复合材料科学与工程

郭琰, 黄斌, 钱征华

2018, 0(12): 5-10.

摘要 ( 171 )

PDF (702KB) ( 358 )

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针对开孔复合材料层合板铺层角度的优化设计问题,应用遗传算法以铺层角度为参数进行优化计算,并以一阶固有频率最大化为设计目标。开孔板的固有频率求解通过基于独立坐标耦合法的瑞利里兹法进行,再用遗传算法随机搜索获得一阶频率最大时的铺层角度。考虑了板的层数、孔大小、长宽比、边界条件等因素对优化的铺层角度影响。最后通过优化计算表明,对于方形版,层数和开孔大小不影响最优铺层,而长宽比对最优铺层角度影响重大。

疲劳荷载作用下FRP筋混凝土构件的裂缝宽度计算方法研究

孙理想, 李星, 杨子江

2018, 0(12): 11-15.

摘要 ( 110 )

PDF (530KB) ( 299 )

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FRP筋混凝土构件具有承载力高、耐久性好等诸多优点,目前对FRP筋混凝土构件的抗弯性能研究已经相对较多,然而在实际工程应用中构件常常在重复荷载作用下工作,为了研究疲劳荷载作用下FRP筋混凝土构件的抗弯性能,首先研究了疲劳荷载作用下FRP筋混凝土构件裂缝宽度的开展规律;基于静力荷载作用下FRP筋混凝土构件裂缝宽度计算理论,通过引入相关参数修正得到了疲劳荷载作用下FRP筋混凝土构件的计算公式,并对修正的公式进行了验证。研究表明:FRP筋混凝土构件在疲劳荷载持续荷载作用下,内部会产生疲劳损伤,影响FRP筋与混凝土之间的粘结性能,使得构件整体刚度降低,较早地萌生疲劳裂缝,并且随着荷载作用周期以及作用次数的不断增加,构件裂缝宽度会呈现出逐渐增大的趋势,最终趋于一个稳定的变化范围;通过引入FRP筋与混凝土粘结滑移相关参数a以及受压区混凝土应变增大系数_Nc,修正得到了疲劳荷载作用下FRP筋混凝土构件裂缝宽度的计算方法。

涂层织物类膜材简化桁架模型研究

马奔, 郝圣杰, 徐俊豪, 赵玉帅

2018, 0(12): 16-20.

摘要 ( 97 )

PDF (4587KB) ( 271 )

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在单胞模型的基础上,提出了一种用于预测涂层织物类膜材料力学性能的简化桁架模型。根据组分材料拉伸试验数据,选取以真应变为变量的四次多项式描述纤维束拉伸非线性行为,采用理想弹塑性模型反映涂层的力学响应,并结合扫描电镜试验获取膜材的细观结构尺寸参数。通过ABAQUS有限元软件及UMAT子程序实现上述模型,对膜材的拉伸性能进行预测。结果表明:整体预测结果较好,最大误差约为20%。形成误差的主要原因是纤维束间及纤维束与涂层间的接触非线性不能在模型中得到体现。

苯并噁嗪增韧改性双马来酰亚胺树脂的制备与研究

周如金, 王翔, 王钧, 蔡浩鹏

2018, 0(12): 21-27.

摘要 ( 101 )

PDF (3637KB) ( 229 )

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未经改性的双马来酰亚胺(BMI)树脂存在着树脂溶解性差、固化成型温度高以及固化物脆性高等缺点。通过采用二烯丙基双酚A(DABPA)和3-乙炔基苯胺(m-APA)为扩链增韧剂与N,N′-(4,4′-二苯甲烷)双马来酰亚胺(BDM)共聚,双酚A型苯并噁嗪(BOZ)为共混增韧剂,得到了一种耐高温高韧性的树脂基体。采用FTIR和DSC研究了树脂体系的固化反应过程,同时进行了机械性能测试、热性能分析和显微结构分析。研究结果表明:BOZ树脂的加入能够有效提高双马树脂的韧性,在0wt%~30wt% BOZ树脂范围内,共混树脂体系固化物的冲击性能随着BOZ树脂质量分数的增加而增加,最高可达18.3 kJ/m²,相对于BAD422体系提高了53.8%;弯曲强度略微提升,一直保持在较高水平,最高可达到145.9 MPa;弯曲模量随着BOZ含量的增加而有缓慢升高的趋势。然而,耐热性与热稳定性能降低,但在添加30wt% BOZ树脂时,T_g仍可达250.8 ℃,初始分解温度T_5%为346.5 ℃,说明热性能依然较佳。

PBO纤维与环氧树脂界面粘结性能及其影响因素研究

王倩, 顾轶卓, 刘宁, 张承双, 李敏, 王绍凯, 张佐光

2018, 0(12): 28-35.

