复合材料科学与工程

孙佳睿, 马其华, 蔡明, 胡沛元

2019, 0(9): 5-13.

摘要 ( 98 )

PDF (8582KB) ( 80 )

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采用三点弯曲试验和仿真相结合的方法分析了碳纤维增强复合材料(CFRP)缠绕钢(Steel)圆管在横向准静态载荷下的弯曲破坏行为。选取五种缠绕层数或顺序不同的Steel/CFRP混合管分析其受弯失效历程、失效模式以及吸能特性。结果表明:各混合管受横向载荷的失效历程基本与纯钢管保持一致,失效模式由钢管的稳定塌陷模式所主导,但纤维缠绕方式不同,失效形貌略有差异。在混合管的吸能特性方面,随着缠绕层数的增加,混合管的比吸能逐渐增大;±45°纤维的缠绕顺序分布对于其吸能特性影响较显著。相比增加缠绕层数而言,合理的缠绕顺序设计可以实现更好的吸能特性提升,其中Steel/CFRP[±45°/90°/90°]₂的混合管比吸能最好,比纯钢管提高了41.37%。在此基础上,采用与试验一致性较好的有限元模型分析了混合管复合材料各层受载作用下的Von-Mises应力分布,证明了不同缠绕角度对于应力承担量的不同作用,为改进纤维缠绕方式提供了依据。

基于空间分布模型的玄武岩纤维参数对沥青混合料的影响

杨程程, 刘朝晖, 柳力, 李盛

2019, 0(9): 14-19.

摘要 ( 94 )

PDF (2858KB) ( 188 )

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针对玄武岩纤维在沥青混合料中的空间分布状态,利用MATLAB、AutoCAD和ABAQUS等软件,建立了玄武岩纤维在沥青混合料内的分布模型,研究了不同纤维空间分布状态对沥青混合料性能的影响。基于空间随机分布模型,分析了不同纤维掺量和长径比对沥青混合料弯拉性能的影响,研究结果表明:随着纤维掺量和纤维长径比的增大,沥青混合料层底最大弯拉应力呈减小趋势,即沥青混合料抗弯拉性能越好,考虑经济性和实际施工情况,得到0.3%掺量和纤维长径比为35(纤维长度为6 mm)时,纤维加筋效果最佳。研究成果对玄武岩纤维在沥青混合料中合理掺量和长径比选择提供参考。

基于LS-DYNA的CFRP方管轴向压溃仿真方法研究

何兆亨, 刘颖, 李能华, 刘强

2019, 0(9): 20-25.

摘要 ( 190 )

PDF (3268KB) ( 270 )

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在LS-DYNA中建立了碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,简称“CFRP”)方管的轴向压溃力学仿真模型,通过MAT54材料控制参数、多层建模方法和触发对仿真结果的影响研究,获得了一套精度较高的CFRP方管压溃仿真方法。研究中首先通过碳纤维复合材料压缩实验获取CFRP材料的基本参数,非物理参数通过对参数反复调整优化获取最优值,接着研究了不同层数的壳单元建模方法,分别选用了单层壳、双层壳、三层壳和四层壳进行建模,最后分析触发角对单层壳模型和双层壳模型的影响。研究表明当模型采用双层壳模型,选用45°触发角时,模型有最高的精度,峰值力误差为3.79%,吸能误差为2.55%。本文所研究的材料模型及有限元建模方法,对提高复合材料结构仿真精度有重要意义。

荷载作用下拱形玻璃钢夹砂结构受力特征分析

王清洲, 焦城煜, 周建宾, 栾海敏

2019, 0(9): 26-31.

摘要 ( 104 )

PDF (1020KB) ( 226 )

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为研究埋地拱形玻璃钢夹砂结构作为装配式涵洞顶部的受力与变形特性,将拱形玻璃钢夹砂结构嵌入两侧混凝土直墙中,以结构最大允许变形量为控制指标,设计埋地玻璃钢夹砂拱形结构的模拟荷载试验,研究半圆、半椭圆、荷载值、覆土高度等因素构成的6种工况下拱形结构的力学参数,验证玻璃钢夹砂结构作为涵洞顶部结构的可行性。研究结果表明:在相同变形的情况下,覆土高度为30 cm时半椭圆拱形结构承受荷载比半圆形高出10.7%,覆土高度为60 cm时提高10.5%,当覆土高度为90 cm时,试验加载至52 t,由于土体发生剪切破坏而使试验提前终止,但玻璃钢材料均未出现裂缝等破坏形式;随着矢跨比的减小,水平推力逐渐变大,在相同荷载作用下,半圆形玻璃钢夹砂结构在不同覆土高度时水平和竖向位移分别比半椭圆形的要高出23%、16%以上;半椭圆结构受力更好,两种拱形玻璃钢夹砂结构均可作为装配式涵洞顶部结构,可为今后玻璃钢材料的推广与应用提供理论支撑。

阻燃改性玻璃纤维环氧树脂的热响应预报方法

冯振宇, 樊茂华, 范保鑫, 王纳斯丹

2019, 0(9): 32-37.

