复合材料科学与工程

丁国平,朱勇,代子伦,谭建

2017, 0(11): 5-11.

摘要 ( 105 )

PDF (822KB) ( 148 )

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结合复合材料经典层合板理论和折板理论建立一种适用于碳纤维复合材料箱形梁初始破坏载荷的理论计算方法。应用该方法分别对【0₄/±45/0₄】、【0₂/±45/0₂/±45/0₂】和【±45/0₂/±45/0₂/±45】三种铺层方案的箱形梁进行初始破坏载荷计算,得出其初始破坏载荷值。同时使用DNS100电子万能试验机对复合材料箱形梁三种铺层方案的试件进行三点弯曲实验。比较复合材料箱形梁初始破坏载荷的理论计算值与实验值,三种铺层方案的箱形梁理论计算误差小于4%。研究结果表明:本文建立的复合材料箱形梁初始破坏载荷的理论计算方法是正确的;复合材料箱形梁的0°铺层比例越高,箱形梁的初始破坏载荷越高。

含初始脱粘缺陷复合材料加筋壁板渐进压溃过程的数值模拟

邹华民,崔向斌,任明法,常鑫

2017, 0(11): 12-18.

摘要 ( 112 )

PDF (836KB) ( 127 )

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建立了预测含初始脱粘缺陷复合材料加筋壁板渐进压溃响应的数值分析模型。该模型综合考虑了复合材料层合板的纤维失效、基体失效和纤维-基体剪切失效三种典型的面内损伤模式,并通过编写用户自定义材料子程序VUMAT实现面内失效类型的判断和相应材料性能的折减;在壁板和筋条连接界面应用虚裂纹闭合技术(VCCT)计算层间裂纹前缘的应变能释放率,并结合B-K混合模式准则控制缺陷的起裂以模拟脱粘的扩展演化过程;采用显式动力学方法准静态分析结构在压缩载荷下的屈曲、后屈曲直至最终压溃的响应过程。数值分析结果与文献试验、数值结果吻合良好,验证了模型的合理性和有效性,并详细研究了复合材料脱粘加筋壁板的损伤演化过程和渐进压溃行为。

聚酰胺与乙二醇二缩水甘油醚对环氧树脂体系力学性能和阻尼性能的影响

李丰恺,邓安仲,戎翔,陈科

2017, 0(11): 19-24.

摘要 ( 117 )

PDF (806KB) ( 214 )

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为了设计出具备一定力学强度,施工性能良好、阻尼内耗较高的环氧树脂体系,首先研究了低分子固化剂聚酰胺含量对环氧树脂交联密度,力学性能以及阻尼性能的影响,然后添加活性稀释剂乙二醇二缩水甘油醚,探讨了乙二醇二缩水甘油醚对环氧树脂体系粘度、力学和阻尼性能的影响,并分析了交联密度对树脂性能的影响规律。研究表明,随着聚酰胺和活性稀释剂含量的增加,树脂固化物交联度减小,抗压强度和拉伸强度下降,断裂伸长率升高,T_g向低温转移。聚酰胺与环氧树脂配比在1∶1时,阻尼损耗峰值最大。随着活性稀释剂含量的增加,环氧体系损耗峰先升高后降低,在含量为20%时,阻尼性能达到最佳。

多向受力状态下复合材料预紧力齿连接接头应力分析

晏孝强,刘亚文,赵启林,李飞

2017, 0(11): 25-31.

摘要 ( 78 )

PDF (835KB) ( 263 )

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为了探究复合材料空间桁架桥中关键节点预紧力齿连接接头在多向受力状态下的应力分布,对复合材料空间桁架桥建立多尺度有限元模型。该多尺度模型不仅可以同时获得桁架桥整体结构性能与局部接头应力状态,还可以有效反映两者的相互作用关系。通过该模型,对接头在多向受力状态下的应力分布展开研究,研究表明:预紧力齿接头受力之后,齿面正应力较过盈装配完成时有5 MPa以内的衰减;且多向受力接头较单向受力接头衰减缓和,衰减后多向受力接头齿面正应力略高于单向受力接头齿面正应力;多向受力接头各齿荷载分配比例与单向受力基本一致,均为两侧高中间低;多向受力接头复合材料管横向剪切应力较单向受力接头有一定增大,但最不利荷载工况下的横向剪切应力为15.7 MPa,远小于材料横向剪切强度,接头处于安全状态。所得结果可为复合材料预紧力齿接头设计提供参考依据。

聚甲基丙烯酰亚胺树脂的分子结构研究

李小川,李克迪,孟佳丽,胡爱军

2017, 0(11): 32-36.

