复合材料科学与工程

毛灵涛, 魏凯, 朱子岩, 刘海洲

2018, 0(9): 5-10.

摘要 ( 126 )

PDF (5944KB) ( 290 )

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利用工业计算机层析技术(Computed Tomography,简称“CT”)和自制的加载装置,实现了玻璃纤维增强复合材料试件三点弯曲加载过程的原位扫描,获取了不同加载阶段的CT图像。采用数字体图像相关法(Digital Volume Correlation,简称“DVC”)测量分析了试件内部三维位移场和应变场,揭示了试件内部的应变演化特征及破坏机理。纤维增强复合材料内部细观结构特征可以作为变形信息的载体,实验中测量精度为0.063体素(2.8 μm)。DVC获取的位移场及应变场分布能直观反映试件内部的结构特征,由横向切应变的分布显示出在试件破坏前已产生了剪切带,最终导致试件在该区域产生层间开裂。此外,由横截面位移分布验证了因横向切应力而导致截面产生翘曲的现象。结果表明,DVC法与工业CT结合所得测量结果能够直观地反映出复合材料内部结构的变形特征,为研究材料内部变形破坏及验证理论模型提供了新方法。

一种粘贴FRP加固混凝土梁设计阶段的挠度验算方法

江世永, 蔡涛, 姚未来, 龚宏伟

2018, 0(9): 11-16.

摘要 ( 120 )

PDF (1161KB) ( 242 )

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目前我国的加固规范对混凝土梁进行外贴FRP加固设计时采用的仍是基于承载能力极限状态的设计方法,在设计阶段只针对加固梁的承载能力进行设计,缺少对加固梁变形进行控制验算的过程,不能保证加固梁在长期使用过程中满足正常使用极限状态的要求。而现有的研究中用于计算加固梁长期挠度的方法大多需要复杂的编程和烦琐的迭代计算过程,并不适用于加固设计阶段采用。因此,仍然需要一个简单且较为准确和安全的解析法来计算加固梁的挠度,以此来满足大范围用于实际工程对结构加固设计的要求。进行了粘贴CFRP板加固混凝土梁(RC梁)在荷载持续作用下的徐变试验,推导了加固梁的短期刚度B_s及由混凝土徐变、收缩导致的挠度增大系数λ,由此提出了一种在设计阶段验算加固梁挠度的方法并与试验数据进行了对比验证。结果表明,提出的加固梁变形验算方法可用在加固设计过程中验算加固梁的变形,从而保证加固梁的安全使用。

基于响应曲面法的风力机叶片覆冰载荷影响因素分析

李姜超, 成斌, 李西洋

2018, 0(9): 17-22.

摘要 ( 92 )

PDF (3795KB) ( 269 )

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以NACA4412翼型风力机叶片为研究对象,通过搭建风力机试验台,以风速、温度、湿度和运行时间为影响因素,利用响应曲面分析法,设计四因素三水平试验方案。采用覆冰叶片整体变形量作为评价指标,探究四个因素对风力机叶片覆冰载荷的影响。运用Design-Expert 8.0数学统计软件,建立覆冰风力机叶片变形量多元响应函数模型,分析因素与响应值变形量之间的响应曲面关系,预测覆冰叶片的变形情况。通过试验验证该回归模型的准确性和可靠性,为风力机叶片覆冰载荷相关研究提供理论依据。该研究对进一步提高风力机运行稳定性,降低运维成本具有重要意义。

厚截面复合材料固化温度不均匀性对力学性能的影响

刘桂铭, 湛利华, 陈效平, 常腾飞

2018, 0(9): 23-29.

摘要 ( 69 )

PDF (7742KB) ( 277 )

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通过对厚截面复合材料层合板不同部位设置隔离膜与热电偶的方法来测试厚截面复合材料在固化过程中沿厚度方向的温度分布。采用横向拉伸和短梁剪切测试手段,研究了厚截面复合材料制件固化过程中沿厚度方向的温度不均匀性对力学性能的影响规律,并通过扫描电子显微镜(SEM)分析了层合板力学性能测试后的断面微观形貌。结果表明,厚截面复合材料固化过程中沿厚度方向存在明显的温度梯度,随着温差的增加,拉伸强度、层间剪切强度力学性能呈下降趋势。以上层合板为参考对象,当层合板沿厚度方向温差为20.6 ℃时,其横向拉伸强度相差7.4%,层间剪切强度相差6.8%;当层合板沿厚度方向温差为10.2 ℃时,其横向拉伸强度相差3.8%,层间剪切强度相差3.4%。这是由于固化温度过高,树脂与碳纤维界面的结合强度降低。该研究为厚截面复合材料制件热压罐成型过程中温度场均匀调控的必要性提供了重要的实验依据及理论参考。

复合材料力矩陀螺支架结构优化及仿真

董晓阳, 史文锋, 郭金海, 章宇界

2018, 0(9): 30-35.

