复合材料科学与工程

周帆,祖磊,李书欣

2017, 0(12): 5-13.

摘要 ( 255 )

PDF (3886KB) ( 301 )

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表贴式高速永磁电机转子的永磁体不能承受高速旋转时产生的离心力,为此研究了一种特殊的大张力环向缠绕碳纤维护套,由于缠绕时张力的施加,这种碳纤维护套会在永磁体外表面形成一定的预压力,从而保护永磁体在高速旋转时不被离心力破坏。基于弹性力学相关理论,提出了计算缠绕张力作用下纤维层应力分布及其对永磁体预压力的方法。通过不同张力缠绕实验确定碳纤维缠绕工艺极限张力,以此为基础,分别采用解析法和有限元法计算了不同张力制度下的纤维层剩余应力,并在大张力缠绕电机转子实验中测试了纤维层提供的预压力。结果表明,解析法能较为准确地预测出碳纤维缠绕层的应力分布情况及其对永磁体的压紧力,且解析结果和有限元的误差很小,和实验测试结果的误差在可接受范围之内,所提出的大张力环向缠绕碳纤维护套可以满足永磁电机转子高速旋转的要求。

碳纤维多层角联织机多经轴送经机构经纱张力计算及控制算法

卢绪凤,杨建成

2017, 0(12): 14-18.

摘要 ( 127 )

PDF (1940KB) ( 223 )

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新型多层碳纤维角联织机可织造立体织物,特别是当织造30层角联织物时,经纱纱路长、工段多、距离长、经纱层数多,因此导致经纱张力不均匀,张力的波动对三维织物的品质具有较大影响。为了研究立体织机退绕环节对碳纤维经纱张力的影响,首先结合立体织物的织造要求及碳纤维纱线的物理特性,对多经轴送经机构进行了设计与研究,进而建立了碳纤维经纱张力数学模型,经纱张力采用模糊PID进行控制,利用Matlab/Simulink获取经纱张力控制曲线。实验结果表明,送经过程中碳纤维经纱张力满足多层角联织机的特殊要求,通过模糊PID控制后纱线张力的稳定性和控制精度都有明显提高,经纱张力无明显波动。

直径测定方法对碳纤维Weibull模数和断裂韧性参数的影响

王美玲,边文凤,姜兆春

2017, 0(12): 19-24.

摘要 ( 108 )

PDF (3509KB) ( 100 )

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碳纤维具有体积效应,直径对碳纤维力学性能的影响是不容忽视的,但是科研工作者基本将注意力集中于碳纤维直径本身的不均匀性,忽略了不同标准、不同测试方法对碳纤维直径数值的影响,从而导致碳纤维力学性能数据的不确定性。采用两种常用的碳纤维直径表征方法和一种图像处理的方法对碳纤维直径进行表征,分析了不同方法对碳纤维拉伸强度以及碳纤维应用中的重要参数Weibull模数和断裂韧性的影响,并采用数据统计方法给出不同直径方法对力学性能数据偏差的调整和校准。结果表明,三种测试方法计算得到的Weibul模数和断裂韧性是不同的,图像处理方法能够正确表征碳纤维的直径和力学性能。采用数据统计方法得到的碳纤维直径修正参数,可以有效修正测试误差,提高碳纤维力学性能的准确性。

纳米颗粒增强摩擦材料摩擦学性能研究

吴娟,张启顺,张超

2017, 0(12): 25-28.

摘要 ( 103 )

PDF (1211KB) ( 185 )

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以丁腈橡胶改性酚醛树脂为基体,芳纶纤维、玻璃纤维为增强纤维,选用不同类型的纳米颗粒作为填料设计摩擦材料组分配比,并通过热压烧结制备摩擦材料。通过摩擦磨损试验机测试其在干摩擦条件下的摩擦学性能,并用扫描电镜(SEM)对材料的磨损形貌进行观察分析,以研究不同类型的纳米颗粒对摩擦材料性能的影响。研究表明:在干摩擦条件下,经过纳米颗粒改性的摩擦材料摩擦系数、硬度比未改性的材料有不同程度的提高,同时磨损率有很大程度的降低;纳米颗粒改性的摩擦材料摩擦系数、磨损率变化趋势具有一致性,均随着实验载荷、滑动速度的增大而逐渐减小;纳米颗粒改性后的摩擦材料磨损机理表现为疲劳磨损与磨粒磨损并存,而未改性的材料磨损机理主要表现为疲劳磨损。

复合材料平板变刚度轨迹规划及铺放工艺性

黄威,王显峰,姚锋

2017, 0(12): 29-33.

