复合材料科学与工程

宋广舒, 郑艳萍, 赵江铭

2017, 0(4): 5-10.

摘要 ( 91 )

PDF (3733KB) ( 125 )

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基于三维渐进损伤理论,引入Tserpes失效准则及其改进的材料性能退化准则,建立复合材料沉头搭接结构的有限元模型。在试验验证数值仿真模型正确性的基础上,探讨了端距、板宽及拧紧力矩对接头强度的影响,并对搭接接头从初始损伤到最终失效的过程进行可视化模拟。结果表明,端径比由2到4、宽径比由3到5、拧紧力矩由0到5.9 N·m的过程中,接头强度明显增强,超过上述范围,强度增加不明显或不再增加。在静拉伸过程中,2号钉孔处复合材料板的损伤程度要比1号钉孔处严重,且2号钉孔的损伤扩展导致接头最终失效;90°铺层最先产生损伤,其类型主要为基体开裂,0°铺层损伤情况最弱,±45°铺层沿着-45°方向产生基体开裂,随后沿板宽方向产生大量纤维断裂。

基于变活化能模型的T800/环氧树脂预浸料固化反应动力学研究

殷锐, 湛利华, 李树健

2017, 0(4): 11-16.

摘要 ( 96 )

PDF (1147KB) ( 140 )

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为了深入了解某新型高温固化T800/环氧树脂预浸料的固化行为,借助差示扫描量热仪(DSC),采用非等温DSC法研究了T800/环氧树脂预浸料的固化反应过程。基于唯象模型,系统研究了该预浸料的固化反应特征温度及固化动力学参数,确定该预浸料中环氧树脂的固化反应动力学模型为自催化模型。采用等转化率法,分析了预浸料中环氧树脂的反应活化能随固化度的变化情况,结果表明在整个固化反应过程中,树脂固化反应活化能变化较大,传统模型法基于全固化过程活化能不变的假设无法准确描述该固化反应。采用变活化能自催化模型,利用粒子群全局优化算法,得到了T800/环氧树脂预浸料的固化动力学方程,结果表明该模型能较好地描述实验现象,可为进一步研究该预浸料的热力学性能及其成型过程中的质量控制提供理论基础。

基于有限元的四旋翼无人机碳纤维结构优化设计与固有模态分析

刘峰, 高鸿渐, 喻辉, 代海亮

2017, 0(4): 17-23.

摘要 ( 115 )

PDF (6653KB) ( 282 )

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根据消费级四旋翼无人机性能要求,设计了一款质量轻、强度高、航时长、构型简洁的全碳纤维结构消费级四旋翼无人机。建立了四旋翼无人机结构有限元模型,对额定载荷下无人机的结构应力进行了分析。基于最大应力强度准则,对无人机结构强度进行了校核。分析了结构的稳定性,计算了初始结构失稳临界载荷和失稳模态。基于最小重量要求对无人机初始结构的碳纤维铺层进行了优化设计。对优化后的结构进行了固有振动分析,给出了结构的前四阶固有频率和振动模态。优化后的结构在2 g过载下,极限载荷是最大使用载荷的2.57倍,失稳临界载荷是最大载荷的2.09倍,满足设计目标和要求。优化后的结构重量减少了21%,降低为108.6 g,有效载荷约为机体结构重量的3倍。

基于ANSYS ACP的复合材料潜水器结构设计

杨卓懿, 宋磊

2017, 0(4): 24-28.

摘要 ( 109 )

PDF (1542KB) ( 237 )

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基于ANSYS Composite Prep/Post复合材料分析模块研究了潜水器在起吊工况下的结构强度。采用Hill-Tsai强度理论和Tsai-Wu强度理论,对比了两种不同失效准则下的潜水器结构失效形式。对潜水器不同结构区域处碳纤维编织材料的铺层数量进行参数化设置,结合试验设计方法,用合理有效的计算样本得到了复合材料潜水器载体结构的最优设计方案。文中采用的复合材料结构有限元计算与试验设计相结合的方法,对于复合材料工程结构的直接优化具有一定的参考价值。

胶接面纤维铺层角度对复合材料胶接应力和强度影响分析

彭海俊, 秦志文, 王继辉, 杨科

2017, 0(4): 29-34.