摘要 ( 101 )

PDF (4127KB) ( 257 )

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为了提高力矩陀螺支架结构效率,以结构基频/质量比(ω/m)作为优化目标值,对力矩陀螺支架结构进行了动力学分析。利用有限元软件建模计算,得到复合材料制造的力矩陀螺支架质量为7.32 kg,基频为255.06 Hz,ω/m为34.83 Hz/kg。为了发挥复合材料的性能优势,对力矩陀螺支架通过几何结构进行优化设计。结果表明:本体厚度增加1 mm,ω/m降低4.2%;通过均布T型加强筋增强,ω/m可提高39.21%。基于T型加强筋增强结构,对复合材料铺层进行优化设计。结果表明:准各向同性铺层具有更高的结构效率,ω/m为48.49 Hz/kg;考虑复合材料整体成型工艺性,采用_ns结构适应性铺层设计得到的ω/m为47.79 Hz/kg。

无腹筋BFRP筋玄武岩纤维混凝土深梁抗剪性能试验研究

张志金, 刘华新, 李庆文, 王学志

2018, 0(9): 36-40.

摘要 ( 83 )

PDF (987KB) ( 267 )

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为研究玄武岩纤维对无腹筋BFRP筋混凝土深梁裂缝开展、破坏形态、跨中挠度、剪切开裂承载力及抗剪极限承载力的影响,以玄武岩纤维体积掺率和纤维长度为参数,设计并制作了5根试验梁,通过四分点集中力加载研究深梁的抗剪性能。结果表明:随着纤维特征参数的增大,构件破坏形态出现由斜压破坏向剪压破坏转变的趋势;与普通混凝土深梁相比,相同荷载作用下,玄武岩纤维混凝土深梁跨中挠度和裂缝宽度均随着纤维特征参数的增大而减小;构件剪切开裂承载力和抗剪极限承载力随着纤维特征参数的增大均有所提高。在考虑玄武岩纤维增强作用的基础上,参照GB 50010—2015规范对玄武岩纤维混凝土深梁抗剪极限承载力进行计算,实测值与计算值基本吻合。

含有孔洞缺陷的复合材料粘结层的失效表征

唐哲韬, 赵帅, 刘勇, 许杨剑

2018, 0(9): 41-45.

摘要 ( 94 )

PDF (1279KB) ( 306 )

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复合材料的层间开裂是复合材料破坏失效的主要形式。复合材料中粘结层的粘结强度对材料整体强度具有直接影响,而实际的工业生产中粘结层会不可避免地存在孔洞缺陷。通过有限元仿真、双悬臂梁(DCB)拉伸实验及内聚力参数反演辨识等工作对含有孔洞的粘结界面的失效表征进行了研究。对比了双线性内聚力模型和多线段插值型内聚力模型在当前问题的应用情况。其结果表明,多线段插值型内聚力模型的模拟结果更好,更适用于复合材料层间开裂的失效预测。

含圆形脱粘缺陷复合材料夹层结构侧向压缩破坏载荷与破坏模式分析

张维, 罗利龙, 张国凡, 吴存利

2018, 0(9): 46-51.

摘要 ( 71 )

PDF (4413KB) ( 317 )

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为分析含脱粘缺陷复合材料夹层结构侧压破坏载荷与破坏模式,采用损伤起始判据和损伤演化准则模拟面板与胶层的损伤及破坏过程,建立了考虑材料失效的三维渐进损伤分析模型。针对两种典型复合材料夹层结构,基于所建立的模型完成了破坏载荷预估和破坏模式分析,并将有限元分析与试验结果进行了对比。结果表明:面板较弱时,中部含圆形脱粘缺陷夹层结构侧压破坏模式通常为材料失效压缩破坏,随着载荷的增加,面板中部及脱粘区域周围发生损伤并沿板宽度方向向两侧扩展,直至材料完全损伤发生破坏;面板较强时,侧压破坏模式通常为整体失稳破坏,屈曲后结构基本不再具有继续承载的能力而迅速发生破坏。分析结果破坏载荷预估值与试验吻合较好,破坏模式与试验结果一致。

高声衰减树脂基复合材料超声检测方法

高晓进, 周金帅, 龚文化

2018, 0(9): 52-57.