摘要 ( 88 )

PDF (1338KB) ( 230 )

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为研究阻燃改性玻璃纤维环氧树脂复合材料在火灾环境下的热响应,考虑其在火灾环境下的热解过程,建立了热响应方程组,利用有限差分法计算分析单侧热流作用下的材料内部温度-时间历程与碳化规律。研究结果表明:建立的非线性热响应方程组可以有效预测玻璃纤维环氧树脂的温度-时间历程,与实验值吻合较好;阻燃改性玻璃纤维环氧树脂在相同热流工况下,材料内部温度略低于未改性材料;随着深度增加,阻燃改性玻璃纤维环氧树脂达到热解所需的时间更长,碳化过程变慢;热解反应区中不同深度位置的材料剩余质量分数在同一温度下不同,位置越深剩余质量分数越小,碳化程度越高。

典型参数对风电叶片预埋型叶根连接螺栓承载性能的影响

白会超, 苏少昌, 张文伟, 邓航

2019, 0(9): 38-43.

摘要 ( 88 )

PDF (2118KB) ( 309 )

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风电叶片叶根连接螺栓承受整个叶片传递的风载荷,其强度和可靠性是保证风力发电机组正常稳定运行的必要条件。本文采用有限元法,分析螺栓预紧力、法兰厚度、螺栓套初始螺纹深度以及螺栓光杆直径等参数对叶根连接螺栓承载性能的影响。结果表明:①降低螺栓预紧力、增加法兰厚度、增大螺栓光杆直径、降低螺栓套初始螺纹深度均可提高叶根连接螺栓的极限承载能力;②增大螺栓预紧力、增加法兰厚度、减小螺栓光杆直径均能提高预埋型叶根连接螺栓的疲劳寿命,相较其他三个参数,增加螺栓套初始螺纹深度对连接螺栓的疲劳寿命影响最小。

复合材料结构胶-螺连接区域内力分布计算及与试验对比研究

吴存利, 万春华, 郭瑜超

2019, 0(9): 44-51.

摘要 ( 109 )

PDF (2601KB) ( 300 )

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针对复合材料结构混合连接区域内力分布计算问题,提出了基于胶-螺连接典型单元载荷变形曲线内力分布计算方法。首先通过数值仿真方法获得胶-螺连接典型单元载荷变形曲线,然后采用该曲线并借助有限元方法分析了双列五钉单搭接试验件连接区域应变分布,同试验结果进行了比较,结果显示计算结果与试验结果一致性良好,说明了分析方法具有良好的实用性。该方法为工程人员分析类似的复合材料层合板胶-螺连接区域应力和应变提供了参考。

碳纤维/环氧复合材料与不同金属材料的电偶腐蚀行为研究

龚文化, 杜姝婧, 高晓进, 江建英

2019, 0(9): 52-57.

摘要 ( 78 )

PDF (7817KB) ( 89 )

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本文对碳纤维/环氧复合材料与30CrMnSiA高强钢和1Cr17Ni2不锈钢两种金属材料之间的电偶腐蚀行为进行了研究。采用扫描电子显微镜(SEM)观察了不同试验状态下金属材料表面的微观腐蚀形貌,对1Cr17Ni2不锈钢试样进行原子能谱分析。研究结果表明,在直接接触情况下,碳纤维/环氧复合材料与30CrMnSiA高强钢发生了明显的电偶腐蚀现象,与1Cr17Ni2不锈钢几乎没有发生电偶腐蚀现象。采用玻璃布/胶膜的阻隔防护方式对30CrMnSiA高强钢电偶腐蚀的阻隔效果非常明显,可以明显提高30CrMnSiA钢的耐腐蚀性,但对1Cr17Ni2不锈钢影响不大。碳纤维/环氧复合材料与30CrMnSiA高强钢需要进行防护后才能接触使用,与1Cr17Ni2不锈钢可以直接接触使用。

复合材料网格箍筋在构件中受力性能的研究

沙雄, 冯鹏, 杨家琦, 王泽源

2019, 0(9): 58-63.