摘要 ( 50 )

PDF (2544KB) ( 109 )

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为研究复合材料胶接面铺层对接头强度的影响,以单搭接接头为研究对象,通过铺层设计使接头的被粘物具有相同的拉伸模量和弯曲模量,但胶接面的铺层角度不同,使用有限元法对不同铺层的接头进行建模,分析接头胶接面和胶层的应力,引入Tsai-Wu失效因子对胶接面铺层进行评估。结果表明:胶接面铺层角度对应力分布有一定影响,0°胶接面会造成较大的胶层应力,但胶接面的应力和失效因子较小;90°铺层下胶层应力最小,但胶接面的应力和失效因子水平较高;45°下胶接面的失效因子和胶层应力水平介于两者之间。通过与实验结果对比,得出了胶接面铺层角度影响接头强度及破坏模式的一般性规律。

高超声速再入热环境下防热复合材料烧蚀传热计算及影响因素分析

杨驰, 刘娜, 孔维萱, 张利嵩

2017, 0(4): 35-41.

摘要 ( 85 )

PDF (1859KB) ( 127 )

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为满足高超声速飞行器防热设计中对烧蚀温度场的计算要求,建立了适用于高超声速飞行器防热复合材料的烧蚀传热计算方法,通过算例将烧蚀温度场计算结果与简化模型和试验结果进行了对比,验证了计算方法的合理性。进而运用该方法分析了长时间中低热流加热和短时间高热流加热两种特定热环境下的热导率、密度、表面发射率、动态热解等因素对烧蚀传热的影响规律。结果表明各个因素对烧蚀传热行为的影响程度不同。其中热导率对防热材料内部温度的影响最大,表面发射率对材料表面温度的影响较大,对内部温度的影响程度与时间相关;热解动力学参数中活化能对材料内部温度有一定的影响;活化能和热导率对材料热解碳化过程的影响较为显著。研究结果为烧蚀传热计算精度的进一步提高提供了参考价值。

先进拉挤工艺下工字梁固化温度场的二维数值模拟

迟建涛, 肖军, 齐俊伟

2017, 0(4): 42-48.

摘要 ( 105 )

PDF (1463KB) ( 94 )

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碳纤维增强复合材料在固化成型过程中,其温度与固化度的变化历程具有强耦合关系,以含有非线性内热源的瞬态热传导方程为基础,利用有限容积法编写了计算程序,研究了以T300/环氧预浸料为材料的某复合材料工字形地板梁在先进拉挤工艺下的温度、固化度的变化历程。结果表明:该工字形地板梁在厚度为5.9 mm时,固化过程中的温度场和固化度场基本可以认为是均匀的,其厚度不会对固化质量产生较大影响;当该工字梁的厚度达到11 mm时,制件最高温度比模具温度高出了10.7 ℃,这时制件厚度已对制件的固化质量产生较大影响。

湿热环境下泡桐木复合材料夹芯结构Ⅰ型界面剥离试验研究

赵鹏飞, 方园, 刘伟庆, 徐丹洋

2017, 0(4): 49-53.

摘要 ( 86 )

PDF (1289KB) ( 99 )

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采用人工加速老化的方法模拟湿热环境,通过泡桐木玻璃纤维增强复合材料夹芯结构的双悬臂梁拉伸剥离试验,研究湿热环境对玻璃纤维增强复合材料(GFRP)面板和泡桐木芯材的粘结性能的影响。试验结果表明,90 d湿热加速老化后泡桐木复合材料夹芯结构的能量释放率下降了32.3%,芯材泡桐木顺纹抗拉强度下降了11.6%,GFRP面板拉伸模量下降了11.0%。

复合板料摆碾铆接、胶接和混合连接性能研究

黄志超, 冯佳, 张永超

2017, 0(4): 54-59.

