复合材料科学与工程

张翔宇, 刘荣桂, 谢甫哲, 谢桂华

2018, 0(10): 5-11.

摘要 ( 72 )

PDF (2827KB) ( 193 )

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基于内聚力模型的承载力公式对CFRP索粘结式锚具进行了优化设计,对试件进行锚固性能试验测试,并应用于CFRP索弦支穹顶结构中,验证其锚固性能并分析了环索、径索在加载过程中的界面应力分布规律。结果表明,环索锚固区界面应力分布在加载过程中一共有5个阶段,自由端应力在各阶段中最大。在到达临界阶段之前,环索中部应力小于加载端应力;在临界阶段之后,中部应力大于加载端应力;径索自由端应力在各阶段始终高于其他部位的应力。

小型飞机尾椎类零件的纤维铺放轨迹规划算法

张一卓, 韩妙玲, 赵尧旭, 曹忠亮

2018, 0(10): 12-19.

摘要 ( 112 )

PDF (5964KB) ( 300 )

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对于复杂锥壳类零件,传统的等距平移算法难以保证铺放角度的恒定,同时在实际铺放过程中会对已铺放区域产生影响。针对这一问题,首先提出0°、±45°的完全定角度法和90°的变角度法。完全定角度法可以保证每一条轨迹上任意点铺放角都相等,有效消除了实际铺放轨迹和理论之间的差异;变角度法可以避免铺放过程中间隙和重叠的产生,使得各丝束除端口外不出现重送、裁剪过程。然后,通过等距平移法生成各条丝束,进行边界处理、丝束数量计算,求取下落点、重送点等特殊点,并将各条轨迹通过插值法得到一条完整的末端轨迹。最后,基于CATIA二次开发技术开发了一套纤维铺放软件,并且对小型飞机机身尾椎曲面进行路径规划,证明了该算法的合理性。

碳/芳混杂编织复合材料拉伸变形及损伤声发射监测

尹寒飞, 张鹏飞, 丁振君, 周伟

2018, 0(10): 20-25.

摘要 ( 74 )

PDF (3856KB) ( 196 )

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将碳/芳混杂纤维编织布按不同铺层方式制备复合材料层合板,并结合声发射(Acoustic Emission,简称“AE”)和数字图像相关(Digital Image Correlation,简称“DIC”)方法互补技术,实时监测碳/芳混杂编织复合材料拉伸加载试验,研究复合材料拉伸过程的损伤演化。通过获取复合材料拉伸加载过程中的AE信号与表层位移场信息,分析碳/芳混杂编织复合材料损伤过程的AE特征响应行为与表层变形场变化。结果表明,碳/芳混杂编织复合材料碳纤维方向的幅值衰减比芳纶纤维方向的衰减缓慢。A类试件碳纤维方向加载时,复合材料拉伸强度最高;A类试件芳纶纤维方向加载时,复合材料韧性最好。B类复合材料试件的拉伸强度高于A类试件芳纶纤维方向加载强度值,韧性优于A类试件碳纤维方向加载的韧性。表层变形场信息清晰地反映了复合材料层合板变形与损伤破坏特征。AE与DIC方法互补技术为复合材料的无损检测、损伤评估和健康监测提供了有效途径。

CFRP-钢胶接界面分层损伤区域的Lamb波传播特征研究

何超超, 刘志平, 沈勇, 陈山

2018, 0(10): 26-32.

摘要 ( 87 )

PDF (2658KB) ( 217 )

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针对CFRP-钢板的胶接界面分层损伤,通过仿真位移云图研究了Lamb波在分层损伤区域的传播反射过程,分析了分层长度对损伤回波的影响,设计试验对仿真结论进行了较好的验证;仿真提取分层上下界面节点的位移曲线分析了Lamb波高次谐波的产生原因,研究了分层深度位置、长度和激励幅值对非线性特征的影响。研究显示Lamb波对分层的退出端更加敏感且在分层区域较薄一侧有驻波产生,波的反射系数和非线性系数均随着分层长度的增加而呈振动变化趋势,当分层位置在近表面或者板厚的对称中心时,非线性特征较不明显。为Lamb波在CFRP-钢胶接界面分层损伤中的检测应用提供了重要参考。

冷弯薄壁型钢增强复合材料夹层结构压缩性能试验研究

张富宾, 徐靖, 刘伟庆, 方海

2018, 0(10): 33-38.

