复合材料科学与工程

赵文政, 李敏, 张燕南, 周伟

2018, 0(6): 5-10.

摘要 ( 98 )

PDF (2714KB) ( 297 )

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利用声发射(Acoustic Emission,简称“AE”)和数字图像相关(Digital Image Correlation,简称“DIC”)互补技术,实时监测单向玻璃纤维增强复合材料压缩试验,研究复合材料屈曲过程中的变形损伤与演化规律。选取AE信号的峰值幅度、峰值频率、质心频率和RA值四个特征参数,结合主成分分析法(Principal Component Analysis,简称“PCA”)与k-means聚类算法对其进行聚类分析。结果表明:复合材料压缩损伤过程的AE信号大致可以分为三类,其特征频率变化范围分别为0~60 kHz、100 kHz~150 kHz和200 kHz~450 kHz,对应基体开裂、纤维脱粘与纤维断裂等三种损伤模式;表面位移场变化信息反映了复合材料试件变形与损伤的破坏特征。AE和DIC方法相结合能够有效监测复合材料压缩过程的损伤演化,可以为复合材料结构的健康监测提供参考。

模具构件相互作用对复合材料固化应变的影响分析

蒋成标, 湛利华, 杨晓波, 刘桂铭

2018, 0(6): 11-15.

摘要 ( 87 )

PDF (1061KB) ( 231 )

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复合材料热压罐固化工艺中,构件的脱模变形是影响成型质量的重要原因。通过热电偶和光纤光栅传感器相结合的方法对复合材料构件在热压罐成型工艺过程中的温度和应变进行了在线监测,研究了模具构件的相互作用导致的应变发展,并分析了树脂固化对模具构件相互作用的影响。结果表明:固化过程初期,应变主要来自构件压实和树脂的流动、凝胶,而后模具构件的相互作用会随树脂固化度的增大而增大,模具与构件之间转变为粘接状态,降温时模具构件的相互作用会使二者发生分离导致构件发生应力释放,并且应力释放会使模具构件的相互作用减弱。

含不同类型分层缺陷层合板的屈曲失效性能

赵晨熙, 朱和明, 张文兴

2018, 0(6): 16-21.

摘要 ( 121 )

PDF (1915KB) ( 203 )

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对含分层缺陷的层合板材料在压缩载荷下进行分层屈曲试验,研究中央分层及边缘分层两种缺陷下的屈曲失效模式,同时结合厚度、分层深度、位置等因素,对两种分层类型进行综合对比分析。结合有限元方法,运用界面元研究了层间的分层缺陷的损伤行为,有限元模拟得到了与实验吻合度较好的数值结果,并进一步研究了分层尺寸及试样尺寸效应的影响。

无纺布增强碳纤维层合板Ⅰ型层间断裂韧性研究

翁添虎, 祖磊, 曹东风, 彭昊阳

2018, 0(6): 22-27.

摘要 ( 73 )

PDF (7075KB) ( 116 )

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与传统的改善层合板层间断裂韧性的方法相比,无纺布层间增韧技术工艺措施更简便、应用对象更灵活,且兼具低成本优势。通过将PPS、PEI、PI三种无纺布加入碳纤维层合板中面层与未增韧试样对比,结果表明,PPS无纺布的加入对Ⅰ型层间断裂韧性能量释放率提高效果最为显著。并于试验中观察到了Ⅰ型加载下,该组试样裂纹尖端存在纤维桥联效应。结合SEM手段获取的层合板断面微观结构信息验证了短纤维无纺布中间层在基体中形成了三维交织的纤维网络,纤维的脱粘和拔出对分层裂纹起到了较好的阻碍作用,从而提升了层间断裂韧性。

粘贴CFRP板加固钢筋混凝土梁的长期变形性能试验研究与数值模拟

江世永, 蔡涛, 姚未来, 龚宏伟

2018, 0(6): 28-33.

