复合材料科学与工程

周春苹, 刘武帅, 王轩, 曹阳丽

2019, 0(7): 5-10.

摘要 ( 84 )

PDF (4115KB) ( 148 )

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为研究表面划伤对平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧压性能的影响,建立平纹编织面板蜂窝夹芯结构的渐进失效分析模型。考虑模型具有高度的材料非线性问题,选用ABAQUS/Explicit求解器进行蜂窝夹芯结构的准静态侧向压缩模拟,通过编写VUMAT子程序,分别设置面板和芯子的失效准则以及刚度退化模型,选用内聚力模型模拟胶层,完成含表面划伤的平纹编织面板蜂窝夹芯结构的侧向压缩渐进失效分析,与试验结果相比,破坏强度和失效模式非常吻合。研究结果表明:失效时无损伤一侧面板会产生屈曲行为,使得蜂窝芯面外应力增大,导致蜂窝芯出现损伤。含表面划伤一侧面板会发生经向纤维压缩失效及纤维-基体经向剪切失效,且失效会沿划伤方向从划伤区域附近向两侧扩展。

概率不确定性条件下复合材料的反演设计

宋述芳, 王卓群

2019, 0(7): 11-15.

摘要 ( 103 )

PDF (2063KB) ( 213 )

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反演设计是一种全新的现代设计方法,将其用于复合材料层合板的设计可以提供强有力的理论支撑。本文分别考虑复合材料的力学行为是确定性量和不确定性量的情况,基于有限元分析或试验数据,采用先进的GMDH-NN方法获取模型的输入-输出关系,随后遗传算法用于复合材料弹性常数的逆模拟及优化求解。通过算例证明了所提的反演设计方法能够较准确地获得复合材料层合板的工程弹性常数,具有工程应用价值。

N330炭黑增强橡胶复合材料力学行为的数值研究

李庆, 杨晓翔

2019, 0(7): 16-20.

摘要 ( 75 )

PDF (4294KB) ( 132 )

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通过力学实验获得了四种不同体积含量N330炭黑填充天然橡胶的应力-应变行为的试验曲线,利用电镜试验获得了炭黑填充橡胶复合材料的细观结构形貌特征图像,建立了不同粒径大小的二维多颗粒随机分布式代表性体积单元,对N330炭黑填充天然橡胶的力学行为进行了数值模拟。仿真结果表明:当N330的填充量为7%时,模型预测结果高于实验结果;当N330的填充量为15%和25%时,模型预测结果先是与实验结果吻合良好,而当达到一定的应变值时,模型预测结果便开始偏离实验结果。说明在一定应变范围内该模型对N330增强天然橡胶材料的力学行为具有较好的预测能力。

三维五向碳纤维编织复合材料拉伸损伤演化行为研究

韩康宁, 李小童, 秦礽, 周伟

2019, 0(7): 21-27.

摘要 ( 73 )

PDF (3492KB) ( 176 )

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为了揭示不同纤维体积分数下碳纤维三维五向编织复合材料损伤演化规律以及纤维断裂等损伤模式,结合声发射(Acoustic Emission,简称“AE”)、数字图像相关(Digital Image Correlation,简称“DIC”)以及红外热成像(Infrared Thermography,简称“IT”)多源互补监测技术,对复合材料进行拉伸力学性能实验,动态获取拉伸载荷下的AE信号以及损伤过程中的表面应变场与温度场信息。结果表明:随着纤维体积分数的增加,碳纤维三维五向编织复合材料的失效载荷和断裂强度增加,相对能量有所提高,单位时间内AE信号增长加快。在纱线交织区域出现了明显的应变集中现象,形成锯齿形的应变集中带。随着拉伸载荷不断增加,复合材料试件表面温度持续升高,试件破坏瞬间,有明显的温度表征,与应变场失稳破坏表征吻合。因此,结合AE、DIC和IT互补检测技术,能够有效地监测碳纤维三维五向编织复合材料的损伤演变过程,为其结构健康检测提供参考。

二维多轴向经编碳纤维复合材料性能研究

刘明帆, 张鹏, 程永奇

2019, 0(7): 28-33.