摘要 ( 133 )

PDF (3983KB) ( 97 )

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针对复合材料平板变刚度轨迹规划及其铺放工艺适应性,研究了一种“以直代曲”求解铺丝轨迹点的数值解法。通过分析预浸丝束变形的主要机制,选取变刚度轨迹的曲率半径作为铺放工艺适应性的评判标准。并根据该标准研究了变刚度轨迹曲率半径与平板90°方向尺寸、铺放角、铺放角区间长度的关系。研究发现:在平板90°方向尺寸、铺放角区间值一定的情况下,变刚度轨迹曲率半径随铺放角的增大而减小;在平板90°方向尺寸一定的情况下,变刚度轨迹曲率半径随铺放角区间长度的增大而减小;在平板变刚度轨迹铺放角区间长度一定的情况下,曲率半径随平板90°方向尺寸的增大而增大。

聚氨酯基吸波贴片的制备及吸波性能研究

何翔,李永清,朱锡,李茂

2017, 0(12): 34-40.

摘要 ( 112 )

PDF (4516KB) ( 210 )

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通过辊压成型工艺制备了以MZ、炭黑为吸波剂的聚氨酯基吸波贴片,研究了吸波剂配比对吸波贴片电磁、吸收特性的影响,进一步探讨了吸波贴片衰减入射电磁波的机理。结果表明:随吸波剂填充量的增加,ε′等电磁参数明显增大,一方面增强了吸波贴片的衰减特性,另一方面削弱了其与自由空间的阻抗匹配程度;吸波贴片对入射电磁波的干涉作用导致其吸收峰位置随吸波剂含量、贴片厚度增加而趋向低频;1.5 mm厚、填充80wt%MZ的吸波贴片具有良好的吸波性能,其反射率在9.18 GHz～17.37 GHz频段低于-10 dB,基本满足水面舰艇在X、Ku波段的雷达隐身需求。

基于ABAQUS软件的U形薄壳加肋结构热变形分析

丁常方,张晶,褚洪杰,尹亮

2017, 0(12): 41-44.

摘要 ( 124 )

PDF (1474KB) ( 157 )

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U形薄壳加肋结构在航空航天领域应用广泛,然而由于产品截面热变形,需要用专用工装或分别测量进行定位制孔,工序烦琐,制造周期较长。以经典层合板理论为依据,借助ABAQUS软件建立U形薄壳加肋结构的有限元模型,对其截面尺寸进行计算和预测,并与实际产品对比,结果表明:在局部建模中考虑钢模具的计算条件下的预测数值与实际产品基本一致,而由于整体建模未考虑树脂在固化变形中的作用,其计算结果较实际截面尺寸偏小;ABAQUS软件可用于该结构铺层产品的热变形预测。

BFRP筋再生混凝土梁抗弯性能试验研究

韩飞,孔祥清,鲍成成,刘华新

2017, 0(12): 45-50.

摘要 ( 102 )

PDF (1317KB) ( 106 )

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通过7根玄武岩纤维(BFRP)筋再生混凝土梁和1根钢筋再生混凝土梁的抗弯性能试验,研究了不同纵筋配筋率与再生骨料取代率对BFRP筋再生混凝土梁受弯性能的影响,分析其承载力变化过程、破坏形态、挠度变形与裂缝发展情况,并与钢筋再生混凝土梁进行对比。结果表明,BFRP筋再生混凝土梁的破坏形式有少筋和超筋破坏两种,分别由BFRP筋拉断和受压区再生混凝土压碎控制。合理配筋的BFRP筋再生混凝土梁破坏前产生的挠度较大,且受拉BFRP筋的应变也较大,说明合理配筋的BRPP筋再生混凝土梁具有一定的延性,能较好地发挥两种材料的性能。BFRP筋再生混凝土梁的裂缝宽度和裂缝条数受再生骨料取代率影响较小,而受配筋率影响较大。此外,BFRP筋再生混凝土梁的初裂荷载相比钢筋再生混凝土梁略低,但极限荷载却有明显提高。

埋地玻璃钢夹砂管涵环刚度优化设计

石华旺,高怀君,魏连雨,尹航

2017, 0(12): 51-56.

