复合材料科学与工程

朱兆一,李晓文,李妍,熊云峰

2019, 0(8): 5-10.

摘要 ( 119 )

PDF (4235KB) ( 427 )

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面对船舶轻量化的发展需求,碳纤维增强复合材料和胶接技术受到了船舶行业的广泛关注。CFRP层合板胶接结构是融合碳纤维增强复合材料和胶接技术的一种典型结构形式,其力学行为与船体结构的安全性密切相关。采用力学实验和有限元仿真相结合的方法,通过建立复合材料胶接结构的几何模型、理论模型和有限元模型,研究了CFRP层合板胶接结构的极限承载能力和损伤失效行为。结果表明:基于内聚力模型的数值模拟结果与力学实验的吻合度较高,能够有效区分线性段和非线性段;复合材料结构的胶接区域是CFRP层合板单搭接结构的薄弱环节;CFRP层合板胶接结构的损伤破坏形式较多,在胶接区同时存在被粘物损伤、胶层失效和界面失效;本文工作为复杂形式的FRP胶接结构的力学特性研究提供了一种参考。

高压绝缘拉杆树脂浸润纤维过程的干斑预测数值模拟及缺陷分析

张卓,杨威,颜丙越,褚崴

2019, 0(8): 11-16.

摘要 ( 81 )

PDF (2955KB) ( 135 )

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基于流体体积函数方法建立了高压绝缘拉杆真空辅助树脂浸润纤维过程的树脂空气两相流模型,其中包含模腔壁与纤维预制体之间缝隙区域和混编纤维预制体内的两相流模型;构建了绝缘拉杆几何模型并进行网格划分,采用有限体积法并通过Fluent软件完成了树脂空气两相流模型的求解;对绝缘拉杆模腔内全区域的两相流动及干斑缺陷进行仿真研究,通过实验验证了仿真研究的正确性,分析了缺陷产生的原因,给出了解决干斑问题的思路和方法,并通过仿真和实验验证了部分方法的可行性和有效性。

复合材料胶接维修中的机械嵌锁理论研究

张华忠,杨文锋,李绍龙

2019, 0(8): 17-22.

摘要 ( 120 )

PDF (3029KB) ( 170 )

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胶接维修是飞机复合材料维修的主要方式,胶接结合机理研究表明,机械嵌锁、静电吸附、化学结合是影响界面结合强度和维修效果的三大主要因素。然而,各种要素相互干扰,无法研究单因素结合机理在胶接中的作用。利用低表面能的氟碳助剂,在激光处理(Laser,LA)和抛光(Polish,PO)处理的复合材料层合板表面形成一层CF膜,采用激光共聚焦显微镜(LSCM)观察表面形貌和粗糙度,表征机械嵌锁作用;接触角计算表面自由能表征静电吸附作用;X射线光电子能谱(XPS)表征化学结合作用;单搭接剪切测试界面结合强度。结果表明,氟碳助剂处理后的表面形貌和粗糙度几乎无变化,PO-CF和LA-CF试样的表面能降低到10 mJ/m²左右,接触角升高到115°左右,能谱测试的C1s分峰谱图位置和强度相同。单搭接剪切力学性能测试结果表明,在静电吸附和化学结合作用相同的前提下,LA-CF样比PO-CF样的剪切强度大8.1 MPa,说明在本实验的界面结合机理研究中,机械嵌锁比静电吸附和化学结合所起到的作用要大。

碳纤维复合材料方杆R区的超声相控阵检测方法

史洪源,张熠玮,邵红亮

2019, 0(8): 23-28.

