复合材料科学与工程

孔祥清, 韩飞, 邢丽丽, 王学志

2019, 0(11): 5-11.

摘要 ( 91 )

PDF (4781KB) ( 148 )

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为了研究不同钢纤维体积掺量v_sf(0.5%、1%、1.5%、2%),纵筋配筋率ρ,再生骨料取代率R(0、50%、100%)对BFRP筋钢纤维再生混凝土梁(BFRP-SFRAC梁)抗弯性能的影响,本文对9根BFRP-SFRAC梁和1根钢筋钢纤维再生混凝土梁(对比梁)进行了抗弯试验,分析了其破坏形态、承载力变化过程及挠度变形等情况。结果表明:BFRP-SFRAC梁在达到极限承载力后,其荷载-挠度曲线下降段平滑,表现出较好的延性特征。BFRP-SFRAC梁的抗弯承载力受配筋率ρ和钢纤维体积掺量v_sf的影响较大,受再生骨料取代率R的影响较小。随着钢纤维体积掺量v_sf的增加,BFRP-SFRAC梁的初裂荷载和极限荷载均增加,但并不一直呈线性增长,而挠度变形有所减小。与对比梁相比,BFRP-SFRAC梁的初裂荷载略低,但极限荷载却明显提高。

基于差分进化算法的变角度纤维层合板优化

吴双华, 陈童, 尹冠生

2019, 0(11): 12-17.

摘要 ( 96 )

PDF (1108KB) ( 119 )

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以变角度纤维的起始角、终止角和层合板的层铺顺序为设计变量,弯曲刚度为设计目标,优化变角度纤维层合板。在优化过程中,对应层铺顺序的设计变量通过实数编码和置换策略转换成整数变量,实现离散空间和连续空间之间的转换。由于离散变量和连续变量的优化进程差异,本文提出一种改进的自适应差分进化算法,对不同类型的优化变量采取不同的自适应变异算子。相关算例计算结果表明:无论是对层合板的局部优化还是全局优化,改进的自适应差分进化算法都比差分进化算法和自适应差分进化算法计算精度高、收敛速率快,同时可以有效避免“早熟”现象。对于变角度纤维层合板弯曲刚度优化问题,本文提出的改进的自适应差分进化算法是一种相对高效的可行方法。

基于预警丝理念的预应力CFRP抗弯加固设计方法

郭蓉, 王明浩, 彭志会, 赵少伟

2019, 0(11): 18-23.

摘要 ( 86 )

PDF (1224KB) ( 175 )

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近年来预应力CFRP板加固技术在建筑加固中得到了广泛应用,加固后构件的承载能力、抗裂度、刚度以及材料利用率得到了明显提高,但加固后构件的延性明显降低,破坏形式变成脆性破坏,破坏前无明显征兆。为解决这一问题,本文基于预警丝理论的预应力CFRP板抗弯加固设计方法,提出了将预警丝的断裂点作为构件屈服点的理论。对4根预应力CFRP板加固的钢筋混凝土梁进行了弯曲性能试验,研究表明钢筋、预警丝、承载部分碳纤维板可以协调工作,验证了基于预警丝理论的设计方法的可行性,并通过最远法验证了预警丝的断点即为加固构件的实际屈服点,成功解决了该类加固构件延性不足的问题。

玻璃纤维乙烯基酯树脂复合材料的热响应预报方法

冯振宇, 王纳斯丹, 樊茂华, 范保鑫

2019, 0(11): 24-29.

摘要 ( 114 )

PDF (1754KB) ( 145 )

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为研究玻璃纤维/乙烯基酯树脂复合材料在火灾环境下的热响应,考虑其热解过程,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-时间历程与碳化过程。研究结果表明:建立的非线性热响应方程组可有效预测玻璃纤维/乙烯基酯树脂复合材料的温度-时间历程,与实验值吻合较好;随着加热时间增加,材料完全碳化,温度趋于稳定,材料温度-深度分布由非线性转变为线性;随着深度增加,玻璃纤维/乙烯基酯树脂复合材料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。

基于薄板小挠度理论计算复合材料矩形薄壁管局部屈曲载荷

朱秀杰, 熊超, 尹德军, 殷军辉

2019, 0(11): 30-36.

摘要 ( 86 )

PDF (2484KB) ( 190 )

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提出一种复合材料矩形薄壁管轴压局部屈曲载荷的计算方法。将轴压载荷作用下的复合材料矩形薄壁管的壁板视为单向受压各向异性板,在其平衡微分方程的解中引入弹性嵌固系数,得到了复合材料矩形薄壁管局部屈曲载荷的解析式。与文献中的试验数据和本文的有限元结果进行了对比,验证了计算模型的正确性。通过对4种铺层复合材料矩形薄壁管等效刚度系数进行定量计算分析了计算模型的适用范围。结合复合材料杆件欧拉屈曲载荷的计算公式,得出了综合考虑整体失稳和局部失稳的屈曲载荷的计算公式。研究发现在铺层参数不变时,存在区分发生局部屈曲和欧拉屈曲的临界长宽比。

CFRP/DC04钢胶接接头弯曲特性数值分析

董柏岩, 马其华

2019, 0(11): 37-44.

