复合材料科学与工程

吴尘瑾, 祖磊, 李书欣, 汪准

2018, 0(4): 5-10.

摘要 ( 138 )

PDF (4662KB) ( 332 )

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与传统纤维直线铺放的复合材料层合板相比,变刚度层合板可以更好地实现材料的可设计性,并通过铺放路径的优化设计提高层合板的屈曲载荷。首先,对铺放角随坐标轴线性变化的铺放路径进行扩展,提出多种铺放角非线性变化的曲线线型,并以此作为基准轨迹重新设计了四种纤维变角度铺放方式。其次,利用ANSYS软件对上述五种不同铺放路径的变刚度层合板进行建模运算,在单轴和双轴载荷下,对其进行屈曲载荷计算分析并与定角度铺放的层合板对比。计算结果表明,铺放路径优化下的变刚度层合板与纤维直线铺放的层合板相比,其屈曲载荷得以显著提高。

氯盐干湿循环作用下嵌入式CFRP筋与混凝土界面粘结性能研究

巩家宗, 杨树桐, 刘洋

2018, 0(4): 11-14.

摘要 ( 120 )

PDF (895KB) ( 360 )

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海岛工程建设中,潮汐作用下的海水干湿循环是影响纤维增强复合材料(FRP)加固混凝土结构耐久性能的主要因素之一。针对碳纤维增强复合材料(CFRP)筋嵌入法加固混凝土结构,通过CFRP筋从混凝土块中的拔出试验研究高性能纤维增强水泥基复合材料(HPFRC)和环氧树脂胶作为加固粘结材料时,海水干湿交替循环作用下嵌入式CFRP筋与混凝土界面的粘结性能,并对其破坏模式、极限粘结承载力进行分析。结果表明:环氧树脂胶作为粘结材料时,随干湿交替循环次数的增加,极限粘结承载力略有下降;而HPFRC作为粘结材料时,干湿循环90 d内的极限粘结承载力得到持续增长,可以达到作为粘结材料时极限承载力的70.3%,因此HPFRC可以作为粘结材料应用于潮汐环境下的FRP筋嵌入法加固海工混凝土结构中。

碳纤维复合材料缠绕制品抗外压性能研究

杨凌峰, 蔡浩鹏, 陈恩, 田文华

2018, 0(4): 15-20.

摘要 ( 116 )

PDF (1454KB) ( 226 )

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研究了树脂基体模量、缠绕角和厚度对碳纤维复合材料缠绕制品抗外压性能的影响。实验结果表明:采用MNA共混PMDA固化环氧树脂并调整PMDA含量可以有效改变树脂模量,随着PMDA含量的增加,树脂模量提高。当PMDA含量仅为MNA的5%时,树脂模量从3.71 GPa增加到4.18 GPa,提高了13%;当PMDA含量为MNA的10%时,模量达到最大值,为4.61 GPa,提高了24%。随着基体模量增加,单向CFRP的压缩强度、剪切强度和环刚度均先增加后减少。当基体模量为4.18 GPa时,CFRP的压缩强度和剪切强度均达到最大值,分别为655 MPa和71.6 MPa,提高了16%和12%。此时,缠绕管环刚度达到最大值,为277 kN/m²,提高了87%;同时增加缠绕角和厚度能够提高缠绕管的抗失稳能力。

平纹编织复合材料层板高速冲击损伤机理研究

杨光猛, 赵美英, 万小朋

2018, 0(4): 21-26.

摘要 ( 90 )

PDF (2437KB) ( 330 )

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根据碳纤维平纹编织复合材料层板在高速冲击下的断裂形貌特征,基于能量守恒原理构建层板的能量解析模型。模型考虑弹体动能被层合板的剪切破坏、拉伸断裂、压缩变形、分层损伤以及冲击区运动等损伤模式吸收,最终得到常微分形式的能量平衡方程。方程的几何参数中剪切充塞孔深度由试验弹道极限速度及理论求解得到,裂纹长度和分层损伤区域通过弹道冲击试验测量获得。在验证模型准确性的基础上,研究表明层合板在中速冲击时纤维拉伸断裂损伤吸收最多的能量,而高速冲击时压缩变形成为主要的吸能方式。在整个冲击过程中,较大的分层损伤区域使得基体的能量吸收作用不可忽视。层合板在平头弹冲击下与圆头弹相比吸收了更多的能量。

飞机中央翼上壁板斜切单接头复合材料长桁端头压缩性能研究

张明星

2018, 0(4): 27-31.