摘要 ( 113 )

PDF (777KB) ( 288 )

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以聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫分子结构为研究对象,通过对其原位加热的傅里叶变换红外(FR-IR)分析,发现样品Cascell IH型PMI泡沫预聚物在160 ℃/2 h处理条件下,-COOH与-CN基团就开始发生亚胺化反应;200 ℃/2 h处理后,-NH伸缩振动的峰型和峰面积不再发生改变,-C=N伸缩振动峰出现;通过碳核磁谱图分析发现,Cascell IH泡沫预聚物不存在相邻的-COOH;结果说明Cascell IH泡沫预聚物经过高温处理后只会发生成环的亚胺化反应和形成梯形的环化反应。通过激光光散射(LLS)和凝胶渗透色谱仪(GPC)测定Cascell IH分子量与分布,结果显示都出现双峰,表明Cascell IH泡沫预聚物的分子量较大且分布较宽,符合自由基共聚合的特点。

轻质环氧基复合材料隔热性能的实验与数值研究

杨晓翔,朱清帅,鲍睿,晏石林

2017, 0(11): 37-42.

摘要 ( 76 )

PDF (817KB) ( 142 )

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通过实验和数值模拟方法研究了空心玻璃微球/环氧树脂复合材料隔热性能。首先使用ANSYS/APDL建立代表性体积单元,探讨了模拟过程中模型尺寸、填料体积分数、填料平均粒径及基体与填料导热系数之比(λ_m/λ_p,λ_m保持不变)对复合材料导热系数的影响。数值研究结果表明:当代表性体积单元尺寸大于500 μm时,模型尺寸对复合材料导热系数的计算结果影响较小;复合材料导热系数随填料体积分数和λ_m/λ_p的增大而减小,且基本不受填料粒径影响。其次,将复合材料导热系数实验值和计算结果进行对比,比较发现导热系数计算结果和实验值及Agari模型理论值吻合较好,证明了计算方法的可靠性。同时,空心玻璃微球的掺入有效地降低了树脂的密度。轻质隔热的空心玻璃微球/环氧树脂复合材料有潜力成为一种具有广泛应用前景的节能环保材料。

复合材料防撞护舷结构设计与应用

闫盖,方明霞

2017, 0(11): 43-49.

摘要 ( 143 )

PDF (866KB) ( 222 )

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以复合材料防撞护舷为研究对象,采用有限元法对不同船艏形状的船桥碰撞动力学特性进行研究,为桥梁防撞护舷结构的合理设计提供理论依据。首先通过对防撞护舷试样的碰撞试验与有限元计算结果进行对比,来完善防撞护舷的有限元模型;然后设计了D型和L型防撞护舷,并在ANSYS/LS-DYNA软件平台上对1000 t楔形船艏船、3000 t球鼻形船艏船与两种结构型式防撞护舷的碰撞特性进行仿真模拟,获得了碰撞过程中碰撞力、变形能及撞深等时域响应特性。通过比较两种护舷结构型式对船艏形状不同的适应性,发现D型护舷对楔形船艏船防护效果较好,对球鼻形船艏船防护不起作用;L型护舷对两种形状船艏船消能效果均较好,起到了保护桥梁和船舶的作用。在实际工程中需考虑多种因素的影响,综合比较后选用最为合理的防撞护舷结构型式。目前L型防撞护舷已应用于港珠澳大桥桥墩的防护工程中,有效地解决了船桥碰撞带来的破坏风险,为复合材料防撞护舷的推广使用提供了重要的指导作用。

玻璃纤维增强树脂基复合材料碾铆-粘接接头老化和腐蚀性能研究

黄志超,何俊华,冯佳

2017, 0(11): 50-55.