摘要 ( 106 )

PDF (5478KB) ( 256 )

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针对碳纤维复合材料方杆R区缺陷的检测难题,分析复合材料方杆R区的检测难点。对常用线阵换能器探头声场分布进行了仿真分析,使用CIVA软件对碳纤维方杆R区的检测工艺进行优化仿真,并制作了含有自然缺陷的对比试块,对其进行了试验验证,提出了基于超声相控阵检测方法的检测方案。试验结果表明,使用线阵列换能器进行线扫和扇扫的方法,均可以有效解决碳纤维复合材料杆件R区缺陷检测难题。

考虑接触摩擦与各向异性性能的碳纤维复合芯导线(ACCC)径向耐压性能的有限元分析

朱院院,张晓敏,龙鹏,蒋渝

2019, 0(8): 29-34.

摘要 ( 85 )

PDF (5087KB) ( 240 )

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为了确定碳纤维复合芯导线(正交各向异性复合材料)在架线压接施工过程中合理的压接载荷范围,研究该复合材料的径向力学性能,确保架空导线在电网中的安全稳定运行。使用ANSYS软件以1∶1的比例建立了7.5 mm的碳纤维复合芯棒的各向异性材料模型与耐张线夹的三维有限元模型,利用Tsai-Wu失效准则判定复合芯棒失效行为,同时考虑了复合芯棒与外层铝绞线、耐张线夹之间的接触与摩擦行为,对复合芯棒的压接施工过程进行了非线性静力学有限元分析。结果表明:在碳纤维复合芯导线压接施工过程中,单模压力如果小于24 MPa,则芯棒易从金具腔中拉脱;如果压力大于28 MPa,则复合芯易被压碎;但是复合芯在金具靠近楔形夹一侧由于应力集中更容易压损,该侧压力应相对较小,在21 MPa~23 MPa为宜。

CFRP方管单钉连接结构强度试验与数值模拟

朱秀杰,熊超,尹德军,殷军辉

2019, 0(8): 35-41.

摘要 ( 96 )

PDF (6583KB) ( 101 )

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对四种螺栓直径不同的碳纤维层压成型方管单钉连接结构进行压缩试验,得到了连接结构的压缩极限破坏载荷和载荷-位移曲线,分别建立了基于能量演化的复合材料方管螺栓连接结构渐进损伤分析模型,模拟复合材料方管螺栓连接结构压缩载荷下的失效过程和失效模式,分析了不同螺栓直径下CFRP层合方管的孔边应力分布和损伤扩展情况。基于验证过的有限元模型,深入分析了铺层角度的变化对CFRP方管极限压缩载荷的影响。

石墨烯和多壁碳纳米管改性环氧胶粘剂性能的实验研究

黄海新,饶琼,彭雄奇

2019, 0(8): 42-46.

摘要 ( 104 )

PDF (4197KB) ( 246 )

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为了提高环氧胶粘剂的粘接性能和热学性能,采用石墨烯和多壁碳纳米管(MWCNTs)分别单独改性和按照比例(1∶1)混合改性环氧胶粘剂。制备了碳纤维增强复合材料层合板的单搭接剪切试样,通过拉伸实验测试了改性前后胶粘剂的剪切强度;运用扫描电子显微镜(SEM)分析了改性胶粘剂的胶层断裂机理;结合热失重分析(TGA)和差示扫描量热法(DSC)研究了纳米材料改性对环氧胶粘剂热学性能的影响。结果表明:石墨烯和MWCNTs改性提高了环氧胶粘剂的界面粘附力和剪切强度。此外,改性具有协同作用。当添加0.5wt%石墨烯和MWCNTs混合改性时,剪切强度达到最强,提高34.52%,在此最优含量下,改性环氧胶粘剂的分解温度也最高,因此热稳定性最好。但是,纳米材料的改性受到团聚的影响,含量过高时,增强效果呈现降低趋势。DSC结果表明,石墨烯和MWCNTs改性基本不会影响环氧胶粘剂玻璃转变温度。

碳纤维复合材料悬架控制臂轻量化设计研究

刘越,蒋荣超,刘大维,陈焕明

2019, 0(8): 47-52.

