复合材料科学与工程

徐扬, 魏洋, 程勋煜, 端茂军

2019, 0(6): 5-11.

摘要 ( 111 )

PDF (1669KB) ( 287 )

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对24个碳纤维-箍筋约束倒角矩形混凝土柱进行了轴压试验。试验表明,碳纤维与箍筋对核心混凝土形成双重的约束机制,两者相互补充,有效提高了混凝土柱的承载能力和变形能力,其箍筋保证了FRP断裂后的残余承载力及延性;FRP-箍筋约束倒角矩形混凝土柱的轴压性能与纤维层数及试件倒角半径参数紧密相关,倒角半径的增大显著改善了其轴压力学性能,对于相同FRP包裹层数,倒角半径越大,力学性能提高效果越好,在倒角半径相同的条件下,增加FRP层数可有效提升约束柱的承载能力及变形能力;结合试验结果,在圆柱FRP-箍筋约束混凝土的极限应力计算模型的基础上,引入单一材料约束混凝土矩形柱的有效约束系数,提出了FRP-箍筋约束倒角矩形混凝土柱的承载力计算模型。

CFRP板侧面与底面嵌贴加固梁对比试验研究

邓朗妮, 叶轩, 陆云鹏, 马晋超

2019, 0(6): 12-16.

摘要 ( 108 )

PDF (1311KB) ( 192 )

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对侧贴和底贴CFRP板嵌入式加固钢筋混凝土梁进行抗弯性能试验研究,比较了多个对照组在相同加固量下侧贴梁和底贴梁对试件承载力、跨中挠度及裂缝发展情况的影响,对比分析了侧贴和底贴的加固效果。试验结果表明:两种加固方式均能显著提高加固梁的承载力和刚度,而对于屈服荷载、极限荷载和裂缝发展而言,侧面嵌贴加固在各方面都很接近底面嵌贴加固的加固效果,虽然在承载力上略有不如,但差距很小,而且施工便捷性、适用性和耐久性更好,可以在很多条件下替代底面嵌贴加固。

复合材料裂纹参数对Lamb波非线性系数的影响研究

张青松, 铁瑛, 尹振华, 夏小松

2019, 0(6): 17-23.

摘要 ( 111 )

PDF (2909KB) ( 223 )

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针对复合材料中裂纹的检测问题,建立了考虑裂纹接触非线性特性的各向异性复合材料的3D波动数值模型,研究非线性Lamb波与含有不同尺寸裂纹的复合材料的作用关系,探讨裂纹的长度和宽度对Lamb波非线性系数的影响。研究结果表明:一定范围内,裂纹长度的增加将导致Lamb波的非线性系数增加;裂纹宽度的增加将导致Lamb波的非线性系数减小。利用SNAP非线性超声检测设备,试验验证了通过超声检测非线性系数进行复合材料裂纹检测的可行性,这对后续进行复合材料的非线性无损探伤具有重要意义。

酚酞基聚芳醚酮/环氧树脂共混体系流变性能及固化反应动力学的研究

周帅, 程超, 孙泽玉, 张辉

2019, 0(6): 24-29.

摘要 ( 148 )

PDF (1518KB) ( 173 )

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利用酚酞基聚芳醚酮(PEK-C)对环氧树脂进行了增韧改性,系统研究了不同PEK-C含量的PEK-C/E51/E100共混体系的流变性能,采用DSC分析了在不同升温速率下不同PEK-C含量对共混体系固化反应的影响,并详细计算了各共混体系固化反应的表观活化能和固化反应级数。结果表明,PEK-C的引入缩短了共混体系的凝胶时间,这可能与PEK-C中的羟基对环氧树脂的固化具有促进作用有关;同时,PEK-C的加入并不影响环氧树脂的固化机理。

含分层损伤复合材料弯曲变形与破坏实验研究

秦礽, 李小童, 商雅静, 周伟

2019, 0(6): 30-36.