摘要 ( 103 )

PDF (976KB) ( 227 )

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本文采用相同工艺制备了三种多轴向经编碳纤维复合材料,研究了不同编织方式的碳纤维复合材料的冲击、压缩及摩擦性能。结果表明,三轴(±45°/90°)碳纤维复合材料表现出了突出的冲击性能,相比于二轴(±45°)复合材料,冲击强度提高90％,相比于四轴(-45°/0°/+45°/90°)复合材料,冲击强度提高45％。二轴(±45°)、三轴(±45°/90°)、四轴(-45°/0°/+45°/90°)碳纤维复合材料的压缩强度随着编织角的增加而增大,四轴相比于二轴压缩强度提高125.7％。温度对碳纤维复合材料的摩擦性能有直接影响,室温下与平纹编织碳纤维复合材料相比,多轴向经编碳纤维复合材料的摩擦系数更低,摩擦稳定性更高;高温下,复合材料摩擦系数随着试验温度的增加呈先减小后增大的趋势,当试验温度为150 ℃时,复合材料的摩擦系数有最小值。

复合材料长桁压缩性能数值分析及试验验证

叶梯, 岳源

2019, 0(7): 34-38.

摘要 ( 81 )

PDF (2283KB) ( 123 )

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基于渐进损伤方法,以三维HASHIN准则作为复合材料失效的判据,采用非线性刚度退化方法研究了复合材料长桁的压缩性能。通过编写用户自定义材料子程序(UMAT)的方式,将上述准则结合,在ABAQUS中实现。建立不同尺寸、不同铺层长桁三维有限元模型,分析了它们的压缩性能及破坏过程,同时对有限元模型进行了试验验证。长桁构型1分析结果为在247 kN破坏,试验结果为在257 kN,试验结果与数值分析结果符合良好,验证了分析模型的有效性。

基于ABAQUS的碳纤维增强铝合金层合板的承载性能研究

尹学智, 黄亚新, 林渊

2019, 0(7): 39-47.

摘要 ( 113 )

PDF (4857KB) ( 205 )

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碳纤维增强铝合金层合板材料是一种能够减轻桥面板自重的新型复合材料。本文运用ABAQUS软件建模分析的方法,研究了不同铝合金牌号和铺层结构对碳纤维铝合金层板材料面板的承载性能的影响,并与试验结果相验证。研究发现:由2024-T3、7075-T6牌号铝合金和[0/90/0]、[45/0/-45]铺层结构组合而成的4组3/2型碳纤维铝合金试件的初始刚度和极限荷载相差不大,极限位移存在明显差异,采用2024-T3铝合金的试件的极限位移比采用7075-T6铝合金的试件大,铺层结构为[45/0/-45]的极限位移比铺层结构为[0/90/0]的试件大;试件铝合金表面应变对称分布,采用2024-T3铝合金的试件的应变明显比采用7075-T6铝合金的试件大,且加载区短边应变水平明显高于长边;试件材料层损伤存在明显的先后顺序,其中0°纤维断裂最早发生,90°其次,45°纤维最晚,7075-T6铝合金断裂发生在纤维断裂之后,2024-T3铝合金断裂发生在纤维断裂过程中。

基于CFRP等刚度设计的全模态等刚度验证

侯鹏飞, 杨易, 唐建平

2019, 0(7): 48-54.

摘要 ( 105 )

PDF (1760KB) ( 192 )

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等刚度验证是各种工程结构进行材料替换的重要依据,本文通过对钢制异型圆管进行碳纤维增强复合材料(CFRP)等刚度设计及验证,得到了一种高效可靠的等刚度验证方法。首先,通过理论计算得到异型圆管结构在不同受载工况下的变形结果,并分析了变形的影响因素及其影响程度;其次,选用CFRP和钢材作为等刚度设计对象,依据异型管的理论变形结果和等刚度设计原则,设计得到了满足等刚度要求的CFRP异型管和钢制异型管;最后,提出了一种高效可靠的等刚度验证方法——模态验证法,依据理论推导所得出的等刚度的验证条件,对已经满足等刚度要求的CFRP异型管和钢制异型管进行等刚度验证,结果表明CFRP异型管和钢制异型管能够满足该等刚度验证条件,进而验证了该方法的有效性。相较于以往的多工况加载验证方法,等刚度模态验证法主要的优势在于:①分析过程简单,只需对替代件和原件进行模态分析,就能够大幅度提高验证效率;②与结构本身的受载工况无关,能够适用于变载结构件的等刚度验证;③以结构的刚度矩阵相等为理论基础,验证结果更为可靠,能实现真正意义上的全方位等刚度验证。

RTM成型用水溶性芯模研制

李熠杰, 陈利

2019, 0(7): 55-59.