摘要 ( 111 )

PDF (2736KB) ( 210 )

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考虑到碳纤维复合材料(CFRP)轻质高强的特性,研究采用碳纤维复合材料替代钢质材料的悬架控制臂轻量化设计方法。基于等刚度原理设计碳纤维复合材料控制臂,并对比分析两种材料控制臂的结构性能,在此基础上,结合正交试验设计方法对碳纤维复合材料控制臂铺层进行优化设计。结果表明:与原钢质控制臂相比,碳纤维复合材料控制臂在满足刚度使用要求的前提下,减重48.32%,同时强度性能大幅提升,取得了较好的轻量化效果。

PMI泡沫对碳纤维复合材料抗低速冲击性能的影响

王士杰,孙泽玉,陶雷,杨青

2019, 0(8): 53-58.

摘要 ( 50 )

PDF (9391KB) ( 56 )

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采用落锤冲击试验开展了PMI泡沫对碳纤维复合材料抗低速冲击性能的影响研究。对厚度为5 mm的碳纤维复合材料层合板、PMI泡沫(厚为3 mm)夹芯碳纤维复合材料(上下蒙皮各为2.5 mm)试件分别用5 J、10 J、20 J、40 J能量进行低速落锤冲击实验。实验结果表明,泡沫夹芯碳纤维复合材料的吸能效果好于碳纤维复合材料层合板。随着冲击能量的提高,两者的冲击吸能效果差距越来越小,但夹芯板的冲击损伤情况好于层合板,同时碳纤维复合材料层合板的吸收/冲击能量比的值逐渐增大,而泡沫夹芯碳纤维复合材料的逐渐减小,但在40 J及其以下的冲击能量下,夹芯板的吸收/冲击能量比都高于层合板。

金属-复合材料搭接结构性能研究

熊勇坚,郑艳萍,夏小松,杨本宁

2019, 0(8): 59-65.

摘要 ( 94 )

PDF (2232KB) ( 197 )

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基于三维渐进损伤理论,研究了新型金属-复合材料搭接结构(由铝合金基片和双层CFRP复合材料增强结构组成)在铆接、胶接、混合连接等接头形式下,在静载作用下的失效形式,并进一步探讨了该结构在胶接中胶接参数对失效载荷的影响。结果表明:铆接接头的失效形式为铆钉剪切失效;胶接接头的失效形式为胶层失效;混合接头最初为胶层失效,后因铆钉剪切失效而整体失效;随着上胶层厚度的增加,结构的失效载荷先减少后增加,随着下胶层厚度的增加则先增加后减少;搭接结构的失效载荷随着胶接宽度的增加而逐渐增加;随着胶接长度的增加,搭接结构的失效载荷先逐渐增加后逐渐趋于稳定。

复材泡沫夹芯筒加劲肋法兰连接性能试验

李峰,赵志波,陶杰

2019, 0(8): 66-71.

摘要 ( 74 )

PDF (1123KB) ( 120 )

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为了实现复材泡沫夹芯筒间及与其他结构的有效连接,提出了一种加劲肋法兰连接形式,利用真空辅助树脂导入工艺制备了一体成型的复材泡沫夹芯筒与加劲肋法兰。分别对两组复材泡沫夹芯筒加劲肋法兰试件进行了偏心压缩试验和悬臂横向荷载试验,观察了试件的受力过程和破坏形态,获得了荷载-位移曲线。结果表明:复材泡沫夹芯筒加劲肋法兰在偏压荷载下,在加劲肋与夹芯筒筒身过渡处发生了纤维压缩断裂的破坏模式,该位置为偏心受压下试件的承载薄弱点。在横向荷载作用下,加劲肋法兰先发生加劲肋蒙皮纤维剥离破坏,再发生复材法兰与筒身连接部位的纤维拉伸破坏,最后复材法兰盘出现整体褶皱变形失效,法兰的破坏过程具有明显的渐进失效特征。

激光辐照碳纤维复合材料的光学行为与仿真

朱文凯,还大军,肖军,王武强

2019, 0(8): 72-77.