摘要 ( 88 )

PDF (1295KB) ( 210 )

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冷弯薄壁型钢增强复合材料夹层结构(GCS structure)由玻璃纤维增强复合材料(GFRP)面板、轻质泡沫和冷弯薄壁型钢组成,即在轻质泡沫芯材内部嵌入冷弯薄壁型钢增强体,提高其Z向压缩刚度和压缩强度。通过平压试验研究了该新型夹层结构的压缩破坏模式和受力机理,并与传统复合材料夹层结构进行对比,分析了不同参数对其压缩刚度、强度、破坏模式及吸能能力的影响。结果表明:相对于传统复合材料夹层结构,该新型夹层结构的压缩刚度和强度分别提高了216.3%和115.8%,但其能量吸收率降低了20.8%;冷弯薄壁型钢增强复合材料夹层结构比压缩强度和比压缩模量最高;铆钉对该新型结构压缩性能影响不大。

不同修补工艺下的大厚度树脂基复合材料修补片热应力

陈淑仙, 田秋实, 包正弢, 顾威

2018, 0(10): 39-46.

摘要 ( 81 )

PDF (4192KB) ( 240 )

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建立了大厚度碳纤维复合材料修补片与母板共固化的有限元数学模型和计算方法,并采用已有实验结果验证了数学模型和计算方法的正确性。计算了修补片与母板共固化过程中的温度、固化度及热应力变化过程,研究了挖补斜度、纤维铺层方向、纤维铺层顺序等修补工艺参数对修补片固化过程中不同阶段温度及热应力场分布的影响。研究结果表明,挖补斜度对于升温和保温阶段修补片内的热应力影响较大,对于降温结束后的修补片热应力影响较弱。增大挖补斜度,可减小大厚度修补片升温和保温过程的热应力,也可避免较大的热应力集中。在整个固化过程中,0°铺层角对应的修补片内的残余热应力最小,90°铺层角对应的修补片内的残余热应力最大,且在修补片顶部中心有较强的应力集中。为了减小残余热应力,纤维的排布方向应平行于修补片与母板接触面,即母板的铺层方向。对称铺层的修补片在整个固化过程中的热应力较小,而顺序间隔铺层和反对称铺层的修补片内热应力较大,大厚度树脂基复合材料修补片应采用对称的铺层设计原则。

正交各向异性板中的兰姆波频散曲线

蔡应龙, 铁瑛, 陈江义

2018, 0(10): 47-50.

摘要 ( 146 )

PDF (1188KB) ( 446 )

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求解了正交各向异性板中的兰姆波频散曲线。利用正交各向异性板中导波的波动方程,通过求解特征值问题获得了位移分量的表达式,并结合板上、下表面应力自由的边界条件,推导出兰姆波在正交各向异性板中的频散方程。根据此频散方程,分析了不同相速度变化范围内波数的取值区间,并以对称模态的频散方程为例,确定频散方程根的合理搜索区间,并用二分法求解出兰姆波的频散曲线。最后分别以各向同性和正交各向异性板作为算例,绘制出了它们的频散曲线,计算结果也表明正交各向异性板中的频散曲线具有与各向同性板不同的特征。

表面形貌对GFRP/铝合金粘接剪切强度的影响研究

郭锋, 孙士勇, 杨睿, 李盼

2018, 0(10): 51-55.

摘要 ( 120 )

PDF (2078KB) ( 212 )

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在玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)和金属的粘接中,粘接界面是整个粘接结构中最薄弱的环节。为了研究金属的表面形貌对GFRP/金属粘接强度的影响,采用不同型号的砂纸磨削铝合金表面以获得不同的金属表面形貌,进而用共固化工艺制备了GFRP/铝合金单搭接试件,通过剪切实验研究了表面粗糙度评定参数R_c(轮廓单元的平均高度)、R_sm(轮廓单元的平均宽度)、R_lo(粗糙度被测的轮廓长度)与粘接剪切强度的关系,在此基础上,分析了粘接剪切强度随R_sm和R_c比值的变化情况。结果表明,太粗糙的表面不利于GFRP与铝合金的粘接,只有R_sm与R_c的比值保持在合理范围内时,树脂胶粘剂才能充分填充金属表面轮廓,此时,R_lo是粘接强度的主要影响因素。

某型系留无人机复合材料机体结构优化设计与分析

冯琨程, 高九州

2018, 0(10): 56-61.

摘要 ( 108 )

PDF (3106KB) ( 266 )

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系留无人机是一种依靠地面系留线缆供电与通信,可长时间留空飞行的无人飞行平台。系留供电方法有效解决了当前多旋翼无人机续航时间过短的问题,适用于军事监控、公共安全、消防等领域。在无人机机体结构设计方案中,为提高无人机飞行高度,必须减轻结构重量,所以机体外壳多采用复合材料设计。复合材料在比强度和比刚度、加工制造等方面优于其他传统材料,在无人机结构中得到了广泛的应用。由于复合材料层合板在生产加工过程中具有可设计性,在复合材料中已经成为使用最多的一种结构形式。以某型系留无人机机体外壳为研究对象,将系留无人机机体结构进行有限元模型简化处理,以模型总体质量作为优化的最终目标函数,以无人机结构外壳的复合材料失效因子作为约束条件,应用工程优化软件对复合材料机体外壳进行自由尺寸优化,整个优化过程需要同时满足复合材料强度及刚度要求。最终从自由尺寸优化结果可以看出,机体结构材料的层间厚度发生了显著变化。与结构设计初期方案比较,经过优化的复合材料铺层厚度降低,最终减轻了无人机总体重量。

碳纳米管石墨烯协同改性环氧树脂复合材料的机敏性研究

田长进, 卢青, 徐茜茜, 孙仁娟

2018, 0(10): 62-69.