摘要 ( 96 )

PDF (2062KB) ( 363 )

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根据高声衰减树脂基复合材料的特点,采用高能超声激励技术和接收端信号增强技术结合的穿透法对该种材料进行检测。分析了影响超声波幅值的激励电压、超声仪阻尼电阻、激励电信号波形等因素,提出了双极性方波脉冲串的激励方式,设计了接收端的放大电路,确定了检测参数。结果表明:在小于击穿电压的前提下,激励电压与超声波幅值成正比;其他条件不变,超声仪阻尼电阻调至最大时,可激励最大幅值的超声波信号;在同一条件下,不同激励电信号波形激励的超声波幅值大小关系为双极性方波脉冲串>单方波>尖脉冲;提出的方法实现了高声衰减树脂基复合材料的超声检测,且可检测不大于5 mm的缺陷。

界面污染对复合材料层间性能的影响

李占营, 李金花, 鲁晓锋

2018, 0(9): 58-62.

摘要 ( 110 )

PDF (1475KB) ( 353 )

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采用双悬臂梁试验方法,研究了成型过程中界面污染对玻纤增强复合材料层间性能的影响,并采用基于虚拟裂纹闭合技术的有限元法对层间裂纹扩展过程进行了数值模拟。研究表明:界面污染试验件的层间Ⅰ型断裂韧性低于未污染试验件;界面污染试验件的测试结果发散性大于未污染试验件;虚拟裂纹闭合技术的模拟结果与试验结果吻合良好,可用于预测裂纹扩展载荷。

预应力CFRP筋夹片式锚具改进设计及试验研究

张军, 蔡文华, 荀勇, 胡夏闽

2018, 0(9): 63-69.

摘要 ( 95 )

PDF (1432KB) ( 260 )

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课题组现有一直径为10 mm,锥度为1∶10的整体式夹片CFRP筋锚具,无套管,锚具的破坏形式为CFRP筋在锚具内被剪断。对其进行改进并重新设计了针对直径分别为10 mm和12 mm CFRP筋的夹片式锚具。改进后锚具设置了三种锥度,取消了锚环和夹片间的锥角差,夹片为两片式,夹片缝隙从大端到小端分别是六片式、八片式和四片式。通过试验分析了锚具锥度、预紧力、铝套管厚度等参数对锚具锚固性的影响。结果表明,锥度为1∶15时,锚具实现了筋材在外部的爆断理想破坏,锥度的降低可减小锚具内筋材上的应力集中。夹片内壁做牙纹处理以及采用表面为橘印花纹的铝套管可减小锚具的滑移,筋材直径大的锚具适合厚度大的铝套管,反之则用厚度小的套管。预紧力的增加会减小锚具各组成部件的滑移量,但不会影响锚具的极限拉力。

碳纤维复合材料风力发电机叶片振动特性研究

杨海如, 马祥禹, 喻国铭, 徐仕伟

2018, 0(9): 70-74.

摘要 ( 132 )

PDF (2401KB) ( 290 )

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碳纤维复合材料具有强度高、模量高、质量轻、耐疲劳等特点。针对风力发电机叶片的振动特性及变形形式,设计了碳纤维复合材料风力发电机叶片,并采用ANSYS有限元分析软件对叶片进行模态分析,得到了碳纤维复合材料风力发电机叶片的固有频率。与相同结构的树脂叶片进行对比,结果表明碳纤维叶片固有频率高于树脂叶片的固有频率。对碳纤维叶片进行模态实验,实验结果与仿真结果的误差较小,可为碳纤维复合材料风机叶片提供设计依据。

无机组分对可瓷化聚氨酯泡沫复合材料性能的影响

石敏先, 贺栋培, 沈益锋, 姚亚琳

2018, 0(9): 75-81.

摘要 ( 93 )

PDF (2523KB) ( 395 )

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采用聚醚多元醇、多异氰酸酯、发泡剂以及可陶瓷化无机填料制备了可瓷化聚氨酯泡沫复合材料。研究了低熔点玻璃粉、蛭石粉、可膨胀石墨以及聚磷酸铵等无机组分对可瓷化聚氨酯泡沫复合材料性能的影响。结果表明,随着低熔点玻璃粉用量的增加,材料的密度增大,导热系数变大,压缩强度下降。在蛭石粉用量不超过6份时,材料在高温处理后的收缩率随着蛭石粉用量的增加而减小。在加入阻燃剂可膨胀石墨和聚磷酸铵总量为9份并且二者配比为1∶1时,材料的氧指数为33。通过实验优化,最终确定了无机填料的最佳配比。

抗菌防霉阻燃蜂窝夹层结构性能研究

陈平, 朱秀迪, 孙超明, 宋志钱

2018, 0(9): 82-86.

