复合材料科学与工程

陈旦, 祖磊, 许家忠, 刘美军

2019, 0(2): 5-12.

摘要 ( 105 )

PDF (5880KB) ( 384 )

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相对于湿法缠绕复合材料压力容器传统的壳单元建模与分析方法,提出了一种基于干纱束模式的纤维缠绕压力容器的细观建模和强度分析方法。通过Python和MATLAB完成干纱缠绕层的参数化建模,利用有限元软件ABAQUS研究各工况下压力容器的力学响应。使用机器人缠绕工作站完成压力容器的干纱缠绕实验,验证了设计参数和线型的可行性。结果表明:基于干纱束的参数化建模方法能准确地反映纤维缠绕的真实路径;同一角度纤维层连续的铺层方案更适用于干纱缠绕结构;工作压强(4 MPa)下,气瓶各区域的应力值均满足设计要求,筒身段环向层纤维的最大主应力远大于螺旋层;当内压达到16 MPa时,气瓶环向纤维断裂引发气瓶失效。

CFRP加固组合梁承载力性能实验研究

陆依晖, 杨健, 王斐亮, 刘清风

2019, 0(2): 13-19.

摘要 ( 65 )

PDF (2242KB) ( 210 )

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对碳纤维复合增强材料(CFRP)条带加固的混凝土-钢组合梁抗弯性能进行实验研究。在考虑CFRP条带加固长度和宽度两个变量的基础上,采用四点加载的方式,研究加固和未加固组合梁在加载过程中的承载力性能。通过分析试件的荷载-位移曲线和其破坏模态,揭示在加固前后混凝土试件的初裂荷载和极限承载力的变化规律,并分析组合梁各类破坏模态的产生机理。实验研究结果表明:采用CFRP条带加固的组合梁承载能力会提高,当CFRP加固长度为试件总长的60%时,承载力的提高效率最高。同时提出一桁架模型,用以分析加固前后组合梁中混凝土板、钢梁腹板以及FRP条带的内力,为该类加固梁的极限荷载预测提供了依据。

记及压应力的内聚力单元及其厚度对复合材料分层损伤预测的影响

郭双喜, 李雪芹

2019, 0(2): 20-25.

摘要 ( 111 )

PDF (1597KB) ( 171 )

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内聚力单元可以同时预测分层的起始和扩展,但单元尺寸对计算结果影响较大,而且无法模拟压应力导致的界面失效。首先,建立不同内聚力单元计算厚度的双悬臂梁模型、端边加载模型和冲击动力学模型,模拟分层损伤演化过程,研究内聚力单元厚度对载荷-位移曲线和界面损伤面积的影响;然后,通过子程序自定义内聚力单元的本构关系,考虑压缩应力引起的复合材料层间界面失效;最后,分析考虑压应力引起的界面层失效对复合材料冲击响应的影响。计算结果表明:内聚力单元厚度对界面层的损伤面积影响明显;相同的载荷条件下,内聚力单元厚度越大,界面损伤面积越小;考虑压缩应力引起的界面层失效,界面损伤面积较大且界面失效包含压缩和剪切两种失效模式。

复合材料胶接单搭接连接强度与失效模式研究

杨本宁, 郑艳萍, 李成, 侯玉亮

2019, 0(2): 26-32.

摘要 ( 154 )

PDF (3133KB) ( 202 )

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以Tserpes失效准则及其材料性能退化准则为基础,利用ANSYS建立几何模型进行有限元分析,针对模型进行相应的试验验证,以探究各参数对复合材料胶接单搭接连接强度的影响,并得到不同参数下的胶接失效模式。结果表明:复合材料与复合材料单搭接的强度高于钛合金与复合材料单搭接的强度;随着胶接长度、胶接宽度的增大,胶接接头的连接强度呈现先增大后减小的趋势;同时发现,在静拉伸过程中,钛合金与复合材料单搭接的失效模式主要为胶层的粘附破坏,复合材料与复合材料单搭接的失效模式主要为混合破坏,表现为复合材料紧邻胶层的第一层和第二层发生铺层基体开裂与分层破坏,同时胶层发生部分粘附破坏。

树脂基复合材料固化温度场工艺因素影响的数值模拟

黄频波, 文嵩韬, 苏崇熙, 陈思义

2019, 0(2): 33-38.