摘要 ( 105 )

PDF (3244KB) ( 224 )

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为了研究激光辐照碳纤维复合材料的光学行为,采用碳纤维增强聚醚醚酮复合材料(CF/PEEK)作为试验样品,通过积分球实验测量样品随波长和入射角变化的反射率;进行了激光束反射实验,观察宏观反射图案随光线入射角和样品偏角的变化行为;对激光与样品间的微观行为进行分析,并通过光学设计软件对反射过程进行模拟仿真。积分球实验表明,样品反射率随波长的增加而变大,随入射角的增大而变小。宏观反射实验表明,光线入射角和样品偏角对反射图案均有较大影响,反射行为主要受表层纤维的镜面反射支配,而且模拟结果与试验结果基本一致。基于菲涅尔方程,根据最小二乘法拟合的样品有效折射率为n=2.26。

混掺纤维RPC高温后剩余抗压强度及超声检测

贺一轩,杜红秀

2019, 0(8): 78-81.

摘要 ( 65 )

PDF (1104KB) ( 92 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

为了研究活性粉末混凝土(RPC)的高温损伤,本实验控制聚丙烯纤维、玄武岩纤维体积掺量分别为0.2%、0.1%,测试分析了钢纤维不同体积掺量分别为0、1%、1.5%、2%时的活性粉末混凝土高温后剩余抗压强度、质量损失率、超声波速及其与受火温度的关系。结果表明:随着受火温度的升高,RPC试件剩余抗压强度、超声波速不断降低;掺入钢纤维可提高混掺纤维RPC试件高温后的剩余抗压强度和超声波速数值;混掺纤维RPC试件的抗压强度和超声波速数值随钢纤维体积掺量的增加而增大。

燃煤电厂湿法脱硫玻璃钢烟道振动频率分析及实验研究

申智勇,马修元

2019, 0(8): 82-86.

摘要 ( 93 )

PDF (1476KB) ( 99 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

玻璃钢烟道在燃煤电厂湿法脱硫系统逐渐得到应用与推广,然而针对玻璃钢烟道的振动设计还没有规范,且钢结构的振动计算规范也不适用于玻璃钢烟道。因此,有必要对玻璃钢烟道振动进行分析,掌握玻璃钢烟道结构和振动之间的规律,提出烟道加固肋中心距与振动的关系;一方面,将烟道复合材料壁板弯曲视为薄板大挠度弯曲,采用Mindlin理论得到了玻璃钢烟道壁板的振动方程,推导了烟道加固肋间距与频率的关系;另一方面,对层合板进行了振动模态实验。结果表明,钢烟道技术规程和Mindlin理论计算结果与实验结果相比,误差分别为5.51%和2.47%。Mindlin理论计算结果误差较小,显著提高了玻璃钢的烟道设计精度。

热压罐工艺复合材料双侧硬模成型传压机制及工艺质量影响因素

卢鑫,李前前,王绍凯,李艳霞

2019, 0(8): 87-93.

摘要 ( 82 )

PDF (5003KB) ( 188 )

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本文围绕复合材料层板双侧硬模成型方法,剖析了模具型面公差对复合材料工艺质量的影响,模拟分析了模具型面公差和预浸料变厚度对应力分布状态、树脂渗流的作用,并利用自主建立的树脂压力在线测试系统验证了双侧硬模成型中的应力分布状态。结果表明,双侧硬模成型复合材料时,模具公差对层板质量影响显著,模具负公差区易于产生孔隙、分层等缺陷,正公差区层内与层间厚度均低于负公差区;树脂压力在线测试与模拟分析均表明,模具公差与预浸料变厚度可造成双侧硬模加压中的应力非均匀分布,这是造成层内及层间厚度差异、孔隙等缺陷的主因;预浸料厚度增加、模具型面与预浸料叠层的间隙区填充程度增大有利于减小预浸料压力的非均匀性。研究结果对高型面精度复合材料制备与工艺质量控制具有重要指导意义。

碳纤维复合材料电机机座的振动分析

杨海如,李雄,陈国治

2019, 0(8): 94-97.

