得到界面内聚力模型的特征错动位移和最大错动位移的比值,再结合有限元模拟计算拉剪试验过程,得到界面内聚力模型的最大应力和特征错动位移,最后比较了拉剪试验的能量释放率和计算得到的能量释放率,两者相对误差在10%以内,认为计算内聚力的方法是可行的。

复合材料层合板损伤区域扩展全过程分析

陈星杰, 周仕刚, 宫占锋, 罗腾腾

2017, 0(8): 36-41.

摘要 ( 120 )

PDF (3311KB) ( 96 )

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对碳纤维NCF层合板进行了2组准静态压痕试验。第1组采用不同的压头尺寸探究不同压头直径对层合板损伤区域和面积的影响;第2组进行固定压头尺寸的重复试验,使用非接触空气耦合超声波扫描试样损伤情况,研究静压痕力、凹坑深度、损伤面积三者之间的联系。利用Abaqus有限元软件,根据Hashin准则和内聚力单元的结合,对第2组层合板准静态压痕试验进行全过程的损伤扩展分析。分析结果表明,基体拉伸的破坏是层合板最容易出现的破坏,而且其损伤区域涵盖了其他4种损伤区域。凹坑深度与损伤面积存在一定联系,试验开始阶段凹坑增加速度缓慢,损伤面积增加速度较快;接近极限载荷时,凹坑深度增加速度加快,损伤面积增加速度减缓。

考虑胶层的自由型垫高阻尼结构振动特性研究

易少强, 何世平, 王杰

2017, 0(8): 42-47.

摘要 ( 48 )

PDF (1835KB) ( 65 )

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考虑胶层在自由型垫高阻尼结构中传递应力、应变的作用,将胶层等效为各向同性材料,采用ANSYS和MATLAB的联合仿真方法,分析含胶层的自由型垫高阻尼结构振动特性随胶层参数的变化规律。利用模态应变能法和控制变量法得到的结果表明,胶层对结构振动特性起着关键性的作用,因此,选择胶粘剂敷设自由型垫高阻尼结构时,应在保证胶层力学环境良好的前提下,选择满足胶层最佳特性区间的胶粘剂产品。

三维机织复合材料单胞模型各向异性的有限元分析

冯古雨, 曹海建, 周红涛, 卢雪峰

2017, 0(8): 48-52.

摘要 ( 95 )

PDF (2736KB) ( 234 )

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使用三维绘图软件Pro/E绘制出三维浅交弯联机织复合材料数字化结构模型,借助大型有限元分析软件ANSYS模拟单胞模型承受不同方向压缩载荷作用下的力学性能。探究在不同方向的压缩载荷作用下复合材料单胞模型的应力分布情况,并借此分析复合材料单胞模型的各向性能;以承受X方向压缩载荷的单胞模型为例,分析复合材料中纤维与树脂的受力情况。结果表明:三维机织复合材料受到压缩载荷时,表现出明显的各向异性,表现为X方向压缩性能最好,Z方向压缩性能最差;纤维作为主要承载体,承担较多载荷作用,树脂作为次要承载体,承担较少载荷作用。

复合材料波纹褶皱区域损伤变形测量及声发射监测

赵文政, 张燕南, 雒新宇, 庞艳荣

2017, 0(8): 53-60.

摘要 ( 90 )

PDF (6835KB) ( 146 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

对含波纹褶皱缺陷的玻璃纤维单向复合材料进行压缩试验,结合声发射(Acoustic Emission,简称“AE”)和数字图像相关(Digital Image Correlation,简称“DIC”)互补技术,研究复合材料波纹褶皱区域的损伤变形与演化规律。在复合材料试件压缩加载的过程中,采集波纹褶皱区域损伤变形场、应变场信息和实时声发射监测信号,分析复合材料压缩力学响应行为与缺陷区域变形场、应变场以及声发射信号特征之间的对应关系。结果表明:波纹褶皱会严重影响复合材料的力学性能,通过分析声发射信号,发现随着波纹褶皱宽高比减小,复合材料的力学性能呈现降低的趋势;当波纹褶皱宽高比一定时,随着波纹褶皱高度不断增加,复合材料的力学性能呈现降低的趋势。通过DIC测得的应变场与位移场信息,发现对于相同的载荷增量,最大应变呈增加趋势,且波纹褶皱宽高比越大应变增幅越大;越趋近于褶皱中部,水平位移越大,加载方向位移与试件失稳破坏位置有关,接近破坏区域的加载方向位移大。损伤区域位移场和应变场清晰地反映了玻璃纤维复合材料的损伤变形特征。