摘要 ( 63 )

PDF (1503KB) ( 221 )

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为了研究实际工程中粘贴CFRP板加固钢筋混凝土梁的长期变形性能,从而为加固梁在长期使用过程中是否满足结构的正常使用极限状态提供判断依据,并解决长期试验操作难度大、时间跨度长的问题,进行了粘贴CFRP板加固钢筋混凝土梁的加固以及粘贴CFRP板加固钢筋混凝土梁在持续荷载作用下的长期变形试验,建立了用于计算粘贴CFRP板加固钢筋混凝土梁的长期变形的非线性有限元模型。数值计算结果与试验结果吻合较好。利用该模型对粘贴不同厚度CFRP板的加固梁的长期变形进行了数值计算,结果表明CFRP板对加固梁的长期变形的影响不明显,其总变形的减小主要来源于CFRP板对瞬时变形的约束。

钛合金内衬碳纤维缠绕气瓶水压后轴向缩短分析

王欢, 余珊, 王特

2018, 0(6): 34-38.

摘要 ( 103 )

PDF (1976KB) ( 274 )

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针对钛合金内衬碳纤维缠绕压力气瓶水压试验后轴向缩短的现象,利用ANSYS有限元软件对其水压过程进行模拟计算,通过对气瓶筒身段及封头段各方向位移、应变计算结果的分析,明确了气瓶水压试验后轴向缩短是由封头处内衬外扩残余塑形变形引起的,利于此类气瓶结构设计的优化及尺寸稳定性的提高。

含分层损伤的复合材料层压板后屈曲及低周疲劳分层扩展有限元模拟研究

杜洪雨, 奚晓波, 孟力华, 董晓莉

2018, 0(6): 39-43.

摘要 ( 116 )

PDF (5479KB) ( 244 )

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基于Abaqus软件建立3D层压板有限元模型,采用虚拟裂纹扩展技术(Virtual Crack Closure Technology,简称“VCCT”)模拟分层界面。为接近真实物理模型,引入几何扰动。以含圆形分层区的层压板为研究对象,进行非线性后屈曲分层模拟。根据后屈曲分层扩展分析结果,以Paris模拟疲劳分层的萌生及扩展,研究复合材料低周疲劳特性。

用于西锐SR20复合材料胶接维修的国产中温固化胶膜性能研究

徐艺, 贺强

2018, 0(6): 44-47.

摘要 ( 109 )

PDF (834KB) ( 224 )

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研究了自制中温胶膜J-12和西锐SR20复合材料维修手册提供的AF-163-2M中温胶膜的固化工艺、力学性能及使用温度差异。结果显示:两胶膜在120 ℃~130 ℃时具有较好的固化速率,均能在150 ℃长期使用,满足SR20复合材粘接维修需要;室温下J-12胶膜固化物AF-163-2M胶膜单搭接拉伸剪切强度分别为30.1 MPa、27.4 MPa,J-12胶膜固化物的剪切强度优于AF-163-2M胶膜固化物。综上所述,国产J-12胶膜性能与AF-163-2M胶膜性能相当,可作为替代性产品应用于西锐SR20复合材料粘接维修。

碳纤维复合材料大直径孔制孔方法的研究

王共冬, 李映池, 彭天, 李南

2018, 0(6): 48-53.

摘要 ( 114 )

PDF (4933KB) ( 412 )

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在航空工业领域中,碳纤维复合材料(CFRP)常常会加工大直径孔。在加工大直径孔时,无预制孔钻削直接加工出的孔会出现纤维撕裂、纤维脱出以及孔内壁分层等严重缺陷。首先重点分析了无预制孔钻削、螺旋铣和不同直径预制孔的加工原理和轴向力情况,并估计临界轴向力值;其次使用无预制孔钻削、螺旋铣和不同直径预制孔三种方法,建立对比实验,并对这三种方法的受力情况以及加工质量进行分析。结果表明,钻削的轴向力主要由麻花钻头的横刃提供,而轴向力是导致分层的主要原因。当轴向力小于临界轴向力时,分层明显减小,而由于消除了横刃的影响使得预制孔方法加工时轴向力降低47%至61%,出口处分层因子较无预制孔钻削减小83%,因此预制孔方法在制造大直径孔时表现突出。

AFRP加固钢筋混凝土梁抗爆性能数值模拟研究

孔祥清, 戚雪剑, 刚建明, 章文姣

2018, 0(6): 54-61.