摘要 ( 114 )

PDF (4983KB) ( 239 )

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为研究飞机中央翼上壁板斜切单接头复合材料长桁端头的压缩性能,制作了中央翼斜切单接头长桁端头试验件,通过对试验件进行轴向压缩测试,建立了中央翼上壁板斜切单接头复合材料长桁端头区域的有限元模型,进行了试验前有限元分析计算,通过试验测得了整个试验件的载荷-应变曲线。试验结果表明,试验件发生非线性变形,然后随着载荷的增加,连接肋缘条、蒙皮、长桁的螺栓被剪断,紧固件连接失效,试验件被破坏。长桁蒙皮区域最大的应变出现在肋缘条和蒙皮连接的第一排钉附近,同时试验测得破坏载荷与有限元计算的结果总体一致,证明了有限元模型的合理性。

CFRP蒙皮-CFRP胶接质量的原位超声检测技术

高晓进, 周金帅, 江柏红

2018, 0(4): 32-38.

摘要 ( 113 )

PDF (1851KB) ( 208 )

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根据CFRP蒙皮-CFRP胶接结构的特点,采用窄脉冲超声反射法对其胶接质量进行原位检测;仿真分析了胶接结构中胶膜及界面脱粘对超声波反射信号的影响;并用自制的窄脉冲延迟块超声探头对脱粘试块进行检测。仿真分析表明:窄脉冲超声波反射信号能够检测Ⅰ界面脱粘;d/λ(胶膜厚度/超声波波长)≤0.5时,能够检测Ⅱ界面脱粘。实验结果表明:自制的5 MHz探头产生的脉冲周期不大于1.5周,达到窄脉冲的要求;采用超声反射法检测时自制的5 MHz探头能够检测出Ⅰ界面脱粘和厚度不大于0.5 mm胶膜的Ⅱ界面脱粘,满足实际产品的原位检测需求。

玻璃钢游艇VARI工艺参数优化研究

蔡应强, 陈清林, 赵云宝, 朱兆一

2018, 0(4): 39-44.

摘要 ( 56 )

PDF (8112KB) ( 107 )

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以某玻璃钢游艇为对象,建立艇体三维实体模型和有限元模型,采用Darcy定律模拟树脂在多孔介质中的流动前沿。以缩短充模时间和降低生产成本为目标,优化得到最佳流道布置方案和注脂口间距,并通过填充试验验证了仿真结果的准确性,对玻璃钢游艇的实际生产具有指导意义。

EPP泡沫填充对铝蜂窝动态冲击性能的影响研究

刘强, 何兆亨, 陈航

2018, 0(4): 45-50.

摘要 ( 109 )

PDF (2736KB) ( 236 )

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采用动态冲击实验方法研究了EPP(聚丙烯塑料发泡材料)泡沫填充对铝蜂窝结构动态冲击性能的影响。研究发现:在相同的冲击速度下,相对空铝蜂窝,EPP泡沫填充铝蜂窝结构的初始峰值应力和平均应力分别提高了32.86%~68.57%和15.00%~72.50%,比吸能下降了33.54%~66.56%;在相同的泡沫密度下,填充结构的初始峰值应力、平均应力和比吸能值均随着冲击速度的增加而增加,2.6 m/s和3.2 m/s时的比吸能比2 m/s时的比吸能3.26 J/g增加了68.10%~152.45%;对比准静态压缩实验,动态冲击中的初始峰值应力提升了1.72%~12.04%,平均应力下降了6.51%~18.84%,比吸能下降了31.50%~65.50%。研究表明,利用EPP泡沫填充铝蜂窝,能改善铝蜂窝结构的轴向动态冲击性能。

干铺丝预制体的液体成型工艺研究

王林祥, 还大军, 肖军, 王俊生

2018, 0(4): 51-55.

摘要 ( 102 )

PDF (6574KB) ( 314 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

为解决RTM类成型工艺中的预制体制备及定型问题,在国内率先开展对干铺丝-液体成型工艺的研究,主要研究内容为液体成型过程工艺参数影响机制及制件的力学性能。采用单因素法确定液体成型时预制体粘结剂含量、注胶温度、充模时间的影响机制,再通过正交法确定了最佳工艺组合,最后就层间剪切与弯曲性能与模压工艺进行比较。实验结果表明,液体成型过程中,树脂的流动充模会受到工艺参数不同程度的影响,注胶温度的影响最大,充模时间影响甚微,通过正确的工艺组合可以减少孔隙等缺陷,保证复合材料的内部质量。力学性能测试表明,干铺丝-液体成型工艺的力学性能水准与模压工艺持平,其中弯曲强度略有降低。

激光处理对CFRP与铝胶接性能的研究

吴瑶, 孔海娟, 丁小马, 乔蒙蒙

2018, 0(4): 56-61.