摘要 ( 107 )

PDF (5133KB) ( 220 )

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为研究含对称分层复合材料的损伤破坏特性,本文结合声发射(Acoustic Emission,简称“AE”)技术和数字图像相关(Digital Image Correlation,简称“DIC”)方法,对含对称多分层单向玻璃纤维增强复合材料试件在三点弯曲实验下的屈曲破坏行为和变形场信息进行了研究,并利用k-means聚类分析对试件的损伤模式进行了辨识。结果表明:分层的存在将导致材料的承载能力降低且抵抗变形的能力变弱,压缩载荷下的分层损伤比拉伸载荷下的分层损伤更明显,含分层损伤复合材料在加载过程中会产生更多的AE损伤信号;损伤过程的AE信号通过聚类分析,大致可分为低频、中频和高频信号三类,分别对应含对称分层试件的基体开裂与分层扩展、纤维脱粘和纤维断裂三种损伤模式;含分层损伤试件的位移场变化不稳定且应变场分布比空白对照试件更分散。AE技术可以实时监测材料内部损伤信息,DIC方法能够分析试件表面位移场的变化,两种技术的结合对复合材料的结构健康监测有重要价值。

GFRP圆管脚手架节点承载能力试验与有限元研究

武炜凯, 李飞, 陈辉国, 邓安仲

2019, 0(6): 37-42.

摘要 ( 99 )

PDF (2282KB) ( 173 )

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要将复合材料圆管用于脚手架结构必须解决杆件与杆件之间的连接问题,由于GFRP圆管横向强度低,因此需要研究将传统钢扣件应用于GFRP圆管连接时杆件节点的力学性能。本文首先通过不加垫层扣件和加垫层扣件对GFRP圆管施加预紧扭矩,得出GFRP圆管在两种不同扣件下的承载规律;其次在预紧力试验基础上进行抗滑移试验,研究了垫层对节点抗滑承载能力的影响;最后建立了节点有限元模型,通过建立的有限元模型对中间垫层的厚度进行优化。研究表明:增加半圆形钢垫层可以大幅度提高GFRP圆管可承受的预紧扭矩,并改善GFRP圆管的受力分布,并且抗滑移承载力提高约26.3%。同时通过有限元可得垫层厚度取3.5 mm较为适宜。

混杂纤维混凝土力学性能研究

张振雷

2019, 0(6): 43-48.

摘要 ( 105 )

PDF (1121KB) ( 168 )

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为研究纤维素纤维和玄武岩纤维单一掺入及混合掺入对混凝土强度的影响,通过立方体抗压、劈裂抗拉和抗折试验,分析了不同玄武岩纤维长度(6 mm、12 mm、30 mm)及不同掺量(2.7 kg/m³、4.0 kg/m³、5.4 kg/m³)对混杂纤维混凝土力学性能的影响。试验结果表明:混杂纤维的掺入能使混凝土的立方体抗压、劈裂抗拉及抗折强度均有所提高,当玄武岩纤维掺量为4.0 kg/m³,纤维素纤维掺量为1.6 kg/m³时,其立方体抗压、劈裂抗拉及抗折强度较普通混凝土分别提高了13.94%、35.46%、18.75%;当玄武岩纤维长度为12 mm,掺量为4.0 kg/m³时,纤维混凝土表现出了较好的增强效果,且随着掺量的增加,其强度先增大后减小;单掺纤维素纤维掺量为1.6 kg/m³时,其对混凝土的增强效果最佳。

兆瓦级风电叶片玻璃纤维布自动铺层系统研究与设计

陈传训, 张华强, 刘卫生, 杨先海

2019, 0(6): 49-52.

