复合材料科学与工程

于峰, 牛荻涛

2018, 0(2): 5-7.

摘要 ( 131 )

PDF (839KB) ( 299 )

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根据PVC-FRP管混凝土应力-应变模型,分析PVC-FRP管钢筋混凝土柱的力学性能。根据大小偏压界限破坏时的平衡条件,提出PVC-FRP管钢筋混凝土柱轴压比限值计算的基本假定,推导PVC-FRP管钢筋混凝土柱轴压比限值的计算方法。结果表明:PVC-FRP管钢筋混凝土柱的轴压比限值随着CFRP条带环箍间距的增加而减小;与钢筋混凝土构件相比,PVC-FRP管钢筋混凝土构件轴压比限值提高明显。

复合材料球形气瓶非测地线缠绕线型设计和强度分析

刘萌, 祖磊, 李书欣, 汪洋

2018, 0(2): 8-14.

摘要 ( 71 )

PDF (7842KB) ( 141 )

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碳纤维复合材料球形气瓶因其较高的比强度、比刚度和抗疲劳性,被广泛应用于航空航天及民用工业领域。基于微分几何理论,推导出满足球形气瓶缠绕基本原理的落纱点轨迹方程,给出缠绕线型轨迹和缠绕角应该满足的稳定缠绕条件,并对缠绕轨迹进行仿真。考虑球壳的变曲率特点,针对球形气瓶缠绕层进行变厚度、变角度的精细化有限元建模,对工作压力下的气瓶内衬和缠绕层各向应力分布进行数值模拟和分析,并预测了气瓶的爆破压强。结果表明,优化设计得到的缠绕线型参数既能满足缠绕工艺的基本要求,又有效提高了球形气瓶的结构力学性能。研究成果对复合材料球形压力容器的设计制造具有重要的意义。

玄武岩纤维筋增强再生混凝土梁抗剪性能的试验研究

韩定杰, 刘中宪, 刘华新, 张志金

2018, 0(2): 15-20.

摘要 ( 135 )

PDF (1768KB) ( 237 )

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为研究BFRP筋再生混凝土梁的受剪性能,对纵筋为BFRP筋的无腹筋和有腹筋梁的破坏形态,挠度变化,纵向受力钢筋、箍筋应变和极限承载力等受力性能进行了试验研究,并与同尺寸纵筋为钢筋的再生混凝土梁进行对比分析。结果表明:BFRP筋再生混凝土梁均发生剪切破坏,而同等配筋条件下的钢筋再生混凝土梁在配置箍筋后由剪切破坏变为弯曲破坏;箍筋对BFRP筋梁抗剪承载力的提高更显著;有腹筋的BFRP筋再生混凝土梁的延性较无腹筋梁更好;箍筋抗剪作用的发挥与梁剪切斜裂缝的位置、倾角相关。

深海玻纤增强柔性管截面结构设计及强度分析

潘俊, 张东胜, 李鹏, 丛日峰

2018, 0(2): 21-27.

摘要 ( 131 )

PDF (4387KB) ( 415 )

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在深海石油开采中,使用传统的钢制管道作为海底管道和立管,存在耐腐蚀性差、重量大以及柔性小等不足。热塑性玻纤增强柔性管具有重量轻、强度高、柔性好以及耐腐蚀性强等优点,逐步成为海洋管道发展的趋势。针对南海500 m海深油井使用玻纤增强柔性管进行增强层截面结构设计,依据DNVGL-RP-F119规范和美国船级社相关规范,针对柔性管增强层缠绕角度及缠绕层数,依据经验建立±30°~±75°缠绕角度和20层~40层缠绕层数的组合模型。利用ABAQUS有限元软件进行30 MPa内压、60 t拉力和5 MPa外压三种载荷工况下的强度分析,得到满足上述载荷工况的最优缠绕角度为±60°;再进行90 MPa爆破压力及拉伸与外压组合工况下的强度校核,最后得到能够满足技术指标要求的增强层最优缠绕角度为±60°和最少缠绕层数为36层。

含缺陷复合材料加筋壁板承载能力的数值预测

周正根, 曹东风, 胡海晓, 钟愉承

2018, 0(2): 28-35.