摘要 ( 83 )

PDF (15351KB) ( 112 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

碳纤维增强复合材料(CFRP)具有轻质高强的特点,被广泛应用于汽车、航空航天、建筑等领域。但CFRP表面惰性高,使得CFRP与其他异质材料复合时的胶接强度低,不能满足使用。采用激光(光纤激光器)对CFRP进行表面处理后,再与铝进行胶接测试。利用SEM、接触角测试和光学轮廓仪测试对不同脉宽的激光处理后的CFRP表面形貌、表面能、表面粗糙度进行研究。结果表明,随脉宽增加,处理后的CFRP表面树脂残留量减少,表面粗糙度增加,表面自由能也相应增加。对比激光处理与机械打磨两种方式与铝的胶接性能发现,激光处理的CFRP与铝的胶接强度比未处理提高了1.95倍,比打磨处理提高了1.02倍。对其胶接断面进行分析可知,激光处理试样的断裂模式主要为纤维撕裂破坏。

基于CBR的复合材料构件适航维修知识库构建

贺强, 杨晓强, 徐艺

2018, 0(4): 62-67.

摘要 ( 85 )

PDF (1338KB) ( 225 )

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针对复合材料结构适航维修经验知识依赖性强、知识重用困难的问题,提出了构建复合材料结构适航维修知识库这一解决方案。首先基于案例推理(Case Based Reasoning,简称“CBR”)的方法系统构建了复合材料结构适航维修知识库框架。然后在复合材料结构适航维修案例组成特征分析的基础上,建立了案例表示模型,基于案例表示模型构建了案例检索的语义检索索引和属性值检索索引并设计了相应的相似性评价方法。最后定制了数字化维修模板以实现适航维修知识的应用。实验结果表明,该系统能有效重用复合材料结构适航维修知识,有利于提升适航维修的质量与可靠性。

基于汽热法风力机叶片除冰传热分析

杨博, 宁立伟, 魏克湘, 周舟

2018, 0(4): 68-73.

摘要 ( 80 )

PDF (1806KB) ( 226 )

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基于气热法对风力机叶片除冰的传热计算进行分析,主要为给定空气加热器输出热量后,对除冰时间的传热分析进行计算。首先介绍了风力机叶片结冰的机理和气热法除冰的原理,然后进行传热过程中的对流换热以及导热的理论计算,从而得到了各个传热过程中的传热量,并且估算出最佳除冰温度下空气加热器的最小输出热量,最后通过仿真实例计算出理论上达到除冰要求时所需要的时间。对叶片进行传热分析可以评估除冰系统运行时的效率,提高除冰系统的经济性,同时也为工程传热计算提供依据。

几种大型风力发电叶片用环氧树脂复合材料的对比分析

邓双辉, 冯云龙, 刘坐镇

2018, 0(4): 74-79.

摘要 ( 123 )

PDF (4342KB) ( 227 )

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将风电叶片用真空灌注型环氧树脂体系MERICAN 3311A/B与同类两款产品进行了对比分析,研究了三种树脂体系对玻纤的浸润性;采用真空导入成型技术制备了复合材料板,并对复合材料的力学性能进行了研究。结果表明,MERICAN 3311A/B粘度低、浸润性良好、FRP力学性能高,与纤维的匹配性良好,达到甚至某些方面已超越国内外同类进口产品的水平,能够满足风电叶片对树脂的性能要求。

基于路面基层最大层底应力条件下玻璃钢夹砂管涵洞的优化分析

王清洲, 梁筱, 魏连雨, 汪洋

2018, 0(4): 80-85.

摘要 ( 126 )

PDF (4876KB) ( 251 )

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玻璃钢夹砂管在公路涵洞中的应用越来越广泛,但由于目前对管道的微观力学分析较少,在公路涵洞工程中的应用缺乏相应的标准与依据。运用数值模拟软件ABAQUS建立路面-管涵-土体的整体模型,分析了不同工况下玻璃钢夹砂管变形与路面基层层底拉应力。通过对管壁厚度进行优化设计,得出不同工况下基层层底拉应力达到临界劈裂强度时管涵的最优径厚比范围,从而在满足路面及管涵结构安全的前提下,为实现工程成本最小化提供可靠的分析依据。

吊装自成型GFRP弹性网壳的找形方法与施工过程模拟

邹乐, 向升, 程斌

2018, 0(4): 86-91.