摘要 ( 91 )

PDF (2083KB) ( 308 )

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为解决风电叶片玻璃纤维布人工铺层劳动强度大、效率低及有损健康的问题,通过对风电叶片玻璃纤维铺层原理及工序进行研究,设计了一套风电叶片玻璃纤维布自动铺层系统,采用先进传感器信息采集技术、自动控制原理技术、信息融合技术等,可根据叶片外形轮廓进行路径的最优规划和布辊姿态及放布速度的自适应调整。结果表明,所设计的铺层系统稳定性好,铺层效率高,极大地降低了劳动强度,具有很强的工程应用价值。

碳纤维复合材料箱形梁截面参数对抗弯刚度的研究

杨海如, 袁威, 陈国治, 方剑

2019, 0(6): 53-57.

摘要 ( 140 )

PDF (1551KB) ( 188 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

本文应用有限元软件Abaqus仿真分析了箱形梁的截面参数对其抗弯刚度的影响,包括梁截面高度、上下翼缘壁厚、上翼缘以及下翼缘壁厚四个方面,从而保证在梁的质量不变的前提下,提高其抗弯刚度,并与同尺寸的金属材料比较。结果表明:通过增加上下翼缘的厚度,使碳纤维复合材料箱形梁的截面高度增大,而且对下翼缘、上下翼缘加厚以及上翼缘加厚均能有效提高碳纤维复合材料箱形梁的抗弯刚度。其中,下翼缘加厚对抗弯刚度的提高最明显,上翼缘加厚对抗弯刚度的提高效果最差,可为碳纤维复合材料箱形梁的设计优化提供参考,具有一定的实用价值。

复合材料超声导波吸收边界参数研究

夏小松, 郑艳萍, 熊勇坚, 张青松

2019, 0(6): 58-63.

摘要 ( 117 )

PDF (1838KB) ( 409 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

在超声无损检测研究中,对Lamb波的传播过程进行有限元仿真有助于认识其传播特性,提高测试精度。因复合材料结构尺寸限制和各向异性等特点,仿真过程中边界反射波的出现会掩盖损伤波形,影响测试结果。为抑制反射波,吸收边界的设置就显得尤为重要。通过对吸收边界参数研究发现:设置瑞雷阻尼递增的多层阻尼吸收层可以有效减少边界反射波,其中吸收边界长度对吸收效果影响最大。为了有效吸收反射波,吸收边界长度应大于波长的2倍。

基于RVE方法的二维机织复合材料弹性性能预测

赖卫清, 王秀梅, 辛亮亮, 耿舒东

2019, 0(6): 64-72.

摘要 ( 159 )

PDF (5514KB) ( 277 )

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为了预测二维机织复合材料的弹性性能,基于代表性体积单元(RVE)方法,分别建立了二维机织复合材料的细观结构理论计算模型及有限元分析模型。考虑到经纬纤维束间的挤压变形及其交织点处的间隙厚度,引入变形因子k建立修正的二维机织复合材料的细观几何模型;基于修正的几何模型,给出两种模型下宏观弹性常数的计算方法。结果表明:采用理论计算模型、有限元分析模型计算出的宏观弹性常数与试验值的最大误差分别为3.89%、9.18%;证明了修正模型的合理性以及理论计算模型、有限元分析模型的正确性,为探究二维机织复合材料的细观力学性能奠定了基础。

不同纤维增强混凝土力学性能和破坏形态对比试验

张培辉, 方圣恩, 洪华山

2019, 0(6): 73-79.

摘要 ( 139 )

PDF (2115KB) ( 251 )

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首先通过试验对比了不同纤维体积掺量下玄武岩纤维增强混凝土的力学性能(抗压强度、劈拉强度、弹性模量等)和破坏形态,然后对比了5种不同纤维掺加方案(玄武岩纤维、碳纤维、钢纤维、聚丙烯纤维和玄武岩-聚丙烯混杂纤维)下混凝土的力学性能和破坏形态,最后进一步探讨了减水剂和硅灰对玄武岩纤维混凝土力学性能的影响。试验结果表明:掺加0.05%~0.2%体积掺量的玄武岩纤维可以提高混凝土的劈拉强度,改善破坏后试块的完整性,但会降低立方体和轴心的抗压强度;纤维体积掺量相同时,聚丙烯纤维对混凝土劈拉强度的提升效果最佳;不同纤维对混凝土的弹性模量影响不大,会对抗压强度造成不利影响,但均具有一定的阻裂作用;减水剂会削弱玄武岩纤维混凝土中纤维与基体的界面粘结,降低玄武岩纤维混凝土的力学性能,可以通过掺加硅灰来改善。

CFRP拉索研制及其力学性能研究

朱元林, 刘礼华, 周佳琪, 黄盛彬

2019, 0(6): 80-84.