摘要 ( 147 )

PDF (3551KB) ( 348 )

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碳纤维复合材料加筋壁板是飞机结构的典型部件,成型过程中的制造缺陷对其极限承载能力和失效行为具有显著影响,是结构完整性评估的重要内容。通过数值手段开展了3点弯曲载荷作用下含缺陷复合材料加筋壁板的数值分析,重点考虑了缺陷尺寸和位置对结构承载能力的影响。首先基于Abaqus/Standard建立了加筋壁板的三维有限元模型,引入双线性内聚力模型用于描述复合材料加筋壁板的层间失效行为,然后结合文献相关实验数据验证了该模型的有效性,最后基于该有限元模型研究了缺陷尺寸和位置对结构承载能力的影响。结果表明:建立的有限元模型计算结果与文献实验结果吻合;结构的承载能力随着缺陷尺寸的增大而降低,且对蒙皮/桁条界面中部缺陷较为敏感;缺陷的存在导致结构的破坏模式发生转变,但起始裂纹始终发生在界面附近的基体区域。

玻璃纤维-铝合金层合板补强拉伸性能及破坏机理研究

崔海超, 王海鹏

2018, 0(2): 36-40.

摘要 ( 132 )

PDF (2129KB) ( 233 )

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对含预置孔缺陷的玻璃纤维-铝合金层合板修补前后进行了拉伸试验,讨论了拉伸过程中载荷随拉伸位移的变化趋势,并分析了补强片对于材料拉伸强度的影响及断裂破坏形式。结果表明,修补前后的玻璃纤维-铝合金层合板在拉伸过程中均经历了屈服阶段,修补后的层合板表现出了更明显的屈服现象,且载荷在破坏前出现了较大波动,孔直径为6 mm、10 mm、12 mm的缺陷试样在补强后的极限强度修复率分别为17.7%、13.2%、20.6%,补强片使层合板在拉伸破坏后在断裂位置呈现双扇形损伤,补强片的破坏为胶膜的剪切破坏,破坏界面位于铝合金表面。

纤维张力对复合材料管道缠绕轨迹影响分析

田建德, 刘保全, 马美琴, 张剑

2018, 0(2): 41-46.

摘要 ( 115 )

PDF (1241KB) ( 381 )

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为实现复合材料管道纤维缠绕优质成型,纤维张力起关键作用,其张力波动的程度直接影响复合材料管道成型的性能。为减小缠绕过程中张力大小差异,规划缠绕轨迹时需考虑纤维张力的影响,提出在机械臂末端增添预设张力负载的方法规划缠绕轨迹。建立六自由度机械臂缠绕模型,用MATLAB对机械臂的缠绕轨迹进行设计,通过建立MATLAB与ADAMS的联合仿真平台,对有无张力负载下的机械臂末端质心位移曲线进行仿真分析,并搭建张力控制实验平台,进行机械臂末端有无张力负载复合材料管道的纤维缠绕实验,实验表明有张力负载下规划的缠绕轨迹能有效抑制缠绕过程中张力的波动程度。

格栅增强夹芯板弯曲刚度影响因素及规律研究

王亚楠, 梅志远, 李华东, 陈国涛

2018, 0(2): 47-51.

摘要 ( 145 )

PDF (3092KB) ( 226 )

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基于有限元仿真和实验,对格栅增强夹芯板弯曲刚度的影响因素及规律开展了研究。首先,针对格栅结构对夹芯板抗弯特性的影响进行仿真分析,认为格栅结构能够较为显著地提高夹芯板的抗弯刚度;其次,针对格栅增强夹芯板的蒙皮纤维铺层角度、格栅密度等几个重要参数对其弯曲刚度的影响进行仿真计算并对其规律进行分析;最后,通过实验验证了仿真的准确性。分析结果表明,夹芯板蒙皮纤维±45°铺设时夹芯板具有最优的抗弯刚度,且在格栅总体积即含筋量一定的情况下,一定范围内降低单层格栅的厚度以增加格栅的密度会大幅度提高夹芯板的抗弯刚度。

CFRP-PCPs复合筋混凝土梁受弯性能试验及理论方法研究

邓宇, 甘德丽, 张鹏, 杨希涛

2018, 0(2): 52-57.