摘要 ( 125 )

PDF (4609KB) ( 202 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

借助非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立了爆炸荷载下钢筋混凝土(RC)梁以及芳纶纤维增强复合材料(AFRP)加固后RC梁的三维有限元模型,对比分析了RC梁AFRP加固前后的破坏形态及跨中位移峰值。数值模拟结果表明,AFRP布不仅可以改变RC梁在爆炸荷载下的破坏形态,还可以明显改善梁的变形程度,加固后相较于未加固梁跨中位移峰值约减小50.7%。在此基础上,还分析了AFRP加固方式、加固尺寸、加固层数以及FRP材料类型等因素对FRP加固后RC梁抗爆性能的影响。

Ø50 mm改性聚氨酯/玄武岩纤维复合绝缘子芯棒的制备

杨红军, 吴兆峰, 邹毅, 杨小利

2018, 0(6): 62-65.

摘要 ( 101 )

PDF (3184KB) ( 235 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

以改性聚氨酯(PUA)为基体,玄武岩纤维(BF)为增强材料,采用拉挤成型工艺制备了Ø50 mm的PUA/BF复合材料芯棒。重点研究了拉挤速率和纤维含量等对大直径PUA/BF复合芯棒力学性能、渗透性能和电气性能的影响。研究表明,当拉挤速度为300 mm/min,纤维含量为79.7%,偶联剂为KH570时,PUA/BF复合芯棒具有最佳的综合性能,其生产效率高、致密性好、品红测试合格,SEM测试显示树脂对纤维具有非常好的粘附性和浸润性,水扩散试验表明在水煮100 h后泄露电流仅为31 μA,满足特高压线路复合绝缘子绝缘性能要求。

典型舰用复合材料DMA动态力学性能试验研究

杨国威, 梅志远, 李华东, 周军

2018, 0(6): 66-72.

摘要 ( 107 )

PDF (1750KB) ( 362 )

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典型舰用复合材料体系以玻璃纤维(SW220(S2))、碳纤维(T700)等为增强纤维,乙烯基类(430LV、3201)树脂和环氧类(350)树脂等为基体,以其为研究对象,通过开展不同纤维和基体组成的纤维增强复合材料(FRP)动态热机械分析(DMA)试验,得到以上材料体系在不同温域和频域内的阻尼特性,并对树脂基体种类、铺层角度和增强纤维类型的影响规律进行分析。研究结果表明:树脂基体是影响FRP阻尼特性的主要因素,三种树脂基体中,tanδ_max(430LV)≈0.88,tanδ_max(3201)≈0.8,tanδ_max(350)≈0.7,常温段(0 ℃~30 ℃)损耗因子基本相同,约为0.05,加入纤维后,FRP的损耗因子下降至0.035左右,但储能模量提高了7倍~8倍;常温段,与0°/90°铺层方向相比,±45°铺层复合材料的损耗因子提高约0.025,储能模量下降6 GPa~8 GPa;0 ℃~30 ℃,与碳纤维增强复合材料(CFRP)相比,玻纤增强复合材料(GFRP)损耗因子是其两倍,但储能模量只有其1/3。实验频率从1 Hz增加到1000 Hz,FRP的损耗因子降低45%~70%,储能模量上升10%以内。

帽形长桁先进拉挤预成型技术研究

陈以传, 齐俊伟, 肖军, 王宇

2018, 0(6): 73-77.

摘要 ( 101 )

PDF (3684KB) ( 229 )

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针对帽形长桁先进拉挤成型工艺,为了确保平直的预浸料层组在预成型的连续弯曲变形过程中不发生褶皱和劈裂,对预成型的变形过程进行分析,设计制造了预成型模具来约束预浸料的变形轨迹,分析制定了预成型工艺,并进行长桁试制实验验证。实验制得的长桁表面质量优异,截面R角区无褶皱等缺陷,满足产品要求,为帽形长桁的先进拉挤成型奠定了基础。

硅橡胶辅助加压成型树脂基复合材料工艺研究

程健男, 徐福泉, 王志刚

2018, 0(6): 78-82.