摘要 ( 100 )

PDF (1825KB) ( 223 )

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设计了一种新型CFRP拉索结构与制索方法,改变了以往CFRP拉索中CFRP筋平行排布的方式,将索体中CFRP筋进行扭结,在锚固端将CFRP筋发散开来,对研制出来的CFRP拉索进行了静载拉伸试验与拉-拉疲劳试验研究。试验结果表明:提出的新型CFRP拉索结构与制索方案切实可行,采用2.5°~3.5°扭转角与2.5°发散角适用于CFRP筋材,轻微扭转与弯折并不会导致筋材过早发生破坏;新型CFRP拉索的静载拉伸锚固效率大于95%,通过250万次疲劳加载试验,锚固部位没有损伤,拉索断丝率小于5%;随着疲劳加载循环次数的增加,CFRP拉索的弹性模量基本不变,拉索锚固端索体伸出量、筋材及锚板在锚具后端的回缩量都不超过1 mm。

纤维混织梯度织物/酚醛树脂斜叠防热材料研究

李盼盼, 刘漪涛, 秦蓉蓉, 王猛

2019, 0(6): 85-89.

摘要 ( 115 )

PDF (2051KB) ( 176 )

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针对超高速飞行器防热材料需求,提出了一种混织梯度织物/酚醛树脂斜叠防热材料,该防热材料是一种梯度功能材料,材料功能从外层向内层逐步由抗烧蚀向隔热过渡,从而实现防隔热一体化。抗烧蚀和隔热两个功能层之间不存在明显的界面,两个功能层采用相同的耐高温树脂基体,但是抗烧蚀层增强纤维以耐烧蚀纤维为主体,隔热层增强纤维以耐高温纤维为主体。功能层及功能梯度由抗烧蚀纤维和隔热纤维混织带实现。该防热材料采用倾斜层叠结构,铺层与飞行器航向呈一定夹角,以提高其抗冲刷性能。所得材料在高温超音速燃气流发动机上的考核结果表明,可以抵抗最高表面温度为1750 ℃,热流密度为2000 kW/m²,长达40 s的燃气流烧蚀冲刷,单位面积质量损失率小于40 g/100 cm²,背温低于270 ℃。

芳纶纤维/碳纤维复层结构复合材料变形研究

吴思保, 礼嵩明, 鹿海军

2019, 0(6): 90-94.

摘要 ( 77 )

PDF (1973KB) ( 219 )

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在不同种类的树脂基复合材料复合的热历程中,由于材料热膨胀系数存在差异,复层结构会产生内应力,发生一定的变形。研究了复合工艺(复合温度和压力)、复合方式(二次胶接和共胶接)和芳纶纤维复合材料的预变形对芳纶纤维/碳纤维复层结构复合材料变形的影响,结果表明:降低复合温度可以明显地减小复层结构的变形,当复合温度由180 ℃降至120 ℃时,复层结构的变形减小了80%;随着复合压力的增加,复层结构的变形减小,当压力达到0.3 MPa时,变形不再减小;与芳纶纤维-碳纤维干-湿共胶接相比,采用二次胶接和碳纤维-芳纶纤维干-湿共胶接的复合方式有利于减小复层结构的变形;芳纶纤维复合材料的预变形处理是控制复层结构变形的有效方法。

一种水下大深度复合材料救生筏壳体的研制

孔东明, 侯鑫, 孙超明, 黄其忠

2019, 0(6): 95-99.