碱溶液、紫外线及其交叉环境下BFRP筋耐久性能试验研究

王海良, 李长坤, 郭富

2017, 0(8): 61-68.

摘要 ( 86 )

PDF (3437KB) ( 210 )

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为研究直径和腐蚀环境对BFRP筋拉伸力学性能影响,开展了三种直径(6 mm、8 mm、10 mm)BFRP筋试件在自然环境、碱溶液环境(pH=10)、紫外线照射环境(辐照度为550W/m²)及两种腐蚀环境交叉作用下拉伸试验,采用扫描电子显微镜(SEM)对BFRP筋拉伸断裂进行了分析,并对试验结果进行了研究。主要结论如下:三种不同环境作用下,随着腐蚀时间延长,BFRP筋抗拉强度减小且强度退化率逐渐下降,BFRP筋弹性模量上下波动均不超过5%,且无明显规律,断裂伸长率变化趋势与拉伸强度基本相同;紫外线环境下BFRP筋抗拉强度有退化和不完全恢复现象;交叉环境下直径分别为6 mm和8 mm BFRP筋抗拉强度也有退化和不完全恢复现象,10 mm BFRP筋则没有。基于本文所定义的耐久性衰减速率,对直径分别为6 mm和8 mm BFRP筋耐久性的影响,碱环境最大,交叉环境居中,紫外线环境最小;对10 mm BFRP筋耐久性的影响,交叉环境最大,碱环境居中,紫外线环境最小。三种不同环境作用下,直径为6 mm BFRP筋耐久性衰减平均速率均最大,直径为10 mm的测试结果均最小。

胶粘剂性能对复合材料加固损伤钢板性能影响研究

吴健, 张彤彤, 李泓运, 王纬波

2017, 0(8): 69-75.

摘要 ( 94 )

PDF (2464KB) ( 123 )

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以海洋工程中含裂纹钢板为研究对象,通过虚拟裂纹闭合法建立有限元仿真模型,模拟塑性钢板加固前后的承载能力,并分析胶粘剂的剪切强度和延伸率对加固性能的影响。设计相应的加固试验模型,对比经过交变湿热、太阳辐射老化、盐雾等海洋环境试验前后的结构加固性能,并选用适合海洋环境的胶粘剂进行加固方案的优化。研究表明,改变胶粘剂的性能参数对加固结构的屈服点影响不大,但对复合材料加固的极限承载能力影响较大。海洋环境因素可导致胶粘剂的性能下降,选用适合海洋环境的优异胶粘剂后可提高加固的可靠性和耐久性。

玄武岩纤维筋全再生混凝土无腹筋梁受剪性能试验研究

韩定杰, 刘华新, 张志金, 彭长岭

2017, 0(8): 76-82.

摘要 ( 106 )

PDF (1254KB) ( 113 )

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通过4根玄武岩纤维筋与4根钢筋再生混凝土无腹筋梁的受剪试验,研究采用100%粗骨料取代率的再生混凝土梁的裂缝开展、破坏等情况;分析不同纵筋类型下,剪跨比、纵向配筋率和混凝土抗压强度对梁开裂荷载、极限承载力和跨中挠度变化的影响。比较中国规范(GB 50608—2010)、美国规范(ACI 440.1R-06)、加拿大规范(CSA.S 806-12)中规定的计算方法对玄武岩纤维筋再生混凝土梁受剪承载力的适用性。研究结果表明:钢筋再生混凝土梁的受力性能类似于传统的钢筋混凝土梁,而玄武岩纤维筋再生混凝土梁在荷载作用下,裂缝扩展较快且宽度更大;中国规范(GB 50608—2010)对试验梁抗剪承载力的计算值过于保守,美国规范(ACI 440.1R-06)最为接近,加拿大规范(CSA.S 806-12)次之。

2 MW复合材料机舱罩结构优化研究

张建民, 王亚朋, 赵旻旻

2017, 0(8): 83-87.