摘要 ( 112 )

PDF (1635KB) ( 197 )

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采用两种大小不同的粒径制备了一种新型水溶性皮芯结构芯模,并对其成型性、力学性能、水溶溃散性及不同粒径制得芯模表面的粗糙度进行研究,结果表明水溶性皮芯结构芯模具有良好的成型性,强度高,并且在保证表面精度的同时有较好的水溶溃散性,综合了小粒径强度、表面精度高和大粒径水溶性好的优势,表面包覆铁氟龙耐高温胶带成功阻止树脂在复合中浸入芯模,且脱模简单。水溶性皮芯式水溶性芯模工艺可以很好地满足长径比大的芯模的要求,给开口小、长径比大的异形件制备提供了新思路。

上浆剂组分对碳纤维表观性能的影响研究

杭传伟, 钱鸿川, 徐牛牛, 何州文

2019, 0(7): 60-64.

摘要 ( 78 )

PDF (2327KB) ( 275 )

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分别采用双酚A环氧树脂乳液、乙烯基酯树脂乳液、醚类乳化剂乳液对国产碳纤维进行上浆,测试比较了三种上浆剂对碳纤维的表观、毛丝量、展纱性、硬挺度、吸水率、表面能及其复合材料层间剪切强度的影响。双酚A环氧树脂有利于改善纤维表面状态,提高纤维集束性;醚类的乳化剂有利于降低纤维的毛丝量,改善纤维的展纱性;乙烯基酯树脂可以提高纤维的集束性及硬挺度。三种上浆纤维表面能从大到小依次为环氧树脂、醚类乳化剂、乙烯基酯树脂;吸水率从小到大依次为环氧树脂、乙烯基酯树脂、醚类乳化剂。上浆剂中组分的吸水率高低不是影响碳纤维复合材料层间剪切强度的决定性因素。

复合材料泡沫夹芯结构VARI成型工艺研究

董青海, 党磊, 原崇新, 刘晨晓

2019, 0(7): 65-68.

摘要 ( 86 )

PDF (1004KB) ( 138 )

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复合材料泡沫夹芯结构由于具有轻质高强的特点被广泛应用于航空航天、船舶、轨道交通、风力发电等领域。本文采用VARI成型工艺制备夹芯结构,研究了双面导流网注胶、单面泡沫开槽、泡沫开槽打孔、泡沫打孔等注胶工艺设计制备夹芯结构的效果,为不同技术要求的夹芯结构制件提供了不同的工艺成型方式,并介绍了一种可以直观观察树脂流动状态的工艺方法。

蜂窝夹芯结构预埋玻璃纤维板挤压强度研究

赵霞军, 娄程飞, 张伟

2019, 0(7): 69-72.

摘要 ( 87 )

PDF (1139KB) ( 137 )

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复合材料蜂窝夹芯结构是复合材料典型的结构形式,但蜂窝夹芯结构接头连接处是结构中的薄弱部位。本文针对复合材料碳纤维面板、Nomex蜂窝的夹芯结构,采用预埋玻璃纤维板作为传力接头,研究夹芯结构接头处的挤压性能。研究结果表明,预埋玻璃纤维板能够有效提高夹芯结构的挤压强度,挤压载荷随着玻璃纤维板直径的提高呈线性增加。无损检测发现玻璃纤维板和面板/蜂窝剥离,表明玻璃纤维板、黏结剂是载荷传递到周围蜂窝和面板的介质。实际使用中要注意连接件和玻璃纤维板直径的匹配关系,一般对于螺栓NAS6204-8(螺栓直径为4.8 mm),玻璃纤维板直径为20 mm是合适的,对于螺栓NAS6304-8(螺栓直径为6.4 mm),玻璃纤维板直径为30 mm是合适的。

多孔C/SiC复合材料数字射线检测技术研究

江柏红, 于士章, 高晓进, 董家驹

2019, 0(7): 73-77.