摘要 ( 94 )

PDF (3607KB) ( 205 )

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救生筏壳体是用于海员救生的关键装备,本文研制了一种用于水下的大深度复合材料气胀式救生筏壳体,具有高耐压、密封可靠、耐高低温交变等特点。对救生筏壳体进行结构设计及校核、成型工艺研究、性能验证等工作,结果表明制备的救生筏壳体性能可靠,可以满足产品性能指标要求。

断层拼接层合板拉伸断裂强度分析

郭浩昌, 罗文, 罗琦, 王文龙

2019, 0(6): 100-104.

摘要 ( 80 )

PDF (2276KB) ( 181 )

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在大型结构件的低成本制造工艺中,织物体系的拼接缝具有不可避免性,拼接缝的交替处理方案直接影响到最终产品的结构性能。本文提出了三种不同结构形式的拼接方案,通过真空辅助成型工艺,对S玻纤缎纹织物进行层合板厚度、拼接缝方案、拼接缝距离的正交试验,测试对应试样的拉伸性能,归纳总结不同拼接参数对层合板力学性能的影响。通过有限元软件,建立单层结构和层间弹性结构的有限元模型,并进行拉伸性能计算,为复合材料构件铺层设计提供参考。

复合材料潮流能叶片的设计分析

朱福巍, 任明法, 许迪

2019, 0(6): 105-110.

摘要 ( 117 )

PDF (2948KB) ( 186 )

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潮流能设备的研发近年来在国际上进展很大,部分项目的发电设备逐步进入商业化示范运行阶段。潮流能叶片既是发电设备中实现潮流能源转换的基础,也是潮流能发电的关键部件。复合材料轻质高强、耐腐蚀、易成型等优点使其成为潮流能叶片设计的首选材料。基于叶素动量理论和复合材料力学设计开发出了满足2 m/s流速要求的复合材料潮流能叶片。有限元分析结果表明,该叶片可满足其服役要求且具有较高的安全裕度。

复合材料螺旋桨整体模压成型模具设计技术研究

张鑫玉, 高婷, 朱坤, 易伟

2019, 0(6): 111-114.

摘要 ( 116 )

PDF (3632KB) ( 252 )

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螺旋桨作为船舶最为重要的部件之一,对其材质要求极高。复合材料具有强度高、比重小、耐腐蚀、水下噪声小等优点,成为螺旋桨材质首选。除此之外,模具设计过程作为复合材料螺旋桨成型过程中的关键过程,对其也有较高要求。本文主要通过分析目前复合材料螺旋桨的研究背景,在现有模具设计的基础上,总结不足之处,根据模压工艺成型原理,研究并设计出一种整体成型的复合材料螺旋桨模具。通过对螺旋桨整体结构分析、现有模具结构的比较分析、模压模具总体设计与型腔设计、螺旋桨模压模具的制造与成型、精度分析五个主要模块的阐述,并结合相关计算,得出该整体成型模具的设计成果,有效解决了分体成型时的装配误差、粘接强度低等技术难题。

复合材料阻尼特性研究现状与进展

孙成, 宋春生, 刘星宇, 黄昱翔

2019, 0(6): 115-121.

摘要 ( 124 )

PDF (880KB) ( 290 )

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本综述旨在收集有关复合材料阻尼的现有文献。综合回顾实验与数值计算方面的研究工作,围绕复合材料阻尼特性问题,主要从实验表征、影响阻尼特性的参数、阻尼特性的数学模型和数值模型等几个方面的研究成果进行了较为详细的评述和讨论。虽然目前为止,纤维增强复合材料还没有被广泛开发,但它有潜力通过改变组分、几何结构和边界条件来调整阻尼。最后,基于复合材料阻尼特性研究的发展趋势和进一步研究可能面临的突出问题,对复合材料阻尼特性的发展方向进行了讨论与展望。

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