摘要 ( 100 )

PDF (798KB) ( 166 )

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主要对玻璃纤维增强树脂基复合材料碾铆-粘接接头进行了老化和腐蚀试验,通过静拉伸测试,分析了温度和腐蚀介质对混合连接接头力学性能的影响。结果表明:同温下,粘接层失效时的峰值载荷会随保温时间的增加而减小;同保温时间下,粘接层失效时的峰值载荷会随温度的增加而减小;在5%NaCl溶液中腐蚀时,连接件的抗拉伸性能受腐蚀时间延长的影响比较小;而在5%NaOH溶液和5%HNO₃溶液中腐蚀时,连接件的抗拉伸性能受到的影响比较大,样件的峰值载荷下降比较明显。试样的失效主要分为胶层失效和铆钉拉脱失效两个阶段。

T700碳纤维/环氧树脂复合材料热降解实验研究

金鑫,隋刚,杨小平

2017, 0(11): 56-61.

摘要 ( 181 )

PDF (870KB) ( 228 )

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针对T700碳纤维增强环氧树脂复合材料的热降解行为以及回收所得碳纤维的力学性能进行了研究。研究结果表明,碳纤维的存在增加了环氧树脂降解时所需的活化能,热降解反应的温度、时间和气氛等因素对环氧树脂基体降解效果以及回收碳纤维力学性能均有影响。在空气条件下500 ℃处理30 min后碳纤维表面没有残留物,但其回收纤维的拉伸强度保留率仅为77.6%。通过首先在氮气气氛高温短时热处理,再在空气气氛下450 ℃进行30 min热降解的两步法处理后,碳纤维表面残炭得到去除,回收碳纤维的拉伸强度保留率达到了90.4%,由其制备单向复合材料的层间剪切强度保留率可达到75.8%。

聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫夹芯复合材料的滚筒剥离性能研究

毛敏梁,彭昆,郑翻番,方勇

2017, 0(11): 62-65.

摘要 ( 107 )

PDF (753KB) ( 168 )

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系统研究了泡沫密度、泡孔孔径、成型方式、芯材或蒙皮表面的糙化处理对聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫夹芯复合材料剥离强度性能的影响。研究结果表明,泡沫密度、泡孔孔径、成型方式和表面糙化对PMI夹芯复合材料的剥离强度提高均有明显作用,其中以泡沫密度和泡孔孔径影响最为显著,分别提高了157%和95%。本研究内容对如何提高PMI泡沫夹芯复合材料的剥离强度具有很好的工艺指导作用。

基于室内试验的公路FRPM管涵洞有限元分析

陈兆南,魏连雨,张济源,裴亚男

2017, 0(11): 66-71.

摘要 ( 140 )

PDF (849KB) ( 118 )

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为深入研究玻璃钢夹砂管涵洞的力学特性,基于室内试验结果和工程实际,借助ABAQUS建立有限元分析模型,选取室内试验中两种工况的试验结果与数值模拟进行对比分析。结果表明,有侧限环向应变模拟结果与实测值非常接近,验证了数值模拟的正确性,无侧限埋地玻璃钢夹砂管道与室内有侧限试验模型结果具有相同的受力变化形式,当管涵的竖向变形达到直径的5%时,管顶上端填土高度为50 cm、70 cm条件下对应的极限承载力分别为66 t和71 t,为玻璃钢夹砂管涵的公路推广应用提供了重要的理论基础。

碱性环境下不同基体材料GFRP筋的拉伸性能试验研究

胡绍峰,李明,张砚达,肖海苑

2017, 0(11): 72-76.

摘要 ( 118 )

PDF (753KB) ( 125 )

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玻璃纤维增强聚合物(Glass Fiber Reinforced Polymer,简称“GFRP”)筋作为一种替代钢筋的新型建筑材料已在混凝土结构中开始使用,研究在模拟混凝土的碱性溶液中,不同基体材料的GFRP筋在90 d浸泡周期内的腐蚀机理、破坏机理及拉伸强度、弹性模量等拉伸力学性能的变化规律。试验结果表明:两种基体材料GFRP筋的典型破坏形式大致相同,均为丝束状炸开的脆性破坏;基体材料为不饱和聚酯树脂基的GFRP筋的拉伸强度会不断降低,弹性模量前期稍有增长,后期也不断降低,最终浸泡周期达到90 d时,其拉伸强度和弹性模量的衰减均低于标准的最低要求;基体材料为乙烯基酯树脂的GFRP筋的拉伸强度会不断降低,但衰减速率要低于基体材料为不饱和聚酯树脂的GFRP筋,而弹性模量变化并不明显,最终浸泡周期达到90 d时,抗拉强度和弹性模量均满足标准规定的最低要求。

水溶性芯模在VARI成型工艺中的应用研究

罗浩,陶红波,鲁先孝,郭万涛

2017, 0(11): 77-79.