摘要 ( 100 )

PDF (3569KB) ( 241 )

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吊装自成型GFRP弹性网壳结构由统一规格的GFRP长直圆管杆件组成,并利用GFRP材料自重轻、弹性模量低的特点,使得杆件在吊装过程中由于自重作用产生弯曲变形,从而自动形成设计所需曲面。采用有限元方法并结合程序二次开发,针对一种具有单轴对称曲面的GFRP弹性网壳结构进行找形分析,提出相应的找形迭代算法并通过实例验证其有效性,在此基础上开展吊装施工全过程数值模拟。结果表明,找形算法具有很好的计算精度和计算效率,能满足此类网壳结构的设计和施工要求,成型后的网壳结构具有很好的承载能力储备。

SMC轻量化初步探究

周振方, 王立和, 葛平, 彭周岗

2018, 0(4): 92-97.

摘要 ( 115 )

PDF (4818KB) ( 285 )

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为实现SMC轻量化,通过模压工艺,从原材料选型、配方设计以及工艺过程控制三个方面对轻质SMC(片状模塑料)进行了探究。首先,通过研究不同类型中空玻璃微珠(HGS)对制品比重、光亮度以及弯曲强度的影响发现,VS5500和H40适合作为轻量化SMC轻质填料,制品的设计密度和真实密度比较接近,且力学性能损失较小。其次,通过配方设计,研究了中空微珠用量、增稠剂类型以及增稠剂用量对制品比重的影响。同时研究了玻纤含量和树脂类型对制品力学性能的影响。研究结果表明,轻质SMC的设计密度不能过低,否则制品中HGS的破损比例将会增加。研究发现EK100作为增稠剂,树脂糊前期粘度可以有效控制,后期粘度快速上升,可以有效防止中空微珠相分离的发生。此外,随着玻纤含量从25%增加到30%,制品力学性能呈现增加趋势,弯曲强度从148 MPa增加到172 MPa,但随着玻纤进一步提高,弯曲强度反而出现大幅度衰减,降到140 MPa。通过研究三种不同类型树脂对制品外观和力学性能的影响,使用P18-03树脂压制的制品外观最好,其弯曲强度为172 MPa,满足汽车外饰件力学性能要求。最后,通过工艺过程控制,研究了微珠处理工艺对制品比重的影响。结果表明,烘干处理的HGS可以有效降低树脂糊的水含量,从而保证树脂糊后期粘度可以达到适合模压的窗口。

八路纤维丝增材铺放头的设计与研究

田会方, 余江江, 陈培

2018, 0(4): 98-101.

摘要 ( 86 )

PDF (1584KB) ( 253 )

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通过对铺放设备结构特点和工作原理的分析,结合国内现有铺放设备存在的问题以及不足,利用三维软件Creo设计一种将铺放与切割相结合的复合加工装置。该装置在实现基本8丝束铺放功能的同时增加切割机构,使铺放与切割协调工作,实现计算机规定的三维实体成型。本研究分别采用叠加方式设计了剪切模块、夹紧重送一体模块;采用压靴形式设计了压实模块,实现了多根丝束单独控制,适用于复杂工件的铺放。采用超声波切割方式,对铺放后碳纤维铺层的边界进行修整切割加工。通过ADAMS对建立的模型进行仿真分析,验证了装置运动的平稳性。各个部件采用模块化设计,具有一定的扩展性。

酚醛空心微球对聚合物基复合材料性能的影响

沈晓钦

2018, 0(4): 102-105.

摘要 ( 100 )

PDF (4593KB) ( 288 )

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以混合后的石英纤维、酚醛纤维和酚醛空心微球作为增强体,加入酚醛树脂制备出复合材料。研究了酚醛空心微球不同配比对复合材料各项力学性能、隔热性能、微观形貌的影响。结果表明,酚醛空心微球能降低复合材料的密度,提升隔热性能,降低力学性能。当酚醛空心微球含量为6%时,酚醛空心微球分散均匀,复合材料的隔热性能有明显提升,材料的比拉伸强度和比压缩强度值最大,获得的效益最高。

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