摘要 ( 108 )

PDF (3335KB) ( 195 )

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复合材料(简称“复材”)网格箍筋具有耐腐蚀强度高的特点,但其为弹脆性材料,无屈服点,仅通过传统拉伸试验不能全面反映复合材料网格箍筋在混凝土结构件中的发挥效率。本文设计了角部破坏试验与直线段破坏试验,并进行测试,研究了复材网格箍筋破坏模式和受力性能。其中角部破坏试验可以获得复材网格箍筋在混凝土构件中对应的破坏模式(节点破坏和杆件破坏),可判断出节点强度是否能保证杆件性能充分发挥。直线段破坏试验可定量测得节点破坏时杆件的发挥效率。基于试验结果,本文提出了一个强度简化计算模型,并对轴压荷载下混凝土方柱中的复材网格箍筋的发挥效率进行了预测,预测结果与试验结果吻合较好。

碳纤维含量对增强尼龙复合材料性能的影响

陈邑, 黄珍媛, 刘颖, 刘强

2019, 0(9): 64-68.

摘要 ( 100 )

PDF (4606KB) ( 518 )

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碳纤维可以提高工程塑料的力学性能,本文研究了碳纤维含量对碳纤维/PA66复合材料性能和增强效率的影响规律,并对其增强的原因进行了分析。采用注塑成型工艺制备了10wt%~40wt%纤维含量的碳纤维/PA66拉伸试样,通过试验获得了增强复合材料的弹性模量和抗拉强度,并与未增强样件进行了对比;分析了碳纤维含量对纤维增强效率的影响,采用扫描电子显微镜(SEM)观察了拉伸试样断面的微观结构。研究表明:碳纤维/PA66的弹性模量随着纤维含量的增加而增大,抗拉强度先增大后下降,峰值出现在纤维含量为30wt%时;碳纤维/PA66复合材料弹性模量的纤维增强效率受碳纤维含量的影响不大,高纤维含量下碳纤维对碳纤维/PA66复合材料抗拉强度的增强效率下降,主要是由于高纤维含量下微观界面强度的减弱和纤维接触概率增大导致的界面缺陷。本文研究的碳纤维含量对碳纤维/PA66材料力学性能和效率的影响规律,可为增强复合材料的设计提供指导。

铁粉/环氧树脂复材的涡流效应及其除/防冰性能

秦文峰, 范宇航, 王新远, 符佳伟

2019, 0(9): 69-73.

摘要 ( 98 )

PDF (3341KB) ( 244 )

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常温下将微米级铁粉导磁材料添加到环氧树脂基体中固化,获得铁粉/环氧树脂复合材料,采用扫描电子显微镜(SEM)对样品的结构微观形貌进行分析;采用热重分析仪(TGA)以及红外成像仪对样品进行热稳定性分析;自制电磁感应加热器对样品进行电磁感应实验,测试样品的升温能力以及除冰能力。结构微观形貌分析表明样品内部Fe粉颗粒分散均匀,粒度在0.5 um~4 um之间。热稳定性分析表明样品从24 ℃到200 ℃之间质量损失只有1%,表明样品热稳定性良好。电磁感应实验结果表明Fe粉含量和电路输入功率分别通过影响材料的导磁率、导电性能和感应电流来影响样品的感应电动势,最终影响样品的表面温度。Fe/Ep-100%样品有最大的平均升温速率与除冰速率,分别为1.1×10^-1℃/s和1.2×10^-2 g/s。

碳纤维复合材料控制臂的轻量化设计与验证

卫原平, 杨青, 刘涛然, 康华平

2019, 0(9): 74-78.

摘要 ( 127 )

PDF (1840KB) ( 190 )

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使用碳纤维片状模塑材料C-SMC和碳纤维单向带预浸料UD Tape对某铝合金控制臂进行轻量化开发。经过结构概念设计与评价后,发现使用各向异性的连续碳纤维UD Tape材料可以通过设计铺层方向以显著增强受力路径上的结构性能,与短切碳纤维片状模塑材料C-SMC材料和铝合金材料相比,具备更佳的轻量化效果。接下来,基于连续纤维设计方案,对控制臂结构进行了详细设计,计算分析了整体结构强度以及碳纤维部分和铝合金接头部分的连接强度,并对危险工况下控制臂的强度进行了校核,开展了疲劳性能测试的台架试验,结果证明碳纤维控制臂具有优异的刚度、强度和抗疲劳性能,且可以带来非常明显的减重效果。

Kevlar/UHMWPE混杂纤维复合材料抗弹性能

肖文莹, 李想, 郭万涛, 马武伟

2019, 0(9): 79-84.