摘要 ( 99 )

PDF (4069KB) ( 138 )

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根据CFRP/DC04钢胶接接头的准静态三点弯曲试验,建立了胶接样件的有限元模型,采用ABAQUS/Explicit计算得到的模拟结果与试验结果具有良好的一致性,证明模型较好地重现了胶接接头在受载时的力学响应。基于模拟结果,对接头胶层的应力分布规律及损伤失效机理进行了分析,结果表明:在样件受横向弯曲载荷作用下,胶层各应力分布差异明显,法向应力σ集中分布在胶层两端;剪切应力τ₁₃沿胶层长度呈中心对称分布;剪切应力τ₂₃则集中于胶层的四个端角。由于粘接板的刚度和相对位置不同,前端胶层因承载较大的法向应力而最先发生了剥离破坏,并逐渐向尾端扩展。基于此,分析了粘接板件相对位置对胶接接头抗弯性能的影响,发现与CFRP置于顶部相比,将CFRP板置于底部可得到更好的接头韧性和更高的抗弯强度。

格构增强复合材料圆筒的侧向抗冲击性能研究

宗莉娜, 方海, 周辉

2019, 0(11): 45-49.

摘要 ( 87 )

PDF (1986KB) ( 160 )

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本文采用试验的方法对格构增强复合材料桥梁防撞装置的侧向抗冲击性能进行研究。研究横向格构间距对复合材料圆筒体冲击极限荷载、冲击最大位移、耗能性能的影响,并根据试验数据进行数值拟合,得出格构间距对极限荷载的拟合曲线。试验中横向格构越密,极限压缩荷载或极限冲击荷载越大。

不同材料及加固方式对梁弯曲性能影响试验研究

徐平, 代峻峰, 丁亚红, 马金一

2019, 0(11): 50-57.

摘要 ( 89 )

PDF (2697KB) ( 133 )

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为研究不同材料、不同加固量和不同加固方式对加固梁承载能力、挠度变化、破坏形态及裂缝发展的影响,通过四点弯曲加载试验,对11组试验梁进行抗弯试验研究。试验结果表明:不同加固筋材及加固方式对试验梁的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载及跨中荷载-挠度曲线都有一定的影响。提升开裂荷载主要受加固方式的影响,内嵌螺旋肋筋鱼尾式及格栅式的加固梁开裂荷载提升明显,较直嵌式加固方式,最大提高了182%;相同加固量时,端部锚固方式的加固梁屈服荷载和极限荷载提升最明显;采用内嵌CFRP筋材加固梁的极限荷载最大,最大提高了113.68%。加固材料对加固梁的抗弯刚度影响明显,内嵌CFRP筋加固梁的抗弯刚度最优;十字嵌入式、鱼尾嵌入式、格栅式及端部锚固式加固梁的抗弯刚度要明显优于直嵌式加固梁。

平纹织物混杂纤维复合材料低速冲击性能试验研究

苏波, 张抟, 于国军, 葛晶

2019, 0(11): 58-63.

摘要 ( 61 )

PDF (6883KB) ( 46 )

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使用玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维3种平纹纤维织物和乙烯基酯树脂,通过真空导入工艺制备了4种不同混杂组合的平纹织物纤维增强层合板,并对其进行了摆锤冲击试验;通过有限元模拟软件Abaqus对试验过程进行仿真建模,并与试验结果相比较。结果表明:低速冲击荷载下,纯玻璃纤维试样所受冲击力最大,吸能效果最差;碳纤维/芳纶纤维加入混杂后,冲击力、吸能效果均得到提升。其中:G₂/A₄/G₂试样缓冲效果最好,冲击力减少54.4%;C₂/G₄/C₂试样吸能效果最好,吸能提高了34.1%。Abaqus模拟结果与试验结果较为接近,可较好地反映复合材料的损伤过程。

格构腹板增强木芯复合材料短柱轴压性能试验与理论分析

朱潇雄, 方海, 邹芳, 杨来运

2019, 0(11): 64-68.