摘要 ( 104 )

PDF (1327KB) ( 280 )

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复合材料蜂窝夹层结构由比较薄的面板与比较厚的蜂窝芯胶接而成,具有轻质、高强、抗失稳等优点,长期以来被广泛应用于航天、航空、地铁、中高档乘用车的行李箱等内饰部位。传统的面板与蜂窝芯主要针对力学性能进行研究,随着航天事业的发展,航天人对材料的性能提出了更高的安全要求。在传统的复合材料蜂窝夹层结构成型工艺的基础上通过添加一定比例的添加剂,研制出一种将抗菌、防霉、阻燃、低烟等安全性能融为一体的多功能蜂窝夹层结构,通过抗菌防霉实验研究抗菌防霉性能,通过燃烧实验研究阻燃性能,通过毒性实验研究燃烧后有毒气体的浓度,通过逸出有害气体研究有害气体的含量。实验表明所研制的蜂窝夹层结构具有优异的抗菌、防霉、阻燃、低烟性能,并且该材料也表现出了优异的力学性能,可以在航天、航空等特种设备上使用,为我国航天事业的发展奠定基础。

纤维铺层顺序对VARI工艺制备的泡沫填充GFRP矩形管轴向压溃性能影响的实验和数值模拟

TAPAArnauldRobert, 王继辉, 王昌增, YUNUSAMujaheed

2018, 0(9): 87-97.

摘要 ( 87 )

PDF (18607KB) ( 63 )

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层合板的铺层顺序是影响其在压溃过程中能量吸收性质的重要因素。然而,正确研究铺层顺序的影响,还需结合其他设计参数,比如制造工艺。迄今为止,针对铺层顺序对泡沫填充GFRP管轴向压溃性能的影响已进行了大量研究,但大多采用拉挤、缠绕或手糊工艺。用实验和数值模拟的方法研究了铺层顺序对真空辅助树脂灌注(VARI)工艺制造的泡沫填充GFRP矩形管轴向压溃性能的影响,并从中得出了最优纤维铺层顺序,可获得最佳吸能效果。

预浸料变形性能参数的测量方法研究

李妍, 原崇新, 李永行, 蔡志强

2018, 0(9): 98-101.

摘要 ( 100 )

PDF (2325KB) ( 259 )

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复合材料设计软件中预浸料等材料的性能参数大部分可从供应商处获得,但缺少影响制造可行性模拟的材料变形性能参数——预警角度(warning angle)和极限角度(limit angle)。预警角度和极限角度的大小将直接影响软件中纤维变形模拟结果的真实性,并影响无褶皱铺放的制造要求。对预浸料的预警角度和极限角度测量原理进行研究,分析并验证了预警角度和极限角度测量方法的可行性,将测量结果输入FiberSIM中,对吊挂前缘模具的预浸料铺放变形性进行模拟仿真,并将模拟结果同实际铺贴效果进行比较,结果一致,褶皱变形位置及变形尺寸准确无误。结果表明,本文提出的预浸料变形性能的测量及验证方法对复合材料制备过程的铺放模拟和铺层设计具有重要的指导意义。

特高压复合支柱绝缘子用内绝缘芯棒概况

张强, 赵卫生, 李安睿

2018, 0(9): 102-105.

摘要 ( 90 )

PDF (1302KB) ( 280 )

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介绍了复合支柱绝缘子内绝缘芯棒在特高压电站中的情况。复合支柱绝缘子主要由三部分组成:内绝缘芯棒、硅胶外套及伞裙、两端的连接金具。着重介绍了复合支柱绝缘子中起关键承力作用的内绝缘芯棒。从内绝缘芯棒的分类、各自的优缺点、成型机理、制造工艺方法等方面进行了评述,为今后特高压复合支柱绝缘子用内绝缘芯棒选材提供参考。

纤维增强PMR型聚酰亚胺复合材料研究概况

高龙飞, 李松, 肖沅谕, 张雪梅

2018, 0(9): 106-110.

摘要 ( 141 )

PDF (894KB) ( 376 )

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自20世纪70年代开始,国内外相继开展了PMR型热固性聚酰亚胺树脂及其复合材料的研究工作。截止目前,纤维增强PMR型聚酰亚胺复合材料最高使用温度可达450 ℃。介绍了聚酰亚胺树脂的改性方法与纤维增强PMR型聚酰亚胺复合材料成型工艺及其发展现状,并对其未来发展趋势进行了展望。

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