摘要 ( 76 )

PDF (5454KB) ( 227 )

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进行了碳纳米管石墨烯协同改性环氧树脂复合材料的机敏性能研究。试验固定碳纳米管质量分数为0.3%,通过改变C级和M级两种石墨烯掺量,得到不同石墨烯掺量下复合材料的导电特性和机敏性。结果显示:C级石墨烯复合材料的阈值区间为11%~15%;C级石墨烯掺量为11%时,试件压敏性最优,噪声最小;掺量为15%时拉敏性最佳,在应力为1.25 MPa时,电阻变化率最大为0.89%。M级石墨烯碳纳米管复合材料的阈值区间为3%~6%;M级石墨烯掺量为3%时,压敏试件的电阻变化率最大为3.21%,但滞弹现象严重;掺量5%时拉敏性最好,噪音最小。在相同分散工艺下,M级石墨烯导电性能优于C级石墨烯。

基于差分进化算法的复合材料层合板优化设计

马森, 赵启林

2018, 0(10): 70-75.

摘要 ( 96 )

PDF (1293KB) ( 240 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

对考虑层数和铺层角变量的复合材料层合板质量最小化优化设计问题进行了研究。通过对问题进行分析,发现目标函数的分布受层数搜索区间的影响较大,容易导致优化设计陷入局部最优解,以及目标函数与层数之间存在线性关系。针对以上特点,提出基于进化机制的自适应搜索空间差分进化算法,在利用该算法解决层合板优化设计问题时,搜索区间会随着种群的进化而缩小,有利于算法逐渐收敛到全局最优解。最后通过实验验证了该算法在解决层合板优化设计问题时具有较好的全局收敛性。

复合材料增强用经编网格结构的性能对比

邵慧奇, 李建娜, 邵光伟, 陈南梁

2018, 0(10): 76-81.

摘要 ( 105 )

PDF (3752KB) ( 384 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

经编网格织物被广泛应用于刚性、半刚性及柔性增强结构材料中,为满足不同工程应用的性能需求,设计制备了矩形、方形、圆形、菱形四种典型经编网格织物,并分别测试和对比了其厚度、面密度、孔隙率、顶破性能、单向拉伸性能和双向拉伸性能。研究结果显示:菱形经编网格织物的厚度最小,且孔隙率最高(77.9%);方形经编网格织物的弯曲刚度最小,最为柔软;四种经编网格织物的顶破性能差异不显著;双向拉伸时,经编网格织物更趋于各向同性,其中菱形经编网格织物的正交各向异性水平最低(λ=0.046),矩形经编网格织物的正交各向异性最显著(λ=0.303)。

考虑结冰质量与刚度影响对风力机叶片模态分析

李正农, 朱胜兵, 潘月月

2018, 0(10): 82-89.

摘要 ( 65 )

PDF (1838KB) ( 399 )

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为防止结冰叶片因气流影响而可能产生的振动破坏,需要了解结冰状态下叶片的自振特性。为此,考虑叶片材料的各向异性,建立了某46.5 m叶长的大型风力机叶片在有、无结冰状态下的模型,具体考虑无冰、结冰质量影响下的均匀与不均匀结冰工况、结冰质量与刚度共同影响下的均匀与不均匀结冰工况等五种工况,并分别进行有限元模态分析,得到各种工况下的前两阶挥舞与摆振、第1阶扭转模态,通过模态置信判据方法进一步对比分析结冰对其模态的影响。结果表明:结冰会造成叶片质量增加,进而频率降低,其中第1阶挥舞频率降低最大约47.79%;而结冰也会造成叶片刚度增加,进而频率增大,其中第1阶扭转频率增长最大约39.51%;叶片各阶挥舞与摆振振型受结冰影响较小,而对叶片30 m~46.5 m范围内的扭转振型影响较大,其中均匀结冰叶片第1阶扭转振型受结冰影响最为明显。

游艇用碳纤-玻纤混杂增强复合材料加速老化性能研究及寿命预测

李萌, 李志铮, 宾远红

2018, 0(10): 90-95.