摘要 ( 127 )

PDF (1056KB) ( 285 )

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通过对7根混凝土试件梁的抗弯性能试验,研究了普通钢筋、普通预应力CFRP筋以及不同CFRP张拉等级的CFRP-PCPs复合筋分别对混凝土梁的承载能力、挠度变形和裂缝形态的影响。研究结果表明:在正常使用阶段下,CFRP-PCPs复合筋混凝土梁的裂缝、挠度满足结构安全使用要求;CFRP-PCPs复合筋混凝土梁能有效克服普通预应力CFRP筋混凝土梁的裂缝宽、挠度大的缺点;CFRP-PCPs复合筋能有效延缓传统预应力CFRP筋混凝土梁裂缝的开展,改善试件梁延性,提高试件梁强度和提高整体刚度。基于试验结果,推出了CFRP-PCPs复合筋混凝土梁受弯承载力、裂缝宽度和挠度的计算公式。结果表明计算值与试验结果能够较好吻合。

升温速率对复合材料修补片固化过程热应力的影响

李世林, 陈淑仙, 田秋实, 梁振宇

2018, 0(2): 58-65.

摘要 ( 167 )

PDF (3225KB) ( 268 )

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采用有限元法数值模拟了3234/T300B热固性树脂基复合材料修补片的热补仪加热固化过程,分析了工程应用范围内不同升温速率下的复合材料修补片固化历程中的温度、热应力分布和变化特征,并研究了升温速率对补片在不同时间点的残余热应力值的影响规律。研究结果表明:升温阶段热应力主要集中在补片表面中心区域及其与母板接触的区域,降温阶段复合材料修补片内部热应力高于表面热应力;升温速率越快,固化越迅速,在升温阶段修补片内部热应力及峰值热应力越大;在保温和降温阶段,修补片内热应力分布和大小不受升温速率的影响;对于较低升温速率,热应力最大值出现在升温结束时刻;对于较高的升温速率,热应力最大值出现在接近升温末期的时刻。研究结果为合理选择升温速率从而减小升温阶段的内部热应力并控制补片分层等缺陷提供了参数依据。

三维编织复合材料胶接接头力学性能试验研究

杨冠侠, 杨涛, 杜宇

2018, 0(2): 66-69.

摘要 ( 136 )

PDF (1037KB) ( 329 )

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为了比较三维编织复合材料阶梯型和嵌套式搭接接头的胶接修复效果,对搭接长度相同的两种接头进行了拉伸和弯曲力学性能研究。通过实验得到两种接头及完好试件的载荷-位移曲线,对比了修补后的试件强度与完好试件的强度,得到了接头试件的修复效率,并分析和总结了拉伸与弯曲试验试件的损伤过程及损伤形貌。实验结果显示:阶梯型胶接接头拉伸载荷作用下的修复率为37.75%,弯曲载荷作用下的修复率为66.25%;嵌套式胶接接头拉伸载荷作用下的修复率为18.97%,弯曲载荷作用下的修复率为21.44%。对比试验结果得出阶梯型胶接接头力学性能较好。

复合材料机翼翼梁回弹研究

黄钢华, 贾丽杰, 徐鹏

2018, 0(2): 70-73.

摘要 ( 127 )

PDF (1028KB) ( 265 )

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复合材料具有比强度和比模量高、抗疲劳性能好等特点,被广泛应用于航空航天领域,但复合材料在成型过程中受材料特性、铺层取向、固化制度和模具材料等因素的综合影响,会产生回弹变形,严重情况下可引起尺寸超差致制件和模具报废。通过回弹试验,采用有限元模拟试验件的回弹量,与实测结果比对后进行线性修正,得出修正公式,并在3 m机翼翼梁上进行验证。

纤维缠绕用环氧树脂固化动力学研究

刘魏魏, 杨克伦, 李桐, 肖文刚

2018, 0(2): 74-77.

摘要 ( 150 )

PDF (1185KB) ( 246 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

采用非等温DSC法对一种纤维缠绕用环氧树脂体系进行了固化动力学研究。基于不同升温速率下的测试数据,确定了固化工艺参数,建立了n级动力学模型,并比较了通过Kissinger方程和Ozawa方程得到的活化能。研究表明:该树脂体系凝胶化温度为89.44 ℃,固化温度为114.5 ℃,后处理温度为155.04 ℃;固化反应过程符合n级动力学模型。

矿物原料对SiO₂-Al₂O₃-MgO玻璃熔制的影响研究

黄松林, 祖群, 黄三喜, 张焱

2018, 0(2): 78-82.