摘要 ( 150 )

PDF (7344KB) ( 120 )

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研究芳纶/超高分子量聚乙烯(Ultra High Molecular Weight Polyethylene,简称“UHMWPE”)纤维层间混杂复合材料对防弹性能的影响,采用LS-DYNA非线性动态显式有限元软件对不同迎弹面及不同混杂比的复合材料进行理论分析,模拟弹头侵彻层间混杂复合材料靶板的过程,得出复合材料的应力和变形演化图。通过实验验证迎弹面以及混杂比对防弹性能的影响,研究纤维的断裂形貌,进一步分析靶板的破坏机理。结果表明:以芳纶纤维作迎弹面时混杂复合材料防弹性能较好,且混杂比为1∶2时复合材料整体防弹性能可进一步提升。

特高压输电导线碳纤维复合材料芯棒耐应力腐蚀研究

兰逢涛, 白会涛, 孙晓光, 朱承治

2019, 0(9): 85-88.

摘要 ( 125 )

PDF (563KB) ( 183 )

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碳纤维复合芯导线具有优异的综合特性,在特高压输电线路中被逐步推广应用,但是特高压线路对导线碳纤维复合芯棒耐酸性有更高的要求,目前对于碳纤维复合芯导线耐酸性的研究尚属空白。本文研究了环氧树脂浇注体、不同种类玻纤拉挤芯棒的耐酸腐蚀性能,对比了不同供应商的产品性能,发现芯棒耐酸性取决于环氧树脂基体本身以及芯棒外层的玻纤种类。不同供应商提供的环氧树脂浇注体长期耐酸性能差异较大,E-CR玻纤复合材料芯棒较E玻纤具有更高的抗应力腐蚀性能,研究结果为碳纤维复合芯导线在特高压线路中的设计及安全使用提供了试验基础和选型依据。

氟离子催化疏水性气凝胶的常压制备与性能研究

杨镇源, 张玉良, 栗磊, 李荣勋

2019, 0(9): 89-92.

摘要 ( 96 )

PDF (2092KB) ( 210 )

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目前常用的气凝胶凝胶过程为酸碱催化,水解时间长且操作过程烦琐。本文以正硅酸四乙酯为硅源,以氟离子作为催化剂,采用溶胶-凝胶法制备湿凝胶,经正己烷溶剂置换、三甲基氯硅烷表面改性后,经常压阶梯升温干燥制备二氧化硅气凝胶,使用导热系数分析仪、扫描/透射电镜等手段研究了不同氟离子含量对所制备气凝胶性能的影响。实验表明:所制得的气凝胶密度最低为0.032 W/(m·K),平均比表面积为628.7 m²/g,平均孔径为17.2 nm;随着氟离子用量的增多,正硅酸四乙酯水解更加彻底,但对湿凝胶后期表面改性不利,从而导致接触角变小,导热系数增加。

门型水泥杆塔中相复合横担新型节点设计研究

张文锋, 曹明阳, 李志伟, 张江鹏

2019, 0(9): 93-99.

摘要 ( 121 )

PDF (4719KB) ( 187 )

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针对220 kV门型水泥杆塔的复合化改造工作,设计了两种节点型式用于中相复合横担的连接。第一种中相节点为“猫头型”节点,其分为上下两个部分,通过螺栓将杆塔中相两侧的支柱绝缘子进行固结,同时节点的上侧两边各伸出一个搭板,与线路绝缘子进行连接,从而形成一种稳定的三角结构复合横担;第二种中相节点为“法兰对接型”节点,其分为三个部分,两侧各一个异形法兰,与支柱绝缘子之间通过胶装一体成型,并在两个异形法兰之间放置夹板,既为中相导线提供了挂线点,也方便调节门型水泥杆塔两侧水泥杆之间的距离。使用WorkBench对220 kV门型水泥杆塔中相复合横担两种新型节点进行力学仿真分析,得出节点各元件的应力分布情况,分析结果表明,“法兰对接型”节点设计合理,安装便捷。最后对“法兰对接型”节点的均压环电气性能进行了电气仿真和实验,实验结果表明,“法兰对接型”节点力学与电气性能稳定,可以满足改造工程的使用要求。

表面处理对复合材料母板与维修补片粘接强度的影响

熊玉成, 巴德玛, 李长青, 崔海超

2019, 0(9): 100-104.