摘要 ( 72 )

PDF (1515KB) ( 180 )

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使用摆碾铆接、胶接和摆碾-胶接混合连接技术对玻璃纤维增强树脂基复合材料进行连接,通过拉伸试验检测该连接方式下的静强度。比较了不同连接方式的连接效果,分析了胶接时间、有无垫圈、多铆钉对连接强度的影响。实验表明摆碾-胶接混合连接能够有效提高连接件强度;垫圈对抗拉伸性能影响最大,加垫圈试件承载能力可显著提升29.46%;在一定时间范围内,胶接时间的延长可以大幅度提高连接件的静强度;然而与拉伸方向一致的双铆钉使用不能提升板料拉伸性能。

光固化ES/CEP共混物及其复合材料力学性能研究

余周辉, 赵培仲, 胡芳友

2017, 0(4): 60-65.

摘要 ( 92 )

PDF (1237KB) ( 111 )

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设计了不同质量比的有机硅环氧树脂/脂环族环氧树脂(ES/CEP)共混物,采用光固化技术,分别制备了ES/CEP共混物试样(EP)、玻璃纤维增强复合材料(GF/ES-CEP)以及GF/ES-CEP复合材料为补片的粘接修理铝合金试样,重点研究了有机硅环氧树脂(ES)的质量分数对试样拉伸力学性能的影响。结果表明:CEP添加ES、EP的抗拉强度有逐渐降低的趋势,延伸率则先增加后下降,EP的力学性能在加入15%的ES时达到最佳;GF/ES-CEP复合材料抗拉强度和延伸率则随ES比例的增加先上升后下降。以GF/ES-CEP复合材料为补片的复合材料粘接修理铝合金试样主要发生胶层与损伤结构界面的剥离破坏,表明复合材料力学性能优于界面力学性能。水浴处理后,GF/ES-CEP复合材料修理铝合金试样的力学性能有明显下降,加入适量有机硅树脂可以提高修复试样的耐湿热性能。

酚醛树脂对玻璃纤维的浸润性研究

毛雅赛, 潘巧, 王文杰, 杨克伦

2017, 0(4): 66-69.

摘要 ( 102 )

PDF (920KB) ( 178 )

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为研究酚醛树脂对玻纤的浸润性能,更好地指导实际生产,考察了两种酚醛树脂和三种玻璃纤维。通过添加稀释剂和分散剂改变树脂体系的表面张力、粘度和树脂对玻纤的动态接触角,采用靶环试验测试了多种树脂体系对三种玻纤的浸润速率,筛选出浸润性能最好的树脂体系和玻璃纤维。研究表明,表面张力越低,粘度越小,树脂与玻纤的动态接触角越小,越有利于提高树脂对玻纤的浸润效果。

RTM碳纤维复合材料宏观缺陷超声表征及分析

陆铭慧, 王俊东, 张毅萍, 李沛芮

2017, 0(4): 70-74.

摘要 ( 85 )

PDF (5778KB) ( 168 )

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以RTM碳纤维复合材料为研究对象,通过超声特征扫描成像系统对大量试样进行检测,由理论可知,超声波的反射特性会随着宏观缺陷类型的不同而不同。首先从理论上分析各缺陷的反射特性,然后找出不同的宏观自然缺陷,归纳总结各种缺陷对应的图像特点,再采取破坏方法对试样进行切割、打磨,通过显微镜观察不同缺陷形貌特征。结果表明,超声特征扫描成像系统可以检测并分辨出不同的宏观缺陷,通过观察缺陷金相图可知不同类型缺陷形貌特征也各不相同,为RTM碳纤维复合材料宏观缺陷检测及形貌研究提供了一种可行方案。

碳纤维传动轴胶接胶层应力均匀化分析

王晓光, 任庆, 张锦光

2017, 0(4): 75-79.