摘要 ( 72 )

PDF (4241KB) ( 201 )

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由于材料的各向异性,与金属材料相比,玻纤增强复合材料可以通过相应的设计来更好地发挥其优势性能,复合材料机舱罩就是典型的例子。现有的机舱罩结构分析,多数只是对其承载力的检验。根据GL2010标准,利用SolidWorks建立机舱罩模型,在ANSYS中对其进行刚度和强度分析。根据分析结果,综合考虑制造的限制条件,如加强筋位置、分块、成本等因素,对加强筋的尺寸和整体蒙皮的厚度进行优化。优化后的分析结果表明,考虑制造限制条件的优化分析可以更好地满足工程对刚度的要求,是值得推荐的方法。

准静态压痕作用下复合材料层合板损伤阻抗与损伤容限实验研究

张维, 李文晓, 万春华

2017, 0(8): 88-91.

摘要 ( 124 )

PDF (1015KB) ( 123 )

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参照标准实验方法,开展了复合材料层合板对准静态压痕力的损伤阻抗和损伤容限实验研究,获取了接触力、压痕深度、压头位移等实验数据,并对含静压痕损伤层合板进行了剩余压缩强度试验。研究了压痕深度-接触力与剩余压缩强度-压痕深度的变化关系,并讨论了准静态压痕过程中的损伤演变过程和层合板的压缩破坏模式。结果表明:当层合板表面出现目视勉强可见压痕时,初始损伤发生,压痕深度随接触力增大而明显增大,同时剩余压缩强度随压痕深度增加而明显降低;当达到最大接触力时,层合板失去承载能力,背面可看到大量纤维断裂。对于含静压痕损伤的层合板,压缩破坏模式为贯穿损伤区域的层合板断裂。

二种海上风电叶片用环氧结构胶性能研究

吴海亮

2017, 0(8): 92-96.

摘要 ( 120 )

PDF (1109KB) ( 207 )

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简要介绍了国内外海上风电发展概况及趋势,借助流变仪、万能试验机及DSC等检测设备,对国内外两款代表性品牌环氧结构胶粘剂进行流变性、放热特性、玻璃化转变温度、力学性能及耐盐水性能的对比测试,其检测结果表明二者不但性能相近,且均满足国际标准IEC61400-23《风力发电机组转子叶片的全尺寸比例结构试验》、国家标准GB/T 25383—2010《风力发电机组风轮叶片》及德国劳氏船级社(GL)出版的风力发电机组叶片材料技术规范所提出的对叶片设计使用寿命不少于20年的耐久性和通用性技术要求。

RTM用环氧树脂流变性能与固化性能分析

朱秀迪, 王力杰, 孙超明, 彭飞

2017, 0(8): 97-101.

摘要 ( 128 )

PDF (2486KB) ( 144 )

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制备了R2511、R2512两种RTM环氧树脂体系,研究了其工艺性能、固化性能及力学性能,分析表明:两种树脂体系均具有适宜的低粘度操作窗口,R2511树脂体系的最佳工艺区间为40～50 ℃,R2512树脂体系的最佳工艺区间为常温灌注;R2511树脂体系活化能为72 kJ/mol,R2512树脂体系活化能较低,为62 kJ/mol;R2512树脂体系整体力学性能优于R2511树脂体系;两种树脂适用于不同的温度体系。

二维编织理论研究进展

张爽, 吴晓青, 程勇

2017, 0(8): 102-109.

摘要 ( 82 )

PDF (8868KB) ( 345 )

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一方面从运动学法和有限元法两个角度综述了二维编织工艺理论的研究进展,另一方面总结了纤维束假设截面椭圆形、透镜形、扁平六边形的研究过程,对各种方法建立的二维二轴编织结构和三轴编织结构的单胞研究进行了综述。最后对研究建立单胞时需要考虑的问题提出了建议。

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