复合材料科学与工程

胡帆, 祖磊, 胡松, 陈旦

2018, 0(5): 5-11.

摘要 ( 138 )

PDF (5028KB) ( 293 )

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泡沫夹层复合材料具有比强度、比刚度大,保温隔热性能优异等优点,广泛应用于航空航天等诸多领域,在飞机上则应用于一些载荷不大而厚度较小的部件或结构。研究的NACA构型泡沫夹层复合材料空气风门以其材料的特殊性,在组合工况下受力情况复杂,目前对其在多工况下进行强度分析的相关研究较少。以NACA构型的泡沫夹层碳纤维复合材料空气风门为研究对象,建立了有限元模型。通过重点对多工况下风门壳体的等效应力分布情况进行对比和分析,并对夹层结构各层的应力危险区域进行强度校核,得到了各工况下复合材料面板层和泡沫芯材层的应力敏感区域和失效情况,以及载荷对模型应力影响的规律。

结合压缩薄膜效应对BFRP筋自密实混凝土桥面板工作性能有限元分析

周玲珠, 郑愚, Susan.E.Taylor, 罗远彬

2018, 0(5): 12-18.

摘要 ( 99 )

PDF (4021KB) ( 238 )

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采用非线性有限元方法对英国北爱尔兰Thompson桥中的BFRP筋增强自密实混凝土桥面板进行数值分析,通过对比数值模拟结果和试验结果表明所建立的有限元模型能够较准确地反映BFRP筋增强自密实混凝土桥面板在轮压负载下的工作性能。基于有限元模型的有效性,采用非线性数值模拟对该新型桥面板进行极限承载力和破坏模式进行预测及参数化分析。结果表明,BFRP筋自密实桥面板极限承载力大约为欧洲轮压负载150 kN的6倍(100 t),由于现行桥面板设计规范忽略了压缩薄膜效应的存在而导致桥面板极限承载力设计过于保守,参数化分析发现配筋率和筋材类型对桥面板极限承载力影响不大,而混凝土强度和跨高比是影响桥面板极限承载力的主要因素。

复合材料胶接修补结构疲劳性能的数值和试验研究

袁俊俊, 李成, 铁瑛, 赵书寒

2018, 0(5): 19-24.

摘要 ( 82 )

PDF (7543KB) ( 52 )

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为研究室温下复合材料胶接修补结构的疲劳性能,以三维渐进损伤理论为基础,创建了复合材料胶接修补模型,利用材料损伤判断子程序实现对修补结构的静拉伸失效载荷及剩余强度的预测分析,并进行了相关试验的对比分析。采用5种不同尺寸的圆形补片来评价修补效果,并利用超景深仪对修补试件的疲劳损伤扩展模式进行微观测量。结果表明:静载拉伸中,尺寸为3.5r的修补结构承载能力最好;疲劳循环中,尺寸为2.5r的修补结构剩余强度提升效果最好;疲劳载荷下,当循环次数较低时,修补结构的主要损伤为基体开裂,而随着循环次数的增大,主要损伤为纤维断裂。

纤维金属层板铆接损伤机理与预测的研究

应少军, 李建伟, 平学成, 程里朋

2018, 0(5): 25-32.

摘要 ( 107 )

PDF (2757KB) ( 288 )

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纤维金属层板铆接损伤是连接件、被连接件以及铆钉等多个复杂结构的耦合损伤行为。为了预测纤维金属层板铆接损伤行为,采用Johnson-Cook失效准则预测金属层损伤,采用三维Hashin损伤准则预测复合材料层损伤,采用脱层失效理论预测层间开裂,理论预测模型的合理性通过了实验验证。通过损伤预测模型分别考察层板铺层数量、铆接预紧力、铝合金分数和结构几何对纤维金属层板铆接损伤行为及铆接刚度的影响,为FMLs铆接设计提供可行性建议。结果表明:铺层数量的增加加剧了层板自由端层间脱层剥离现象,从而降低了层板铆接强度;铝合金分数的增加能够提高层板的铆接强度,但铝合金分数大于50%时铆接强度和铆接比强度反而下降;预紧力的增大能够延缓纤维和基体的萌生,并且提升铆接刚度,使得纤维金属铆接承受更大载荷;随着横宽径比W/D和纵宽径比E/D的递增,铆接极限强度有所提高,当W/D≥3或E/D≥3时,铆接强度不再明显提高。

酸化石墨烯改性环氧树脂及其碳纤维复合材料力学性能研究

于倩倩, 陈刚, 郑志才, 崇琳

2018, 0(5): 33-40.