摘要 ( 108 )

PDF (1555KB) ( 318 )

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目前SiO₂-Al₂O₃-MgO系统的S级高强玻璃纤维生产主要以石英砂、氧化铝、重质氧化镁等化工级原料分别引入玻璃组分中的各氧化物实现。这些化工原料纯度高,有助于提高产品成分和性能的稳定性,但这些原料在熔制过程中需要更高的熔制温度,具有能耗大、玻璃液的澄清及均化困难等缺点。为改善SiO₂-Al₂O₃-MgO系统S级高强玻璃的熔制工艺性能,开展了在玻璃原料中引入高岭土、滑石粉的熔制实验,研究矿物原料对高强玻璃熔制的影响规律。通过DSC分析了玻璃的特征温度点,利用XRD表征了熔制过程中配合料的物相变化情况,并在快速升温炉中进行了配合料的熔制实验观测,同时进行了新生态玻璃纤维的强度测试。研究表明:采用矿物原料能显著降低配合料的熔制温度,降低熔制能耗,改善特种玻璃熔制的工艺性能,形成玻璃的温度降低50 ℃以上;同时也发现矿物原料中的Fe²⁺含量较大,增加了玻璃液的温度梯度,玻璃液表面温度低,不利于玻璃液的澄清,因此需要采取措施降低矿物原料中Fe²⁺的含量,以改善玻璃液的澄清效果,避免玻璃纤维的性能受到影响。

复合材料单面双线缝合装置的设计

田会方, 刘丽君, 陈培

2018, 0(2): 83-86.

摘要 ( 118 )

PDF (2543KB) ( 458 )

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通过对复合材料的缝合技术和缝合特点的概述,发现目前双面缝合以及单面缝合技术存在的问题和不足,然后结合现有的OSS单面缝合和传统的双面锁式缝合技术的优点,提出了单面双线缝合技术,并基于该技术的缝合动作利用建模软件SolidWorks对缝合装置进行了详细的设计,该技术对纤维复合材料铺层的缝合能够形成平滑稳定的类似改良式锁式线迹。最后通过Adams进行运动仿真,验证了各机构能够按规律配合完成缝合动作,证明了缝合装置设计的可行性。

复合材料光伏支架结构设计及应用研究

柯锐, 朱晓东, 董中强, 吴雄

2018, 0(2): 87-93.

摘要 ( 187 )

PDF (2137KB) ( 280 )

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为开发一种结构性能稳定、耐久性和轻量化的光伏支架,以某试点建设工程为背景,制备出树脂基复合材料光伏支架。从光伏支架承受的风荷载﹑雪荷载﹑自重荷载及地震荷载入手,通过计算,对支架结构设计中的关键构件﹑节点进行强度校核。同时,通过支架系统风洞力学性能测试及支架用复合材料4000 h多因子老化特性研究,验证了复合材料光伏支架实际应用的可行性。

外贴式CFRP加固钢筋混凝土梁耐火性能研究综述

尹仲昊, 徐杰, 韩庆华

2018, 0(2): 94-100.

摘要 ( 125 )

PDF (1093KB) ( 268 )

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CFRP作为一种新型加固材料已有很长一段历史。外贴式CFRP加固技术(Externally Bonded Reinforced,简称“EBR-CFRP”)是最常用的CFRP加固技术之一。但由于CFRP对温度较为敏感,基体在温度超过其玻璃化温度(T_g)后发生分解,导致CFRP各项力学性能急剧退化并丧失,这严重影响了该技术在建筑工程领域里的推广和发展。结合近十年关于EBR-CFRP加固钢筋混凝土梁耐火性能的相关研究,就CFRP和CFRP-混凝土接触面的高温特性,EBR-CFRP加固梁耐火性能的试验研究、数值分析和预测方法等多个方面的研究成果进行了系统总结,并提出了进一步的研究方向。

纤维增强树脂基复合材料连接技术研究现状与展望

高佳佳, 楚珑晟

2018, 0(2): 101-108.

摘要 ( 169 )

PDF (6742KB) ( 455 )

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总结回顾了复合材料连接技术的研究现状。分别阐述了机械连接、胶接和混合连接的连接形式、优缺点、适用领域以及发展前景。结果表明:复合材料传统的机械连接具有较强的抗层间剪切能力和抗剥离性能,适合于承受重载载荷;胶接由于质轻、连接效率高,且适宜薄壁复杂结构件,是一种高效实用且低成本的连接工艺;二者配合使用的混合连接兼具机械连接的质量安全可靠、便于拆装,以及胶接的抗恶劣环境、可连接异质件的优点。最后得出复合材料连接技术在未来将向着结构一体化方向发展的结论。

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