摘要 ( 117 )

PDF (945KB) ( 273 )

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主要讨论辅助材料层和空气层流对复合材料固化温度场的影响。采用有限元方法求解温度-化学耦合场和流-固体传热场,具体数值分析了透气毡的厚度、密度,空气层流的厚度,以及风压对固化温度、固化度、固化速率的作用。结果表明,辅助材料层不论其密度还是厚度,都影响很小,而层流厚度及风压会引起固化温度滞后与超越,同时热压罐风压或者风速可以调制树脂的固化速率。

VARTM成型双轴向经编织物层板及其冲击性能研究

王炜, 刘玲

2019, 0(2): 39-44.

摘要 ( 73 )

PDF (1878KB) ( 211 )

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由于经编织物在成本和性能上具有巨大优势,已被广泛应用于能源、交通、飞行器、运动器材等领域。针对双轴向(+45/-45)碳纤维经编织物层板,采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺制备了[(45/-45)/(0/90)]_2s(Layup-1)和[(60/-30)(-60/30)(0/90)]_s(Layup-2)两种不同厚度和铺层的层合板,并检测了板的成型质量和纤维体积含量;研究了两种层合板的落锤冲击性能和冲击后的压缩强度。结果表明,通过合理控制工艺参数,可以制备出成型质量均匀且纤维体积含量可达54.2%的层合板。并且,Layup-1层合板可承受更高的冲击载荷,并具有较高的剩余压缩强度。而Layup-2层合板具有更大的抵抗冲击变形的能力和吸收更多冲击能的能力,在冲击过程中具有明显的损伤发生和损伤累积过程,但其冲击后的压缩强度比Layup-1稍低。

贴近度法表征复合材料层合板低能量冲击行为

许国栋, 李地红, 吴昊宇, 张景卫

2019, 0(2): 45-50.

摘要 ( 98 )

PDF (3053KB) ( 189 )

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复合材料遭受低能量冲击后其表面损伤是复合材料受冲击后观察以及描述的最直接部位。将复合材料损伤程度划分为5个等级,并且基于模糊贴近度评判方法,建立复合材料低能量冲击表面损伤信息与其损伤级别之间的联系。采用超景深显微镜,对复合材料冲击试件的表面损伤进行观察、记录、分析,结合模糊贴近度评判的方式,建立损伤程度与贴近度阀值之间的数值关系。并且经实例验证,不同的复合材料、不同的厚度在表面损伤表现有相同特征的时候,可通过本文的表征方法判定为相同的损伤级别。

环向缠绕成型中光固化表面温度仿真分析及实验研究

李世涛, 田明, 高雪峰, 汤寒宇

2019, 0(2): 51-56.

摘要 ( 111 )

PDF (2903KB) ( 189 )

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针对激光加热固化壳体成型过程中材料带表面温度不易控制而影响成型质量的问题,分析了在成型过程中影响材料带表面温度的相关工艺参数并对其关系进行了理论推导。利用经典ANSYS有限元分析软件,建立了热力学瞬态分析模型,模拟了壳体成型过程中材料带表面温度的变化情况,并对仿真结果数据进行了分析。通过实验测试了材料带在工作过程中的温度变化及温度对壳体强度的影响,将实验数据与仿真结果进行了对比,验证了仿真模型的正确性,并且得出了材料带表面成型温度与成型速度及激光功率之间的关系以及成型温度与壳体强度的关系。

复合材料成型过程多参数协同在线监测系统研究

康旭辉, 湛利华, 谭炜, 吴欣桐

2019, 0(2): 57-62.

摘要 ( 113 )

PDF (1369KB) ( 194 )

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复合材料制件的成型质量同时受其工艺环境和构件内部理化反应的影响,现有固化过程的监测多为离线、离散监测方式,且监测后期数据处理工作量大,固化过程中不能直观地监测到制件内部状态的变化从而难以实现对其成型质量的在线反馈控制,监测的物理量较少,无法综合研究物理量之间的相互影响。为了实现对先进复合材料制件热压固化全过程多参数协同在线监测,提出了一种基于经典层合板理论、“热电偶+光纤布拉格光栅”和“毛细管压力传感器”组合式测量的方法,利用LabVIEW图形编程语言、数据通信和数据库技术开发了一套多参数在线监测上位机软硬件系统,实现了温度、压力、应变和应力之间数据传输的协同与同步在线监测。将其应用到某大型飞机机翼翼盒壁板缩比件固化实验,结果表明该监测系统可实现对复合材料固化全过程多参数的实时监测,系统运行稳定、可靠,对于察明构件固化缺陷的产生机理并实现固化成型质量的在线反馈控制具有重要的现实意义。

基于电热防冰技术的风电叶片温度场有限元分析

杨文涛, 蔡明, 严永军, 高康

2019, 0(2): 63-68.