摘要 ( 136 )

PDF (724KB) ( 184 )

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制备了一种低成本易成型的水溶性芯模,对其成型收缩率、压缩性能、水溶性及气密性进行了研究,结果表明采用石英砂制备的可溶性芯模成型前后具有良好的尺寸稳定性,在室温至120 ℃区间内压缩强度均高于3 MPa,浸泡在常温水溶液中1 min内能够快速溃散至砂粒状态,经表面封孔处理后能够达到VARI成型工艺对模具的气密性要求。通过在填充可溶性芯模的中空金属框表面进行VARI工艺验证试验,表明制备的水溶性芯模能够作为VARI工艺模具使用,且脱模简单方便,对制品表观质量基本没有影响,具有良好的应用前景。

复合材料声呐导流罩铺层的遗传算法优化设计

武佳男,倪爱清,杨斌,王继辉

2017, 0(11): 80-85.

摘要 ( 102 )

PDF (807KB) ( 163 )

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以复合材料力学经典层合板理论为基础,利用MATLAB编程联合ANSYS有限元分析,建立了复合材料声呐导流罩铺层结构优化平台。首先对单向载荷下的层合板铺层结构进行优化,并和实验结果相比较,验证了该优化平台的有效性。结果表明,优化后的层合板强度有了较大提高。在此基础之上,根据水下实际载荷工况,对声呐导流罩的铺层进行了优化设计,并利用ANSYS有限元分析对优化后的铺层进行应力应变分析。结果表明,声呐导流罩强度性能显著提高,实现了声呐导流罩铺层的优化设计。

风电叶片用胶粘剂剪切疲劳性能和蠕变性能分析

武莉萍,金晓晨,刘卫生

2017, 0(11): 86-88.

摘要 ( 96 )

PDF (826KB) ( 161 )

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简述了胶粘剂在风电叶片中的重要性,风电叶片大多采用环氧胶粘剂。从叶片的设计需求角度,对比测试了国产胶粘剂和进口胶粘剂的玻璃化转变温度、剪切疲劳和蠕变性能,并对两种胶粘剂的粘接断面进行形貌扫描,简单分析得出:进口胶粘剂的粘接断面是比较典型的韧性断裂,国产胶粘剂的粘接断面呈现韧性和脆性结合体;提高胶粘剂的韧性,并不断改良增韧体系和环氧树脂基体的相容性是国产胶粘剂亟待解决的问题。

碳纤维增强铝合金层合板拉伸性能研究

袁斌,黄亚新,林渊,徐若航

2017, 0(11): 89-94.

摘要 ( 99 )

PDF (791KB) ( 153 )

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采用试验方法与理论分析相结合,对两种不同纤维铺层结构的碳纤维增强铝合金层合板(CARALL)开孔前后的拉伸性能进行了比较研究,得出了开孔前后不同纤维铺层结构的层合板拉伸性能变化规律,并给出了作为拉伸构件的碳纤维铺层结构建议,提出了应用金属体积分数理论和点应力准则预测层合板开孔前后拉伸性能的方法。

复合材料/金属胶接结构研究进展及发展趋势

王树鑫,尚新龙,鞠苏,江大志

2017, 0(11): 95-100.

摘要 ( 105 )

PDF (789KB) ( 221 )

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胶接连接应用日渐广泛,特别是在汽车和航空航天等结构领域。首先分析了复合材料/金属胶接连接方式的特点,重点介绍了接头中的次弯曲效应、异质材料间刚度与热膨胀系数的不匹配特性以及载荷传递特性。然后总结了提高胶接接头强度的研究进展,主要包括增大胶接长度和宽度、选择胶黏剂、表面处理、增加胶瘤和被粘合物形状的设计等方面。最后对胶接接头的发展趋势进行了展望。

自动铺丝技术及其在飞机复合材料构件制造中的应用

闫超,陈萍

2017, 0(11): 101-105.

摘要 ( 97 )

PDF (747KB) ( 541 )

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自动铺丝技术作为一种先进的自动化制造技术,以其更大的铺放灵活性和更低的废料率,应用范围日益广泛,也极大地拓宽了复合材料的应用范围。介绍了自动铺丝技术的材料、工艺、软件,以及在飞机复合材料结构件制造中的应用现状,预测了该技术的未来发展趋势。

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