摘要 ( 100 )

PDF (2013KB) ( 372 )

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树脂基复合材料成型过程中经常使用辅助材料来改善产品的质量、优化工艺过程,其中硅橡胶作为辅助加压材料,被大量应用于复合材料的固化炉、热压罐成型工艺中。硅橡胶具备高可塑性、耐温性等优点,在固化过程中能够稳定地对产品施加压力,保证产品表面及内部质量。通过对硅橡胶热膨胀加压及辅助传压等不同成型工艺过程的比较,进行了硅橡胶热膨胀加压工艺间隙的理论分析,系统地阐述了硅橡胶辅助加压工艺的实现过程,提出了温度、硅橡胶体积、模具间隙与固化压力之间的关系。

纯电动汽车碳纤维复合材料电池箱体的铺层设计研究

段端祥, 赵晓昱

2018, 0(6): 83-88.

摘要 ( 109 )

PDF (4339KB) ( 626 )

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为解决碳纤维复合材料电池箱体轻量化设计中的铺层设计问题,现以某款纯电动汽车的电池箱体为研究对象,采用T300/5224复合材料,综合垂直颠簸、急刹车和急转弯工况,利用OptiStruct通过自由尺寸优化、尺寸优化、层叠次序优化来得到最佳的铺层分布方案;采用对称布置形式,其目的是减少弯扭变形与面内力的影响;各铺层固化厚度均为0.125 mm,最终得到的最佳铺层顺序为[±45/0/±45/0/90/0/90/0/±45/0/90/0/90/0/±45/90/±45/90/±45/90/±45/90]_s。在满足相关工况的要求下,进行强度校核,使刚度得到提高,同时重量也大大减轻。优化后的质量与同等钢制电池箱体相比减轻了65.89%,充分发挥了复合材料比强度高、比模量大等优点,轻量化效果明显。

多工位数控纤维缠绕机的研究与设计

徐东亮, 王成, 徐征, 朱炯滔

2018, 0(6): 89-93.

摘要 ( 103 )

PDF (2934KB) ( 278 )

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通过对已知的纤维缠绕机进行研究,并对其工作原理和结构特性进行分析,发现在当前的系统之中,存在纤维制品生产过程不连续、效率低下等问题,然后改进了纤维缠绕机,并制定出改进后的工作流程,设计出多工位纤维缠绕机成型结构,采用Solidworks完成了三维建模,并将处理完毕后的三维模型导入Workbench中进行仿真分析。在原有纤维缠绕机的基础上进行优化,采用了龙门式布局结构、机械手装卸芯模方案、床头箱动力分离输出装置、两列芯模交替协同作业等技术措施,既保证了结构的整体性,节省了人工成本,又提高了纤维缠绕机的自动化水平,使缠绕小车在机械手的协助下能够最大限度地实现连续缠绕生产,大大提高了制品的生产效率。同时对横梁进行响应曲面的优化设计以减少横梁的重量,节省了成本,并对纤维缠绕机的横梁进行静力学分析,判断设计是否合理。

等温DSC法研究风电叶片用环氧树脂固化动力学

谢占军, 杨喜, 王继辉

2018, 0(6): 94-98.

摘要 ( 88 )

PDF (1200KB) ( 305 )

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为研究风电叶片用环氧树脂的固化反应进程,采用等温DSC法测得了树脂体系在60 ℃、70 ℃、80℃下的等温放热曲线,并通过Matlab拟合功能对n级动力学模型、自催化模型和Kamal模型三种基本模型进行了分析,结果表明该树脂体系符合Kamal模型。在对Kamal模型计算结果与实验数据的对比中发现,计算结果在后段出现了偏高的现象,因此必须考虑扩散效应的影响。在对两个扩散控制Kamal模型的对比中可以发现Chern模型结果较优,该模型对转折点附近的拟合结果较为符合实际。

不同缝合方式对缝合复合材料力学性能的影响研究

杨龙英

2018, 0(6): 99-103.

摘要 ( 104 )

PDF (5490KB) ( 240 )

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缝合技术作为整体成型的制造技术,能有效增强复合材料的层间强度和抗冲击损伤性能。在缝合技术中有不同的缝合方式,目前常用的缝合方式有锁式缝合、链式缝合和临缝三种。不同的缝合方式对复合材料的层间剪切性能、压缩性能、拉伸性能和弯曲性能会产生不同的影响。主要研究了在三种不同的缝合方式下,复合材料的压缩性能、拉伸性能和弯曲性能的变化。

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