摘要 ( 101 )

PDF (2271KB) ( 265 )

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提出了研究叶片“防冰”技术的必要性,针对MW级风电叶片电热防冰技术建立了热力学模型,对复合材料叶片表面在不同碳布电加热功率密度下的稳态温度进行了计算,其结果验证了有限元仿真计算结果的精确度。对风场服役的2 MW机组叶片进行加热实验,结果表明,经过有限元温度场分析指导而设计的电热防冰系统在环境温度为-15 ℃的条件下可以使叶片加热区域360 s内整体同步达到防结冰状态。

碳纳米管环氧树脂复合材料的拉敏性研究

田长进, 管延华, 葛智, 高杰

2019, 0(2): 69-74.

摘要 ( 92 )

PDF (1605KB) ( 166 )

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碳纳米管是近年来新兴起的具有优异力学性能和电学性能的材料。向环氧树脂中加入碳纳米管可以制成具有机敏性能的复合材料。试验采用两极法,通过改变碳纳米管的浓度确定了碳纳米管环氧树脂复合材料的渗流阈值;研究了温度和湿度对复合材料导电性能的影响;同时采用循环荷载逐级加载的加载方式,研究了复合材料的拉敏性能。试验结果表明:碳纳米管环氧树脂复合材料的渗流阈值区间为0.5wt%~1.0wt%,在此区间内,随着碳纳米管掺量增加,碳纳米管环氧树脂复合材料的电阻率下降明显;随着温度的升高和降低,复合材料的电阻变化率也相应地呈现出增加和减小的趋势,环境中的水分对复合材料的电阻率几乎没有影响;与碳纳米管掺量为0.9wt%时,拉敏性开始明显出现,当掺量大于1.2wt%时,拉敏性逐渐消失,当碳纳米管掺量为1wt%时,拉敏性最佳。

混杂纤维CNG2气瓶有限元分析及疲劳寿命预测

谢志刚, 陈小芹, 卢旭锦, 张红星

2019, 0(2): 75-78.

摘要 ( 89 )

PDF (1571KB) ( 186 )

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推广燃气汽车对于雾霾治理和综合利用清洁能源具有重要意义。在建立碳/玻混杂纤维CNG2气瓶有限元模型的基础上,分析了内胆及纤维层在未经预紧和经过预紧两种情况下的应力差异,通过提取内胆筒体段危险点在载荷历程中的名义应力强度,计算了低周疲劳载荷作用下的局部应力应变,结合Manson-Coffin公式计算得到疲劳寿命。计算结果表明,未经预紧情况下,碳纤维的混入可以使气瓶的疲劳寿命提高7%,同时改善内胆局部应力集中,而经过预紧工艺的混杂纤维气瓶的疲劳寿命则进一步提高19%。

新型起圈织物增强蜂窝夹层板力学性能研究

季东灿, 周光明, 崔为运, 黄有达

2019, 0(2): 79-82.

摘要 ( 85 )

PDF (1689KB) ( 248 )

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复合材料夹层结构由于其优越的力学性能被广泛应用于当今航空工业,但是传统编织二维复合材料夹层板在厚度方向抗分层与抗剥离能力较差,起圈织物作为一种新型三维机织复合材料,可通过z方向预织的毛圈有效改善复合材料夹层板在厚度方向的力学性能。但目前国内对起圈织物增强夹层结构的力学性能研究较少。对起圈织物蜂窝夹层板的平拉力学性能进行研究,通过真空袋成型工艺制作了玻璃纤维起圈织物增强夹层板与传统玻璃纤维夹层板并完成平拉试验,获得了平拉载荷作用下的力-位移曲线与拉伸强度。试验结果表明起圈织物增强蜂窝夹层板具有更高的平拉模量与平拉强度。主要原因是固化时,起圈织物夹层板的蜂窝夹层中形成了环氧树脂胶柱体。胶柱体参与了芯材受力,增大了拉伸模量,同时嵌入胶柱体的毛圈也提高了起圈织物夹层板的平拉强度。由此可以得出结论:起圈织物可以有效提高蜂窝夹层板的平拉性能。最后就研究中出现的一些问题提出相应的改进方法与思路。

薄层合板单面贴补修理拉伸性能研究

范鎔韬, 关志东, 黄永杰, 苏雨茹

2019, 0(2): 83-90.