摘要 ( 168 )

PDF (6091KB) ( 488 )

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对比了国产及进口聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维的物理化学特性及其与环氧树脂的界面粘结性能;研制了两种环氧树脂体系,利用静态接触角法测试了树脂对纤维的浸润性,利用微脱粘方法测试了树脂与PBO纤维的界面剪切强度;通过湿法缠绕成型工艺制备了PBO纤维/环氧树脂复合材料单向板,测试了其层间剪切强度,分析了树脂体系及工艺对层间剪切强度的影响。结果表明,国产PBO纤维与进口PBO纤维物理性能相近,进口纤维表面活性基团含量较高,与环氧树脂的界面剪切强度更高,树脂中加入偶联剂可以改善界面的粘结性能;所研制的环氧树脂与纤维间浸润性较好,界面剪切强度较高;复合材料单向板层间剪切强度最高达到48 MPa,并认为纤维含量、树脂模量对层间剪切性能有一定影响。

复合材料层合板动力学性能及影响参数的研究

王绍清, 刘鹏, 梁森

2018, 0(12): 36-40.

摘要 ( 119 )

PDF (587KB) ( 326 )

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为了获取复合材料层合板结构的振动特性,以复合材料层合板为研究对象,利用有限元方法分析了该结构的动力学特性,并得到了该结构的主弹性模量比、长宽比和铺层方式对结构固有频率的影响规律。结果表明:结构的前四阶固有频率随着主弹性模量比值和长宽比的增加而增加;随着结构长度和宽度比值的增加,结构的前四阶固有频率的增加幅度增大;一阶固有频率和二阶固有频率随着主弹性模量比值的增加近似呈线性变化;对称层合板结构、反对称层合板结构和非对称层合板结构的前四阶固有频率随着层厚的增加而增加,与其他两种铺层方式相比,反对称层合板结构的前四阶固有频率较大。

碳纤维三维四向编织复合材料拉伸变形与损伤破坏行为

商雅静, 尹寒飞, 周伟, 张燕南

2018, 0(12): 41-46.

摘要 ( 89 )

PDF (2348KB) ( 387 )

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为研究碳纤维三维编织复合材料的拉伸变形、损伤和破坏行为,采用声发射(Acoustic Emission,简称“AE”)与数字图像相关(Digital Image Correlation,简称“DIC”)互补技术,对碳纤维三维四向编织复合材料的声学衰减特性、拉伸变形与损伤破坏过程进行实时监测,动态获取对应的散斑图像与AE特征信号并进行相关计算和AE信号处理。结果表明:复合材料沿编织纱方向的衰减明显低于其他方向,断铅点与传感器的距离越远,衰减幅度越大;试件在加载前期,AE信号水平较低,位移场和应变场变化比较平稳,损伤累积阶段,AE相对能量逐渐升高,材料表现出明显的弹性变形特性,当载荷达到最大值时,拉伸方向和水平方向的位移和应变值均达到最大,试件失效断裂;AE与DIC综合检测与分析能较好地描述试件的损伤演化和破坏过程,为碳纤维三维编织复合材料的安全评价和健康监测提供借鉴。

复合材料垒球棒模态振型和冲击性能的数值分析

解鑫, 毛佳佳, 陈继业

2018, 0(12): 47-52.

摘要 ( 128 )

PDF (2334KB) ( 281 )

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碳纤维复合材料垒球棒相比传统的铝合金球棒和实木球棒,具有重量轻、强度高、抗冲击性能高、疲劳寿命长等特点。利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,建立了复合材料垒球棒模型,并将有限元结果与试验值^[6]进行了对比,验证了模型的可靠性。利用提出的模型,对三种常用复合材料垒球棒进行了数值模拟,对比了模态振型和垒球回弹速度。结果表明,Demarini垒球棒的弯曲和环向模态振型幅值均较小,有利于其工作性能的发挥,且具有较好的击球性能。

螺纹制作工艺对高压玻璃钢油管连接性能的影响研究

李厚补, 高珑, 刘浪, 刘宏峰, 戚东涛

2018, 0(12): 53-56.