摘要 ( 94 )

PDF (3171KB) ( 154 )

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现有电机机座常用金属材料制作。本文针对金属机座,设计一种碳纤维复合材料(CFRP)机座,并采用了Abaqus有限元分析软件对电机机座进行模态分析,得到了CFRP电机机座的固有频率,并通过谐响应分析与金属电机机座进行对比,结果表明,CFRP电机机座的固有频率远高于金属机座的固有频率。证明CFRP电机机座的减振效果好。

汽车用碳纤维复合材料前防撞梁的轻量化与优化设计

张鑫,赵晓昱,兰祥,陈玲俐

2019, 0(8): 98-103.

摘要 ( 151 )

PDF (1371KB) ( 144 )

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为了实现汽车的轻量化设计,提高其被动安全性,以某款汽车的前防撞梁为研究对象,根据法规要求分别建立了钢制和碳纤维T300/5208的防撞梁低速碰撞模型,进行碰撞仿真,分析了两种材料的吸能情况。在HyperStudy中采用最优拉丁超立方采样方法获得样本点以及数据,再采用HyperKriging方法构建近似模型,随后采用遗传算法进行优化计算,最后得到最优解并进行实验验证。优化结果表明:低速碰撞时,碳纤维材料防撞梁的吸能增加了5.6%,比吸能约是原钢制的3.7倍,减重达到71.4%,吸能特性和轻量化效果提升显著。

非对称复杂泡沫夹芯复合材料VARI成型工艺设计与验证

刘亚男,刘晨晓,李永行,原崇新

2019, 0(8): 104-108.

摘要 ( 125 )

PDF (1386KB) ( 266 )

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针对一种民用飞机整流罩结构件,采用PAM-RTM辅助进行了非对称泡沫夹层复合材料结构的真空辅助液体成型工艺流道设计与优化,通过对比分析不同的流道设计方案,获取了非对称带开口的复杂泡沫夹层复合材料结构液体成型注胶过程中树脂的流动规律,形成了优选注胶方案,并进行了实际工艺验证。最后,对试验件成型质量进行了检测,无损检测结果表明试验件成型质量良好,没有超标缺陷。研究结果可为复杂泡沫夹层结构液体成型技术在民机结构上的应用奠定技术基础。

PFMEA在航天复合材料结构件成型中的应用研究

郑国栋,王杨,赵明,张晶

2019, 0(8): 109-114.

摘要 ( 83 )

PDF (1061KB) ( 187 )

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针对高精尖产品尤其是航天类大型复合材料结构件质量风险识别的问题,通过对生产流程的分析,优化了失效模式识别的原理和流程;结合复合材料结构件的成型流程和生产要素提出了失效模式的识别方法。通过增加评价维度提高严重度(S)、可探度(D)评价准则的有效性;采用相似工序法对频度(O)进行准确定义。并结合CZ-5整流罩的生产流程阐述了PFMEA在大型航天复合材料结构件成型中的应用,为小批量多品种产品规避质量风险提供借鉴。

声发射在复合材料损伤机理研究的应用现状及发展趋势

倪迎鸽,杨宇,吕毅,张伟

2019, 0(8): 115-126.

摘要 ( 67 )

PDF (8309KB) ( 964 )

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声发射具有实时性、连续监测的特点,在复合材料损伤机理的研究中取得了良好的应用。本文对声发射技术在复合材料损伤机理研究中的分析方法和应用现状进行了归纳总结,指出了参数分析方法、波形分析方法以及模式识别在现有研究中的优缺点,提出了声发射技术在复合材料损伤机理研究中亟需解决的关键技术,并指出了未来的发展趋势,以期为声发射在复合材料损伤机理研究的技术提升奠定基础。

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