摘要 ( 93 )

PDF (4003KB) ( 182 )

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贴补修理是工艺简单、应用较广的复合材料结构修补技术。对含有孔穿透损伤的复合材料层合板单面贴补修理试验件进行拉伸试验,保持补片的铺层顺序、厚度不变,改变补片的直径,考察补片直径对单面贴补修理效果的影响,并根据试验过程中采集的试验件相应位置的应变数据以及载荷位移曲线分析其失效机理。结果表明,单面贴补修理试验件的强度恢复率约为34%~50%,且贴补修理对于含穿透孔损伤层合板的刚度具有一定的恢复作用,而且随着补片直径的增大,强度恢复率增高。当补片直径较小时,胶层先于母板发生破坏,此时的修理效果不明显;当补片直径增大到一定程度后,胶层承载能力较高,此时贴补修理对损伤件的拉伸强度有一定的提高作用。在试验基础上建立了有限元模型,能有效预测贴补修理件的破坏模式、拉伸强度,并可分析得到试验件的应力分布;改变有限元模型参数,研究最佳效果的补片尺寸与损伤孔径之间的关系。结果表明,当补片直径比损伤孔径大30 mm~40 mm时可获得较高的修理效率。为复合材料层合板设计贴补修理方案提供了参考。

湿法缠绕成型T700碳纤维/氰酸酯树脂复合材料力学性能研究

赵凯, 高伟, 陈书华

2019, 0(2): 91-95.

摘要 ( 124 )

PDF (1563KB) ( 385 )

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研究了湿法缠绕成型的T700碳纤维/氰酸酯树脂复合材料NOL环及单向板力学性能。测试了树脂配方的粘度-温度特性,T700碳纤维/氰酸酯树脂复合材料NOL环的拉伸及剪切性能,采用SEM对NOL环拉伸试样破坏形貌进行了观察。测试了T700碳纤维/氰酸酯树脂单向板复合材料的常温拉伸性能、弯曲性能、层间剪切性能和高温弯曲性能。结果表明,树脂配方在25 ℃下的粘度为800 cps,可以直接在室温条件下用于复合材料湿法缠绕成型,并具有充分的使用期。NOL环的拉伸强度为2220 MPa,剪切强度为56.8 MPa,树脂基体对碳纤维具有良好的浸润性,能够较好地发挥出碳纤维的高强度特性。T700碳纤维氰酸酯树脂单向板复合材料的高温力学性能优异,200 ℃下弯曲强度保留率高达60.4%,250 ℃下弯曲强度保留率高达45.0%。

基于工业CT的多层环状缠绕复合材料层厚检测方法研究

江柏红, 于士章, 董家驹, 张开

2019, 0(2): 96-101.

摘要 ( 82 )

PDF (1942KB) ( 208 )

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针对多层环状缠绕复合材料层厚测量问题,提出了一种基于工业CT技术的层厚快速测量方法。依据环形构件截面CT图像特点,利用两条弦线快速确定环形构件圆心,并采用半高法确定工业CT图像上不同材质的边界,根据灰度曲线计算出半径方向的复合材料层厚。设计了一种双层环状对比标样,利用本文提出的方法实现了对标样层厚的测量,并与三坐标测量结果进行了比较分析。研究结果表明,本文提出的方法可以实现多层环状复合材料构件任意层厚的快速测量,对环状对比标样层厚测量的相对误差在1%以内。

复合材料风电叶片先进制造技术研究现状

柴红梅, 袁凌, 李颖, 韩锐

2019, 0(2): 102-107.

摘要 ( 122 )

PDF (2862KB) ( 386 )

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复合材料风电叶片行业将步入新的调整和转型阶段,发展数字化自动化制造将成为风电叶片产业大势所趋。介绍了智能温控模具、自动铺层技术、智能打磨系统、数字化生产集成技术等复合材料风电叶片先进制造技术研究现状及发展趋势,以期为后续构建和实现复合材料风电叶片自动化及进一步的智能化制造提供参考。

玻璃纤维增强环氧复合材料耐海水性能研究进展

陈尚能, 申明霞, 曾少华, 陆凤玲

2019, 0(2): 108-114.

摘要 ( 91 )

PDF (2926KB) ( 246 )

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综述了玻璃纤维增强环氧复合材料(GFRP)耐海水(SW)性能进展,讨论了随浸泡时间的变化其吸水率和力学性能的变化,并探讨了海水浸泡对GFRP性能的影响因素和腐蚀机理。结果表明:GFRP纤维体积分数、制备工艺、水质和温度等因素均对GFRP的吸水率和力学性能有较大影响;海水中所含的酸、碱、盐等化学物质及微生物将导致GFRP物理和化学降解损坏。此外,老化初期,水分在GFRP中塑化溶胀产生的积极作用和腐蚀引起的结构破坏的双重作用机制导致材料力学性能存在波动。

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