摘要 ( 144 )

PDF (6831KB) ( 381 )

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针对石墨烯在复合材料增强增韧上的应用,对石墨烯进行了酸化处理,采用超声分散方法制备酸化石墨烯/环氧树脂(EP)浇注体,并在此基础上制备了酸化石墨烯/碳纤维(CF)/环氧树脂(EP)复合材料。分别利用红外光谱和透射电镜表征了酸化石墨烯表面结构和微观形貌,利用拉伸、弯曲、冲击等机械测试手段评价了酸化石墨烯改性EP和CF-EP的力学性能,并利用扫描电镜对复合材料拉伸断面形貌进行观察。试验结果表明:石墨烯酸化处理后,成功在表面引入了羟基、羧基等极性基团;酸化石墨烯可对EP和CF/EP进行有效增强增韧,当其添加量为0.2wt%时,EP拉伸强度和冲击强度分别提高了23.3%和109.8%,CF/EP拉伸强度、弯曲强度分别提高了6.0%和10.6%,当酸化石墨烯添加量为0.5wt%时,CF/EP复合材料层间剪切强度提高了7.4%。微观形貌分析表明,酸化石墨烯对CF/EP增强改性主要是通过对EP进行增强增韧,同时提高CF和EP之间的界面性能来实现的。

夹芯复合材料T型连接结构悬臂弯曲强度特性分析

肖雪瑞, 邱伟强, 马武伟, 康逢辉

2018, 0(5): 41-47.

摘要 ( 121 )

PDF (4810KB) ( 340 )

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针对夹芯复合材料T型连接结构,建立了有限元模型,模拟其在悬臂弯曲位移载荷下损伤产生、扩展及失效的过程,进行了悬臂弯曲试验验证模拟结果,进行了结构优化分析。试验结果表明:初始损伤产生时的位移为30 mm~32 mm,对应载荷为7.5 kN~7.7 kN,损伤产生后结构刚度降低,随着位移增加,承载力持续上升,失效强度较初始损伤强度提高了41%~55%;计算结果与试验结果相吻合,且表明初始损伤为复合材料压缩失效,产生于隔板下面板与增强区连接处,随着位移载荷的增加,损伤面积增大最终导致整体结构失效;优化结果表明,提高隔板下面板和芯材厚度,可降低隔板下面板的最大应力和失效因子,缩小上下面板的失效因子差,充分发挥结构性能。

剪切地震波作用下埋地复合材料管的响应分析

李炎, 朱四荣

2018, 0(5): 48-52.

摘要 ( 103 )

PDF (2046KB) ( 308 )

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采用有限元方法分析了玻璃纤维增强塑料夹砂管在地震载荷以及静态载荷共同作用下的响应。考虑了复合材料的各向异性,以及管土的相互作用,建立了埋地复合材料管的有限元模型;通过一系列载荷步施加静态载荷,并在土壤包裹体侧面施加准静态位移来等效由剪切地震波产生的最大自由场应变。基于上述模型,对比了不同材料在地震作用下的响应,并重点分析了管径、环刚度、埋深等因素对玻璃纤维增强塑料夹砂管地震响应的影响,为埋地复合材料管道的抗震设计提供了依据。

横向腹板增强复合材料夹层梁受弯性能试验研究

张富宾, 刘伟庆, 王慧, 齐玉军

2018, 0(5): 53-57.

摘要 ( 113 )

PDF (1490KB) ( 256 )

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通过四点弯试验研究横向腹板增强复合材料夹层梁受弯性能,得到不同腹板间距、厚度对夹层梁弯曲破坏模式、刚度、极限承载力及延性性能的影响规律。结果表明:横向腹板能改变夹层梁的破坏模式,无腹板增强夹层梁破坏模式为芯材剪切破坏,横向腹板增强夹层梁破坏模式为多区格渐进破坏模式;相对于无腹板增强夹层梁,横向腹板能显著增强复合材料夹层梁的延性特性,最高达229%,腹板间距越小,夹层梁延性性能越好。

复合材料模量对汽车传动轴固有频率的影响

高洪平, 孙泽玉, 陶雷, 熊风

2018, 0(5): 58-63.