摘要 ( 95 )

PDF (426KB) ( 294 )

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高压玻璃钢油管已成为解决钢制油管腐蚀问题的重要方案之一,但由于螺纹连接强度不够,高压玻璃钢油管的轴向拉伸性能受限严重,极大限制了该产品的应用井深和应用领域。以2 7/8 in、PN17 MPa的玻璃钢油管为研究对象,采用冲击及拉伸等试验手段,研究了螺纹材质、螺纹牙型、螺纹连接长度、螺纹粘接面状态等螺纹制作工艺参数对高压玻璃钢油管螺纹连接性能的影响。结果表明,在考虑螺纹制作工艺可行性的基础上,传统螺纹胶泥配方中添加1.1%的短切碳纤维和1%的K550偶联剂,螺纹长度适当增加时,均可确保螺纹拉伸性能得到大幅度的提高。在相同工艺条件下,长圆螺纹最大拉伸失效载荷比偏梯形螺纹提高约28%。高压玻璃钢油管锥面开槽后的螺纹连接性能未见明显提升,且在一定程度上增加了螺纹制作工艺的复杂性,不推荐采用。

定型压力对PES薄膜改性复合材料拉伸性能的影响研究

瞿立, 李进, 康少付, 张佃平

2018, 0(12): 57-61.

摘要 ( 94 )

PDF (6519KB) ( 287 )

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复合材料以优异的综合性能被广泛用于航空航天和汽车等领域,但高昂的制造成本阻碍了其进一步应用;低成本制造高性能复合材料一直是研究热点。针对真空辅助成型(VARTM)工艺所得复合材料力学性能差的不足,将聚醚砜(PES)薄膜置于预制体纤维层间,在一定温度和定型压力下制得改性预制体,最后采用VARTM工艺制得改性复合材料。研究了0.1 MPa、0.3 MPa和0.6 MPa定型压力下所得改性复合材料的拉伸性能,结果表明,与未改性复合材料相比,改性复合材料试样的拉伸强度和模量性能均得到提高。三种定型压力下改性复合材料的拉伸强度分别提高了16.78%、41.21%和29.47%,拉伸模量分别提高了2.48%、19.01%和13.22%,为低成本制造高性能复合材料提供了参考。

不同温度下CFRP单向板切削力和加工损伤研究

葛恩德, 王东, 李汝鹏, 成德, 陈晨

2018, 0(12): 62-66.

摘要 ( 88 )

PDF (6398KB) ( 315 )

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碳纤维树脂基复合材料(CFRP)以其轻质、高强等优点,在航空航天高端装备上展现出巨大的优势。然而,CFRP属于难加工材料,力学性能和热性能在不同的纤维方向下呈现明显的各向异性,加工过程中极易产生损伤,同时温度变化也极大地影响了其加工性能,进而加剧损伤程度。因此,为实现CFRP的高质量加工,阐明温度对CFRP切削性能的影响至关重要,搭建了控温直角切削实验系统,以切削力和加工损伤为评判依据分析温度对不同纤维方向复合材料切削性能的影响,发现不仅CFRP树脂基体在温度变化后对材料力学性能产生影响,随着切削角增大,材料内部纤维增强相也会愈发显现其对材料的作用。为后续工艺参数的优化及新工艺的开发提供了新的数据及理论支持。

异形蜂窝吸波材料的设计与研制

郭雪松, 陈乐, 孙惠敏, 顾兆栴, 夏晨硕

2018, 0(12): 67-71.

摘要 ( 173 )

PDF (1249KB) ( 455 )

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相较于普通正六边形蜂窝,异形蜂窝在力学性能上具有优势,且具有更明显的各向异性,但其几何结构复杂,至今还没有被准确地表征。基于等效媒质理论,采用仿真软件建模的方式,对异形蜂窝的电磁参数进行仿真,研究其等效电磁参数,并对2 GHz~18 GHz的吸波性能进行研究,计算数据与实验数据结果吻合,并以此为依据,优化设计了15 mm厚蜂窝,在增重为41.25%,i值为0.68时,反射率小于-10 dB的带宽达到12 GHz,且4 GHz、12 GHz的峰值分别达到-30 dB、-22 dB,可为蜂窝材料的设计提供参考,具有一定的工程实用价值。

一种泵喷定子导管的成型工艺研究

朱秀迪, 孙超明, 宋志钱, 侯鑫

2018, 0(12): 72-77.

摘要 ( 128 )

PDF (4913KB) ( 400 )

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泵喷推进器是一种航行器喷水推进装置,主要由泵喷定子导管和转子两部分构成,大幅度改善了空泡性能,还可降低导管本身的噪声。文章介绍了其中一种泵喷定子导管的研制技术。作为泵喷推进器的一个主要部件,泵喷定子导管主要由定子和导管两部分组成,其中定子又分为定子毂和定子叶片两部分。根据泵喷定子导管的结构特点和技术要求,通过对定子毂、定子叶片、导管的连接结构设计、导管蒙皮的结构设计等进行成型工艺方案设计及制造研究,成功研制了复合材料泵喷定子导管产品,并通过承载、型值、水压等测试,有力地推动了复合材料泵喷推进器在我国水下航行器上的应用,具有显著的社会效益。

分瓣金属模辅助缠绕工艺成型舱段缩比件

於永红, 杨静文, 刘兆朋, 李泽英

2018, 0(12): 78-81.