摘要 ( 50 )

PDF (10901KB) ( 72 )

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针对多孔C/SiC复合材料平板构件开展了CR、DR两种数字成像技术研究,设计了适用于评价多孔复合材料数字照相质量的对比试块,研究了管电压、曝光量等参数对检测结果的影响。研究结果表明,管电压、曝光量等参数会影响CR、DR的检测效果,本文提出的槽型、孔型对比试块可以用来表征X射线数字检测图像的质量,为复合材料构件射线检测参数的优化提供了依据。

表面处理对石英纤维增强PAA树脂复合材料界面性能的影响

苗春卉, 翟全胜, 张晨乾, 叶宏军

2019, 0(7): 78-84.

摘要 ( 93 )

PDF (3830KB) ( 155 )

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通过烧蚀法去除表面浸润剂、表面接枝偶联剂等方法,对石英纤维进行了不同的表面处理。使用不同的石英纤维/PAA树脂体系制造了复合材料层合板,测试了弯曲、层间剪切和压缩性能,通过对比不同表面处理方式对纤维浸润性、固化后力学性能及断面形貌的影响。研究了不同表面处理方法对石英纤维和PAA树脂界面结合性能的影响。结果表明:去除浸润剂的纤维,毛细压力值降低,树脂对纤维的浸润能力降低,使得PAA树脂与石英纤维的润湿角变大,界面结合力降低,固化后复合材料的力学性能降低,且复合材料断裂面上纤维光滑,树脂粘附少;使用沃兰改性后的纤维,毛细压力值增加,树脂对纤维的浸润能力增加,同时降低了PAA树脂与石英纤维的润湿角,有效地改善了石英纤维和PAA树脂的界面结合性能,提高了其复合材料的力学性能,复合材料断裂面上纤维粘附的树脂明显增多。

复合材料机身壁板机械连接的强度分析与验证

张绪, 汪厚冰, 于振波, 胡海威

2019, 0(7): 85-91.

摘要 ( 106 )

PDF (6521KB) ( 320 )

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为了验证复合材料机身壁板机械连接设计及分析方法的合理性,设计了复合材料壁板纵向对缝连接零组件试验,并分别利用工程经验公式和有限元建模方法对试验件进行了强度分析。试验结果表明,复合材料壁板机械连接设计满足限制载荷和极限载荷设计要求,理论应变分布与试验应变分布一致,机械连接处紧固件传载比例与工程经验方法吻合,实际破坏载荷高于理论分析所预测的破坏载荷,表明强度分析方法合理且保守。

宽频蜂窝夹层结构吸波复合材料设计方法研究

礼嵩明, 吴思保, 院伟, 鹿海军

2019, 0(7): 92-97.

摘要 ( 95 )

PDF (1952KB) ( 214 )

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建立了具有良好计算准确性的吸波蜂窝及其夹层吸波结构复合材料的电性能计算模型,利用此计算模型,研究了吸波蜂窝和透波蒙皮对蜂窝夹层结构吸波复合材料电性能的影响规律,实现了蜂窝夹层结构吸波复合材料的宽频电性能优化设计。结果表明:蜂窝夹层结构吸波复合材料的吸波性能随着吸波蜂窝介电性能的增加先提高然后降低,当吸波蜂窝介电性能增加到能够最优平衡吸波蜂窝的电磁匹配特性和衰减特性时,吸波性能最优;蜂窝夹层结构吸波复合材料的低频吸波性能(1 GHz~2 GHz频率范围)随着吸波蜂窝芯高度的增加逐渐提高,高频吸波性能(8 GHz~18 GHz频率范围)随着吸波蜂窝芯高度的增加先提高而后逐渐趋于稳定,不再继续随着高度的增加而提高;对于相同透波材料体系,1 mm厚度透波蒙皮可同时满足蜂窝夹层结构吸波复合材料宽频电性能和承载性能要求。通过合理的梯度电结构设计,可实现蜂窝夹层结构吸波复合材料的宽频电性能优化,优化后的蜂窝夹层结构吸波复合材料在1 GHz~18 GHz时具有良好的宽频吸波性能。

蜂窝夹层复合材料在汽车外饰件上的应用

王永红

2019, 0(7): 98-102.