摘要 ( 130 )

PDF (1487KB) ( 179 )

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玻璃钢夹砂管道性能优良,常被用作地下管道,但许多国家因其造价相对于传统埋地管道较高而不予采用。以管道环刚度为参考指标,对DN1500玻璃钢夹砂管进行优化设计,旨在降低管道成本。首先,对DN1500管道环刚度进行试验测试,运用ANSYS对管道环刚度进行模拟计算;将实验数据与模拟数据进行对比,验证了ANSYS分析管道环刚度的可行性。其次,运用ANSYS分析管道层数、纤维体积比、交叉缠绕层体积比、纤维缠绕角度等参数和环刚度的关系,得到环刚度与四种变量的关系。最后,利用MATLAB与ANSYS联合仿真技术,结合PSO智能算法对管道结构进行优化;优化后的管道满足环刚度的要求,同时体积相对于原管道减少了12%。

二维编织复合材料管件轴向压缩性能研究

檀江涛,马晓红,秦志刚

2017, 0(12): 57-59.

摘要 ( 125 )

PDF (1062KB) ( 190 )

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通过优化二维编织复合材料管件复合工艺,制作了碳纤维含量较高的碳纤维复合材料管件,同时对管件进行了轴向压缩性能测试,分析并探讨了编织参数对复合材料管件纤维体积含量及轴向压缩性能的影响。结果表明:优化后的复合工艺可保持复合材料管件纤维体积含量在20%~40%之间,同时使得复合后管件的内径达到一致;在编织速度不变的情况下,随着编织节距的减小,编织角逐渐增加,纤维体积含量逐渐增加,当编织节距减小到一定程度后,纤维体积含量的增加变缓,而轴向压缩强度先升高后降低,当达到最大值时,编织角为46°。

碳纤维增强桉杨复合胶合板的制备及性能研究

刘源松,关明杰,董志勇,翟通军

2017, 0(12): 60-66.

摘要 ( 118 )

PDF (2365KB) ( 182 )

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为开发碳纤维/木基复合材,设计了全桉木、全杨木、杨桉交错、桉杨交错四种结构用桉杨复合胶合板,采用碳纤维(CF)进行表面增强,研究增强前后桉杨复合胶合板的物理力学性能以及保温性能,探讨老化前后四种结构之间的性能变化。结果表明:经碳纤维表面增强后,桉杨交错结构吸水厚度膨胀率为2.6%,下降幅度为44.7%,吸水率下降幅度为46.5%;四种结构浸渍剥离性能均满足标准,最好为桉杨交错结构;桉杨交错结构老化前纵向静曲强度为98.5 MPa,提高率为107.4%,纵向弹性模量为15810 MPa,提高率为129.8%,老化后杨桉交错结构纵向弹性模量为10150 MPa,提高率为176.3%,且杨桉交错结构胶合强度可达1.74 MPa,但对于横向静曲强度、弹性模量和胶合强度提高均较小。综合而言,碳纤维增强后物理力学性能较好的结构为杨桉交错和桉杨交错,总体反映了桉杨复合胶合板结构上纵横强度比差异较大,在实际应用中根据需求调整纵横强度设计比例;经碳纤维表面增强后桉杨复合胶合板导热系数均值为0.44 W/(m·℃),导热系数值接近保温材料,碳纤维表面增强后对其保温性能影响不明显。

小口径连续缠绕管道用乙烯基酯树脂研究

刘世强,茆凌峰,沙垣

2017, 0(12): 67-71.

摘要 ( 108 )

PDF (1252KB) ( 231 )

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对乙烯基酯树脂(MFE711W型)作为树脂基体制作的小口径连续缠绕玻璃钢管道的工艺性能、玻璃钢(FRP)力学性能、耐腐蚀性能进行了研究,与不饱和聚酯树脂及乙烯基树脂/不饱和树脂混合树脂(UP/VE)进行力学性能、防腐蚀性能对比,证明MFE711FW在小口径连续缠绕管道应用上的优越性。连续缠绕工艺采用钴/过氧化甲乙酮体系,常温固化,解决了乙烯基酯树脂活性低,不适用于快速成型工艺的缺陷。

船用天线罩的振动响应分析与试验验证

丁军

2017, 0(12): 72-76.