摘要 ( 112 )

PDF (1915KB) ( 308 )

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利用Ansys Workbench有限元软件和脉冲激振技术,分别从有限元理论计算与实验相结合的角度研究了不同纤维增强复合材料对汽车传动轴固有频率的影响规律。采用玻璃纤维、玄武岩纤维、T700碳纤维及T800碳纤维等四种不同纤维制备了复合材料传动轴轴管,并根据GB/T 1548—2008,表征了复合材料的力学性能。利用有限元仿真与脉冲激振模态测试两种方法表征了不同纤维缠绕的复合材料汽车传动轴的固有频率。结果表明:脉冲激振模态测试传动轴的固有频率方法结果比较直观,可以准确地得到传动轴的固有频率;有限元仿真分析与脉冲激振法实测结果有一定偏差,但可以通过仿真模型的调整,使仿真结果更加准确;提高复合材料的拉伸模量是提高复合材料传动轴固有频率的有效途径之一。

碳纤维复合材料迫击炮身管结构设计与缠绕工艺研究

熊超, 李博, 殷军辉, 邓辉咏

2018, 0(5): 64-68.

摘要 ( 135 )

PDF (1221KB) ( 509 )

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纤维增强复合材料具有比刚度高、比强度大的轻量化优势,以及可设计性强、耐腐蚀性优、抗疲劳性好等显著特点,可作为武器装备轻量化设计的绝佳选材。在对迫击炮身管进行受力分析的基础上,提出了采用金属内衬外加碳纤维复合材料增强层的迫击炮复合身管双层结构,介绍了用于迫击炮复合身管加工的缠绕设备和缠绕工艺,基于实验结果,综合分析了碳纤维材料的选择、铺层顺序、纤维缠绕张力等工艺对迫击炮复合身管承压性能的影响,可为火炮复合材料身管以及复合材料承载圆筒的结构设计与加工提供参考。

正交投影在自动铺丝轨迹规划中的应用

常亮, 王显峰, 刘永佼, 马成

2018, 0(5): 69-74.

摘要 ( 103 )

PDF (1712KB) ( 271 )

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为满足铺放过程中纤维方向的要求,提出了一种基于网格化曲面正交投影的铺丝路径生成算法。首先利用点到自由曲面正交投影的性质,提出了点的正交投影算法;在此基础上对确定投影曲线过程中出现无效投影的问题提出了相应的解决办法,并将所设计的空间曲线投影到网格化曲面上得到铺丝基准路径,再使其沿着切片界面轮廓曲线等距偏移得到所有路径。通过基于VC++编程实现了文中算法。实验结果表明所提出的正交投影算法的正确性和有效性,基于网格化曲面正交投影的铺丝路径生成算法能满足铺丝工艺要求。

零苯乙烯与含苯乙烯乙烯基酯树脂性能对比研究

刘世强, 茆凌峰, 张文轩, 黄志超

2018, 0(5): 75-78.

摘要 ( 99 )

PDF (1337KB) ( 278 )

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同等实验条件下测试树脂挥发性有机化合物(VOC)、力学性能、热性能、气干性、工艺性能等指标,研究了零苯乙烯(MFE 700-01型)与含苯乙烯(MFE 711型)乙烯基酯树脂(VER)的性能差异。研究结果表明,零苯乙烯VER可完全杜绝静态VOC,动态VOC降低十倍,可有效提高树脂的环保性,其力学性能、工艺性能可达到甚至超过含苯乙烯VER的水平,FRP耐热性、气干性相当,可实现与含苯乙烯树脂应用无缝对接。

硅酸铝纤维增强SiO₂气凝胶复合材料的力学与隔热性能研究

蒋颂敏, 段小华, 王晓欢, 李书林

2018, 0(5): 79-83.

摘要 ( 106 )

PDF (1901KB) ( 311 )

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SiO₂气凝胶由于其独特的纳米多孔结构而具有优异的保温隔热性能,但其力学性能较差限制了其在很多工业领域内的应用。以硅酸铝纤维作为增强材料,采用溶胶凝胶法以及常压干燥法制备出完整的块状硅酸铝纤维/SiO₂气凝胶复合隔热材料,并分别用电子万能试验机、SEM、热导率测试仪、BET等检测方法表征了该复合隔热材料的性能。结果显示,纤维的加入提供了一种新的能量消耗机制,硅酸铝纤维/SiO₂气凝胶复合隔热材料的力学性能明显优于纯气凝胶材料。该复合材料的比表面积和平均孔径分别为383.5 m²/g和8.4 nm,孔隙率高达87%,是典型的介孔材料,热导率低至0.02 W/(m·K)~0.04 W/(m·K),具备良好的保温隔热性能。

超薄高模量织物研制及其在星载反射器上的应用

董晓阳, 詹光亮, 徐云研, 翟东坤

2018, 0(5): 84-89.