摘要 ( 82 )

PDF (2201KB) ( 203 )

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本文旨在讨论如何开发出一种低成本的汽车外饰件轻量化工艺方案,通过对产品材料结构力学的研究,结合汽车外饰件产品的受力状态,先确定产品结构设计的方向,然后合理地选择成型工艺和具备相应特性的材料,在保证产品强度、刚度等基本性能的前提下,实现汽车外饰件的轻量化目标。本文涉及的汽车外饰件轻量化技术主要是利用SMC材料工艺的A级表面特性及良好的耐候耐化学等特性,将其作为多层材料的外表皮,同时又与蜂窝夹层结构轻质、高强、高刚的轻量化特性相结合,实现质量轻、强度高、刚度高的大型汽车外饰件要求。另外,本文还详细阐述了该轻量化工艺的制作流程和该工艺结构的技术要点。

泡沫夹芯复合材料加筋结构振声特性研究

田旭军, 胡刚义, 黄国兵

2019, 0(7): 103-108.

摘要 ( 79 )

PDF (4382KB) ( 142 )

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为了研究泡沫夹芯复合材料加筋结构在工程应用中的振声效果,针对泡沫夹芯复合材料加筋板格结构和钢制板格结构,开展了空气中的振动模态对比试验,试验结果表明,与钢制结构相比,夹芯复合材料加筋板格的前三阶固有频率提高2倍以上,应用泡沫夹芯复合材料加筋结构能在减轻结构重量的同时,大幅提高整体结构刚度。基于Layerwise理论对复合材料加筋板格结构的模态试验进行仿真计算,计算结果与试验结果吻合,验证了仿真计算方法的准确性;在此基础上,仿真计算泡沫夹芯复合材料加筋板格结构在空气和流体介质中的模态和频响特性,并分析加强筋尺寸对板格固有频率的影响规律,为工程应用提供参考。

FRP加固砌体砖柱的轴压性能研究综述

雷真, 郭洪波, 白柳, 谭鹏祥

2019, 0(7): 109-115.

摘要 ( 92 )

PDF (1138KB) ( 139 )

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纤维增强复合材料(FRP)加固技术在砌体结构加固、修复中被广泛应用。大量研究表明,采用FRP加固轴心受压砖柱可显著改善构件的脆性特性,提高其承载能力和延性。本文回顾并总结了国内外学者对FRP加固砌体砖柱的轴心受压试验研究和理论分析,并对现有FRP加固砖柱的轴心受压性能研究进行了总结,整理出不同截面类型的砌体砖柱有效约束区面积的计算公式,总结了各学者提出的FRP加固砖柱的理论模型和FRP加固砖柱承载力与极限强度的计算公式。针对目前FRP加固砌体砖柱的研究现状,提出存在的缺陷与空白,为下一步的研究提供参考。

ECC结构抗震性能研究进展

龚宏伟, 江世永, 飞渭, 陈进

2019, 0(7): 116-124.

摘要 ( 117 )

PDF (2652KB) ( 204 )

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在地震作用下,钢筋混凝土结构易发生混凝土剥落、结构连续性倒塌等破坏。工程设计水泥基复合材料(ECC)的韧性好、变形性能优异,具有明显的拉伸应变硬化效应和多缝开展特征,将其应用于建筑结构代替普通混凝土材料,可较好地满足结构抗震性能方面的要求。从试验、理论及有限元分析的角度,系统介绍了ECC材料的拉压力学性能和ECC梁、柱、节点和框架等构件或结构的抗震性能。国内外研究表明,在低周往复荷载作用下,ECC构件裂缝细密,其变形、延性及耗能混凝土结构有较大提升,减少箍筋用量也能避免结构或构件发生剪切失效。在地震作用下,ECC结构比混凝土结构的破坏程度大为减轻。

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