摘要 ( 85 )

PDF (6205KB) ( 229 )

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采用ANSYS有限元分析软件,对某船用天线罩进行模态分析及振动响应分析。考察罩体结构的危险区,分析敏感部位的应力、位移和加速度等的时间历程,并且通过振动试验验证仿真分析的正确性。

二维编织复合材料在正交切削中的切削力和加工表面质量研究

王冬峣,赫晓东,刘文博,王荣国

2017, 0(12): 77-82.

摘要 ( 128 )

PDF (3421KB) ( 276 )

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二维编织碳纤维复合材料因其具有优异的力学性能和耐疲劳、耐冲击等特点被广泛用于制造各类复合材料结构件中。但是由于二维编织碳纤维复合材料的多相性和特殊的纤维结构,其机械加工性能与传统金属材料和单向纤维复合材料差异较大。为了研究二维编织碳纤维复合材料的切削性能,提高加工效率和加工后的表面质量,基于正交切削实验对二维编织碳纤维复合材料在切削过程中的切削力进行测试,并利用金相显微镜和粗糙度轮廓仪来表征加工表面质量。实验结果显示,正交切削过程中纤维方向角度对切削力的大小影响巨大,当切削速度提高和切削深度降低时,复合材料展现了更好的切削性能,并且加工后的表面质量更高。

基于PMAC的多层纤维预浸坯超声波切割机构设计与控制

申祖武,徐德帆,田会方,张军伟

2017, 0(12): 83-86.

摘要 ( 108 )

PDF (5311KB) ( 193 )

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针对碳纤维预浸坯的结构特性以及在传统切割中存在的问题,研究设计了一种超声波切割装置,以PC+运动控制卡作为超声波切割机构的控制系统,伺服电机控制超声波切割刀在工作台上的运动。重点介绍了对C轴刀具旋转运动的控制,以保证超声波切割刀的刀刃方向始终与切割图形的切线方向一致。通过上位机编程软件编程,PMAC运动控制卡发出指令到伺服驱动器,驱动电机进给运动,从而实现自动化切割。该切割系统和传统切割方式相比,具有效率高、切割质量好等优点。

一种机车通风机用玻璃钢叶轮压制工艺探索

罗赞才,江大志

2017, 0(12): 87-90.

摘要 ( 112 )

PDF (857KB) ( 181 )

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针对铁路机车用通风机叶轮产品减重和提高使用性能需求,开展了玻璃纤维增强聚合物复合材料叶轮产品研发工作,通过试验确定叶轮的铺料方法和各工艺参数,成功研发出满足铁路机车通风机使用要求的SMC材料叶轮。重点研究了SMC材料的铺料方式、模压成型压力、模压成型温度、压制速度及压制时间等对叶轮产品质量的影响。结果表明,分布铺料法比集中铺料法能得到品质更好的产品。压制工艺参数为压制温度:下模为140 ℃,上模为145 ℃;最佳压力为8 MPa;保压时间为40 min;压制速度低于20 mm/s。

冲击损伤下航空复合材料修复技术研究进展

王长越,邢素丽

2017, 0(12): 91-98.

摘要 ( 130 )

PDF (1371KB) ( 387 )

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先进复合材料在航空领域的广泛应用,尤其是在主承力结构方面的应用,对复合材料维护和修理工作提出了新的、更加迫切的要求。复合材料结构具有各向异性和非均质性的特点,对分层损伤和层间断裂十分敏感,此类损伤会造成复合材料结构强度和性能的大幅降低,进而对航空飞行器的结构安全造成灾难性的后果。冲击载荷正是导致此类损伤的最大威胁,因此,对复合材料结构的冲击损伤规律及其修复技术的研究成为近年来的热点和难点。从冲击损伤评估、无损检测和修复技术三方面综述了当前国内外的主要研究进展,展望了冲击损伤下航空复合材料修复技术的发展前景。

复合材料在海洋工程中的应用

严侃,黄朋

2017, 0(12): 99-104.

摘要 ( 252 )

PDF (1187KB) ( 318 )

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树脂基复合材料以其轻质、高强、高模等特性,在海洋工程领域展现出良好的应用前景。复合材料在海洋工程中主要应用于国防及海洋能源开发,如海军舰艇、水中兵器、海上钻井平台、海上潮汐电站、海上风电叶片、大型海水养殖场、海水淡化等。主要介绍了树脂基复合材料在海上钻井平台、水中兵器中的应用,综述了复合材料立管、可卷绕复合材料管、复合材料系缆、水中兵器壳体、螺旋桨等构件的应用情况,展望了海上钻井平台用复合材料未来主要的技术发展方向。

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