摘要 ( 151 )

PDF (4773KB) ( 200 )

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在复合材料挖补修理过程中,维修母板、胶膜以及补片之间的结合强度是影响修复效果的主要因素,工程上常常通过表面处理来提高粘接修复强度。本文使用高频脉冲紫外激光对复合材料进行剥蚀处理,使用38 μm(400目)砂纸打磨复合材料表面,然后再使用低温等离子处理,使用38 μm(400目)砂纸对复合材料表面进行打磨,采用X射线光电子能谱分析仪对复合材料表面的物相特征进行了分析,通过搭接试验测试表面处理后的接头拉伸剪切强度,根据实验现象分析了搭接接头的剪切破坏机理。结果表明:激光处理和砂纸加等离子处理后的试件剪切强度均高于砂纸打磨后的试件的剪切强度,分别提高了17.9%和10.9%,激光剥蚀和等离子处理可以提高表面活性,含氧官能团增加,氧元素含量分别是原始表面的2.2倍和1.7倍。

海水对PMI泡沫夹芯复合材料吸湿性能以及力学性能的影响

郑国栋, 徐晓明, 雷娟娟, 张晶

2019, 0(9): 105-109.

摘要 ( 98 )

PDF (3285KB) ( 247 )

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随着泡沫夹芯复合材料在船舶领域的应用越来越广泛,海洋环境对泡沫夹芯复合材料性能的影响有待探究。本文通过对比去离子水和海水对PMI泡沫夹芯复合材料吸湿性能和力学性能的差异,探究海水对泡沫夹芯复合材料影响的机理。实验结果表明:PMI泡沫夹芯复合材料浸泡在海水中饱和吸湿率为5.4%,达到饱和所需时间为28 d;而浸泡在去离子水中的样品的饱和吸水率以及达到饱和所需时间分别为6.9%、30 d;通过Fick第二扩散定律发现海水中的水分子的扩散系数要低于去离子水中水分子的扩散系数。此外,浸泡在去离子水中样品的平压强度、侧压强度和弯曲强度分别降低了37.78%、16.72%、23.71%;而浸泡在海水中样品的性能分别下降了35.56%、21.2%、20.63%。

复合材料夹层结构动力学特性研究进展

杨坤, 张玮, 杜度

2019, 0(9): 110-118.

摘要 ( 127 )

PDF (504KB) ( 335 )

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复合材料夹层结构是一类由纤维增强复合材料上下表层和芯层复合组成,具有比强度高、阻尼性能好、纤维铺层可设计、质量轻等优点的结构,常作为工程减振结构使用,研究其动力学特性对该类工程设计具有很强的指导意义。本文从夹层结构力学分析模型、芯材粘弹性材料本构模型、粘弹性夹层结构动力学特性分析方法、粘弹性复合材料夹层梁/板、离散芯材复合材料夹层结构等方面,对国内外复合材料夹层结构动力学特性研究成果进行了回顾、梳理和归纳,总结得出了不同结构动力学特性的计算方法及其局限性,指出了不同类型结构理论或数值计算存在的突破难点,以及复合材料夹层结构动力学特性未来研究的趋势。研究认为:过往,结构阻尼性能预报材料遵循不考虑频变到频变特性,逐步逼近粘弹性特性的历程,研究对象具有从规则对象到大型复杂外形结构的趋势;未来,在理论求解方面,夹层梁/板动响应封闭解还需深入研究;对于结构动态响应研究,针对自由铺层表层结构的动力学特性求解还需结合板条传递函数法进行进一步研究;在应用研究方面,以降低计算规模和难度,寻求能逼近材料力学行为且适应数值求解的材料本构模型,并相应完善数值求解方法将成为研究热点。

复材机身帽型长桁预成型体制造技术研究进展

刘军, 韩小勇, 苏佳智, 陈萍

2019, 0(9): 119-123.

摘要 ( 181 )

PDF (1707KB) ( 295 )

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帽型长桁为复合材料机身壁板最主要的支撑结构,其预成型体制造质量成为机身壁板制造成败的关键,本文阐述了使用手工铺贴、自动铺带+热隔膜、自动辊压、自动铺带+热模压以及液体成型五种工艺方法制造帽型长桁预成型体,详细描述了各类工艺方法的技术细节、优缺点以及技术应用状况,最后从力学效益、生产效率、综合成本进行对比分析,为帽型长桁的制造提供工艺借鉴。

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