摘要 ( 103 )

PDF (623KB) ( 262 )

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以某型号复合材料舱段研制为背景,提出用分瓣金属模辅助缠绕工艺整体成型内网格加强筋圆柱壳复合材料构件。依据舱段结构特点,设计了缩比件,并用分瓣金属模成型了碳纤维复合材料缩比件。研究结果表明,分瓣金属模可以成型出外形完整、尺寸准确的缩比件,且成型的构件尺寸稳定性好、精度高,但劳动强度大。试验表明,分瓣金属模辅助缠绕工艺可以整体成型内网格加强筋圆柱壳复合材料构件。

酚醛改性聚芳基乙炔树脂基复合材料性能研究

苗春卉, 翟全胜, 叶宏军, 赵艳文

2018, 0(12): 82-88.

摘要 ( 109 )

PDF (5844KB) ( 277 )

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聚芳基乙炔(PAA)树脂以其高残碳率、低吸水性等特点,成为烧蚀防热复合材料的理想基体。使用酚醛树脂对PAA树脂进行了改性,分析了改性前后不同树脂体系的固化反应特性和收缩特性;使用不同纤维/树脂体系制造复合材料层合板,测试了层合板弯曲、压缩和层间剪切性能,对比了不同体系层合板截面及断面形貌。结果表明:使用酚醛改性后的PAA树脂制造的层合板力学性能有比较明显的提升,层合板中缺陷明显减少;酚醛树脂改性后,可降低PAA树脂的固化收缩率,减小PAA树脂的表面张力,在固化过程中,酚醛树脂与PAA树脂发生预聚,这些性能与固化特性改变均能减少层合板的缺陷。

卫星高稳定复合材料框架结构仿真优化

邢思远, 刘洪新, 张玉生

2018, 0(12): 89-95.

摘要 ( 143 )

PDF (4610KB) ( 353 )

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随着卫星有效载荷的精度越来越高,作为卫星本体和有效载荷过渡的框架结构在空间环境下的热变形已不能忽略,其结构的热稳定性需要在初始设计时进行考察。针对卫星用高稳定复合材料框架结构,采用Hyperworks有限元软件,重点对其构型进行了拓扑优化,同时也考察了结构构型、铺层厚度和铺层角度对复合材料框架重量、刚度和热稳定性的影响。结果表明,与原有构型相比,优化后的框架结构质量降低了25.1%,基频提高了48.8%,热变形下降了57.1%,通过Hyperworks拓扑优化方法显著提高了复合材料框架结构的稳定性,可指导卫星高稳定复合材料的结构设计。

航空发动机复合材料静子叶片研究进展

王燚林, 刘天生, 刘东, 史鹏程, 祝颖丹, 陈明达

2018, 0(12): 96-101.

摘要 ( 324 )

PDF (974KB) ( 965 )

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航空发动机静子叶片作为压气机的关键部分,对整个航空发动机的性能有着重大影响。采用轻量化纤维增强复合材料叶片,对实现减重、大推重比、高燃油效率起到关键作用。首先介绍了纤维增强树脂基复合材料叶片的设计流程和设计技术进展,然后从静子叶片预成型、成型和切削加工三方面讨论了制造工艺研究状况,并强调了前期设计在航空发动机冷端一体化发展中的重要性,最后通过对国外几种典型复合材料叶片的成功应用案例和当前设计技术以及成型工艺的发展趋势的分析,凸显了2.5D机织复合材料在未来航空发动机静子叶片发展中的地位,展望了航空发动机复合材料静子叶片的未来发展。

自动铺丝软件技术及国内应用情况概述

黄威, 姚锋, 郑广强

2018, 0(12): 102-106.

摘要 ( 166 )

PDF (876KB) ( 794 )

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随着自动铺丝技术在大型飞机复合材料制造上的广泛应用,自动铺丝软件技术在复合材料设计制造一体化中的作用日趋重要。对国内已引进的商业化铺丝软件CADFiber和Vericut在轨迹规划、后置处理和模拟仿真等方面的关键技术进行了对比介绍,并着重介绍了这两套软件系统在轨迹生成算法和后置处理上的不同之处。同时,报告了国内自动铺丝软件的开发现状及引进的铺丝软件在国内的应用情况。国内自动铺丝软件的研究现状与国外成熟软件存在较大差距,通过对CADFiber和Vericut软件系统的介绍可为国内开发自主知识产权的自动铺丝软件提供有益借鉴。

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