摘要 ( 72 )

PDF (1687KB) ( 123 )

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碳纤维传动轴胶接联接在传递载荷时,会出现端部胶层应力大、中间应力小的现象,这种现象会使胶接接头的胶层首先从端部破坏,影响联接性能。从应变角度阐述胶接胶层应力曲线规律,说明了影响胶层应力分布的因素有胶层内、外周向变形量和胶层厚度,提出几种胶接胶层应力均匀化方法,并用有限元分析方法进行了验证。结果表明:①增加胶层厚度可以使胶层应力均匀化,但均匀化程度不明显,且在工程中会增加胶层缺陷;②采用变胶层厚度的鼓形结构胶接能够使胶层应力均匀化明显,最后指出影响鼓形胶接胶层应力均匀化的因素有变厚度胶层长度L、胶层的最大厚度H。

基于MSC软件对含损伤的复合材料性能评估与修补研究

王克选, 王婷婷, 王德鑫, 宋军

2017, 0(4): 80-84.

摘要 ( 89 )

PDF (2701KB) ( 97 )

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基于MSC软件建立了完好、损伤以及修补三种类型复合材料层合板的有限元模型,预估三种类型层合板的强度,通过分析不同修补角度下层合板的强度值,得到较合理的修补角度参数。通过拉伸试验分别确定完好、损伤和修补的层合板试验件强度并与仿真分析结果比较。结果表明,数值模拟强度值与实验值吻合度较好,建立的仿真模型有效地预测了不同修补角度层合板的剩余强度。

复合材料单钉搭接单剪与双剪的挤压破坏试验研究

卢智先, 拓宏亮, 刘斌

2017, 0(4): 85-89.

摘要 ( 78 )

PDF (2524KB) ( 176 )

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复合材料机械连接在航空结构中应用广泛,在受力过程中,挤压破坏为主要关注的破坏模式。对于复合材料单钉连接结构,单剪有面外弯曲存在,双剪可视为孔边纯挤压受力模式。采用试验的方法,研究了相同孔径、厚度及铺层的单钉单剪与单钉双剪的破坏模式、挤压变形及屈服和挤压强度,发现单剪形式的二次面外弯曲对强度及变形影响大,双剪结构大幅提高了复合材料机械连接结构的屈服强度和挤压强度。在不改变铺层比例的前提下,通过改变铺层数量,探讨了层合板厚度对单钉单剪受力及破坏的影响,发现层合板的厚度增厚对单钉单剪的屈服及挤压强度提高不显著。

T700/3234预浸料自动铺带工艺研究

何凯, 龚志红, 徐恒元, 文友谊

2017, 0(4): 90-93.

摘要 ( 98 )

PDF (1010KB) ( 172 )

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通过研究自动铺带设定温度对预浸料粘性的影响以及自动铺带橡胶辊压力和带间间隙对层压板性能的影响,讨论了T700/3234单向环氧预浸料自动铺带工艺特性,确定了T700/3234的自动铺带工艺参数,满足了大型复合材料壁板类产品的制造要求。

呋喃/环氧/胺类固化剂共混体系的固化反应机理及性能研究

曹妮, 王智, 杜瑞奎, 刘亚青

2017, 0(4): 94-98.

摘要 ( 89 )

PDF (6030KB) ( 308 )

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采用溶液法制备了呋喃/环氧树脂/胺类固化剂的共混物。采用粘度测试仪、DSC、FT-IR、力学测试仪、SEM对共混体系的加工性、固化反应机理及固化后样品的力学性能及机理进行了研究。研究结果揭示了共混体系的固化反应机理,发现在共混体系中呋喃树脂与部分环氧树脂可以在180 ℃附近反应,剩余部分环氧树脂需要在更高的温度下才能进一步完全反应。共混体系具有优异的力学性能,且随着共混体系中环氧树脂含量的增多在逐渐升高,其中弯曲强度最高达到113 MPa,弯曲模量最高达到4129 MPa,冲击强度最高达到19.1 kJ/m²。对冲击断口形貌进行观察,发现共混体系浇铸体具有相分离结构是性能优异的主要原因。

碳纤维复合材料激光切割综述

章辰, 袁根福, 丛启东

2017, 0(4): 99-103.

摘要 ( 81 )

PDF (6182KB) ( 107 )

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综述了激光切割碳纤维复合材料的国内外研究进展,阐述了激光切割碳纤维复合材料的特点、表面质量及其影响因素,总结了激光切割碳纤维复合材料的表面质量的研究进展,最后对激光切割碳纤维复合材料的发展趋势进行了展望。

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