摘要 ( 83 )

PDF (2848KB) ( 235 )

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采用无碱玻璃纤维与碳纤维混杂增强2597PT不饱和树脂制备碳纤-玻纤混杂增强复合材料,结合游艇在海洋环境下的实际工况,通过人工加速老化方法,对其进行盐雾-紫外交变老化实验,研究其在此老化环境下的性能演变规律,建立寿命模型并进行寿命预测。研究表明:随着盐雾-紫外交变老化周期的增加,材料表面总色差逐渐变大,且表面黄变;复合材料力学性能逐渐降低,且在老化初期下降较为明显;在Gunyaev剩余强度理论的基础上,拟合得到其剩余拉伸强度公式为S=S₀+14.13(1-e^-0.61t)-9.16ln(1+2.49t),相关系数R²=0.997;结合中国船级社《材料与焊接规范》要求,预测此材料在上述条件下可使用约30年。

浸泡环境下单向碳纤维/聚氨酯拉挤板材的性能研究

张雷, 洪斌, 李静, 黄胜德

2018, 0(10): 96-101.

摘要 ( 70 )

PDF (4187KB) ( 224 )

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研究了单向碳纤维-聚氨酯拉挤板材分别在20 ℃、40 ℃与60 ℃蒸馏水、强碱溶液和人工海水浸泡过程中的性能演化。结果表明:在上述环境浸泡1年后,板材的热-力学性能变化不大,如板材面内剪切强度及玻璃化转变温度退化率均小于15%,而拉伸强度变化率小于5%;板材性能对浸泡温度及浸泡环境不敏感。红外光谱分析结果表明,浸泡过程中树脂基体发生后固化,板材热-力学性能的演化主要由复材基体的吸湿塑化引起。最后,比较了聚氨酯板材与环氧树脂基板材在上述环境下的耐久性能差异。

RTM工艺用酚醛树脂性能及耐烧蚀复合材料成型技术研究

孙超明, 卢东滨, 孙燚

2018, 0(10): 102-107.

摘要 ( 121 )

PDF (1275KB) ( 396 )

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以酚醛RTM树脂为考察对象,研究了其流变特性、固化性能、耐热性等,为复合材料的制备提供了工艺参数基础;通过研究复合材料成型过程中温度、纤维体积含量对复合材料性能的影响,最终确定复合材料的成型工艺参数。实验结果表明,该树脂体系RTM成型的适宜灌注温度为70 ℃～80 ℃,固化温度阶梯为90 ℃/120 ℃/160 ℃,适宜的纤维体积含量为50%～55%。开展了不同织物类型酚醛RTM复合材料的性能评价,表明制备的复合材料具有优异的力学性能及烧蚀性能。

纤维增强塑料压力容器分类及国家标准解读

李国树

2018, 0(10): 108-111.

摘要 ( 86 )

PDF (847KB) ( 247 )

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近年来,纤维增强塑料压力容器得到了快速发展,被广泛应用,相关的国家法规和国家标准相继出台。阐述了在新的法规中如何对纤维增强塑料压力容器进行分类,以及如何按照新的国家标准进行不同类别压力容器的设计、制造与检测,并对其中的技术细则进行详细解读。对纤维增强塑料压力容器的设计提供了设计方法,对纤维增强塑料压力容器的质量检验和验收提供了检测方法,详细提出了外观质量的定义和判定准则,提供了力学性能检测试验的方法。对应法规的相关规定,在本标准中对压力容器耐压试验提出了针对性的要求,声发射作为无损检测技术的一种,是目前国际标准中普遍应用的检测方法,进行了声发射检测的实际测试并将声发射检测技术引入玻璃钢压力容器制造行业的检测中,通过现场实验总结出了试验程序和方法。

碳纤维复合材料电泳烘烤前后的力学性能研究

张然然, 王昱昕, 熊建民, 牛丽媛

2018, 0(10): 112-116.

摘要 ( 115 )

PDF (3246KB) ( 317 )

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电泳烘烤是汽车车身涂装的重要组成部分,因此碳纤维复合材料车身件需考虑电泳烘烤对其力学性能的影响。对比了120 ℃固化的碳纤维复合材料电泳烘烤前后的力学性能,并对样条失效模式及机理进行了分析。结果表明:碳纤维复合材料电泳烘烤后拉伸强度有所提升,沿纤维方向和垂直纤维方向分别提升了13.44%和21.12%;在压缩性能方面,沿纤维方向的强度获得提升(21.2%),而垂直纤维方向的强度和模量均出现明显降低(12.45%、11.61%);剪切性能方面,纵横剪切和层间剪切性能均出现不同程度的降低。同时研究还发现,碳纤维复材电泳烘烤后,纤维出现脱粘现象,树脂基体与纤维界面结合强度降低。综上可以看出,在碳纤维复合材料设计阶段需对垂直纤维方向性能以及层间剪切性能进行增强,从而使得碳纤维复合材料体系制备的车身件经过电泳烘烤工序后性能达到相应要求。

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