摘要 ( 113 )

PDF (1837KB) ( 295 )

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为了满足天线反射器轻量化以及高精度要求,通过多级展纱工艺制备超薄碳纤维织物并应用于反射器结构。通过对机械展纱原理进行分析,采用多级展纱辊设备展纱,展纱后纱片宽度为4 mm,织物的面密度为106 g/m²。对展纱后丝束与原丝束进行复丝拉伸试验,实验结果表明,展纱后丝束拉伸强度和模量分别下降了1.26%和1.29%。通过工艺试验制备单层厚度的蒙皮试样,试样表观形貌明显提高。同时结合天线反射器结构,采用有限元仿真手段针对超薄高模量碳纤维织物进行复合材料设计,计算得到天线反射器基频为138.53 Hz,蒙皮减重达到16.1%;将超薄高模量碳纤维织物蒙皮与蜂窝夹芯胶接制造反射器,并通过正弦振动试验验证了超薄高模量碳纤维织物可以应用于星载天线反射器结构。

基于刚度约束的飞机复合材料货舱门优化设计

李超, 闫亚斌, 杨华伦

2018, 0(5): 90-95.

摘要 ( 117 )

PDF (2209KB) ( 263 )

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民用飞机在飞行过程中,舱门要承受很大的压差载荷。随着轻量化要求的日益严格,复合材料舱门逐渐成为一种趋势,而舱门在设计中除了满足强度要求外还必须满足刚度要求。为了研究复合材料在舱门上应用的减重潜力,完善了舱门刚度约束条件,包括最大变形量、波纹度、阶差、间隙等多种刚度要求,在此基础上按照强度及铺层比例等要求,提出了一种考虑多种刚度约束的复合材料舱门优化设计方法。以飞机前货舱门为例,以刚度、强度及铺层比例为约束条件,应用NASTRAN进行了蒙皮、横梁和纵梁的铺层优化,实现了复合材料前货舱门的轻量化设计。结果表明前货舱门采用复合材料并经过优化分析后结构重量降低了24.30%,具有很大的减重潜力,研究结果为复合材料在飞机货舱门上的应用提供了一定参考。

不同缝合方式的缝合复合材料无损检测及微观状态研究

杨龙英, 黄当明

2018, 0(5): 96-101.

摘要 ( 74 )

PDF (15060KB) ( 91 )

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缝合技术作为整体成型低成本制造技术已在航空领域得到广泛应用。缝合过程中引入缝线,缝线对缝合复合材料的无损检测结果和制件内部的微观状态都会有所影响。不同的缝合方式,缝线在制件内部的状态不同,因此对制件的无损检测结果和微观状态会产生不同的影响。通过实验研究了临缝、链式缝合和锁式缝合三种不同的缝合方式对缝合复合材料的超声A扫描和超声C扫描无损检测结果的影响,以及对制件内部缝线与树脂的结合等的影响。

FRP筋加固砌体结构界面粘结性能的研究现状

王作虎, 刘杜, 杨文雄

2018, 0(5): 102-108.

摘要 ( 83 )

PDF (1253KB) ( 295 )

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表面嵌入式(NSM)加固法为纤维增强塑料筋(FRP筋)加固砌体结构常用的方法,FRP筋脱粘破坏为其首要的破坏形态,研究FRP筋与砌体间的粘结性能和脱粘机理成了这项加固技术的关键。综述了国内外学者关于拉拔试验、界面剪切试验、弯曲试验以及数值模拟的研究进展,对NSM-FRP筋加固砌体结构的界面粘结性能进行了研究。研究发现加固砌体结构的变形能力、能量耗散能力和延性得到了显著增加,增加FRP筋的埋设深度可以有效提高脱粘荷载。最后使用收集到的试验数据对各种粘结性能相关公式进行了校核,对今后拟开展的研究提出了建议。

三维编织工艺及机械的研究现状与趋势

李政宁, 陈革, FrankKo

2018, 0(5): 109-115.

摘要 ( 137 )

PDF (7420KB) ( 821 )

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详细介绍了三维编织工艺和三维编织机械的发展历史与现状,分析对比了三维编织工艺流程及三维编织机的结构特点和适用性,总结了三维编织技术研究的热点和亟待解决的问题,为三维编织机的设计研究提供了一定参考。

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