摘要 ( 69 )

PDF (1669KB) ( 164 )

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格构腹板增强木芯复合材料短柱以玻璃纤维增强复合材料作为面层与格构腹板,以泡桐木作为芯材,采用真空导入工艺制作而成,具有轻质高强、耐腐蚀、延性好等显著优点。对具有不同格构腹板布置形式、纤维增强复合材料壁厚等参数的复合短柱进行轴压试验,研究了其破坏模式和机理。基于弹性分析法计算了短柱试件的极限承载力,计算值与试验值吻合较好。

预埋碳纳米纸增强CFRP层合板弯曲性能分析

王萌, 王共冬

2019, 0(11): 69-73.

摘要 ( 75 )

PDF (4508KB) ( 193 )

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为了研究碳纤维增强复合材料的弯曲性能,本文采取层间预埋碳纳米纸的方法制备CFRP层合板,进行三点弯曲加载下的静力实验,通过分析弯曲应力-应变曲线以及对比试件弯曲极限载荷,研究碳纳米纸以及固化压力对CFRP弯曲性能的影响。研究结果表明:预埋碳纳米纸能够有效增强CFRP的弯曲强度以及极限弯曲承载能力;固化压力的提高可增强预埋碳纳米纸CFRP的机械性能,固化压力为2 MPa时达到最佳增强效果。

含缠绕层缺陷大容积钢内胆复合材料气瓶爆破压力分析

王浩, 邓贵德, 张兴芳, 姜永善

2019, 0(11): 74-80.

摘要 ( 76 )

PDF (6454KB) ( 148 )

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采用有限元软件构建大容积钢内胆复合材料气瓶模型,并在缠绕层表面建立三个体积型缺陷。详细阐述了数值模型的构建过程,重点分析了在设计爆破压力(50 MPa)下含不同缠绕层表面缺陷的气瓶内胆和缠绕层应力分布及大小,通过最大应力准则预测了各自情况下的爆破压力,与气瓶水压爆破试验数据进行了对比,并在此基础上研究了不影响爆破压力的缠绕层表面临界缺陷尺寸。模拟结果表明:缺陷对内胆应力影响较小,但缠绕层应力会因此急剧增大;爆破压力则是明显减小,且深度对其影响更大;针对本文讨论的气瓶,给出了临界面积为200 mm×200 mm,临界深度为1 mm这一结论。

施工期重车行驶下浅埋FRPM管涵洞安全性研究

陈兆南, 裴亚男, 魏连雨, 蒋克林

2019, 0(11): 81-85.

摘要 ( 105 )

PDF (2639KB) ( 193 )

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玻璃钢夹砂管具有轻质高强、施工工期短、耐久性能好等优势,可作为替代传统钢筋混凝土的公路管涵材料,在公路工程上应用前景广阔。为研究公路施工期间工程运输车行驶状态下对埋地玻璃钢夹砂管涵洞受力特征的影响,确保管涵安全的覆土厚度,通过设计现场动载试验,分析不同覆土厚度和重车荷载行驶下玻璃钢夹砂管的力学性能。结果表明,施工期玻璃钢夹砂管涵洞管顶为控制点,最大应力为0.6 MPa,远小于管涵抗压强度,覆土厚度为50 cm时可允许重型工程运输车通行。本文研究对公路施工期间玻璃钢夹砂管涵洞安全性控制点具有重要的指导意义与工程推广应用价值。

复合材料预制体单边弯针缝合装备技术研究

封桥桥, 文立伟, 肖军, 王宇

2019, 0(11): 86-94.

摘要 ( 88 )

PDF (4998KB) ( 166 )

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三维缝合技术不仅能够显著改善复合材料的层间性能,提高其抗分层性和抗冲击损伤容限,结合液体成型工艺,还可以实现复合材料结构整体化成型。本文以复合材料单边缝合技术为研究背景,开展复合材料单边弯针缝合装备技术的研究。首先从分析单边弯针缝合装备的功能需求和平台总体规划方案入手,设计并制造出一种单边弯针缝合头;然后针对该类缝合线迹的稳定化成型因素进行了讨论与分析,确定了在单个缝合周期内缝合头末端执行部件之间相互协调的位移时间关系曲线,确定了最佳线环形态以及缝线供需平衡关系表达式;最后通过试缝试验证明该缝合装备对纤维预制体的缝合能够形成平滑稳定的链式线迹,并最终实现良好的缝合效果。

玻纤/乙烯基酯复合材料的制备及其盐雾腐蚀行为

瞿立, 康少付, 李进, 程璇

2019, 0(11): 95-99.

摘要 ( 114 )

PDF (5523KB) ( 124 )

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我国新建的燃煤火力发电机组大多采用石灰石-湿法脱硫工艺,湿法烟气引起的盐雾腐蚀是导致火电厂烟囱内衬材料脱落的重要因素。本文基于真空辅助成型(VARTM)工艺低成本制造了玻纤/乙烯基酯复合材料,并在盐雾试验箱中分别腐蚀4 d、14 d、28 d和60 d,模拟其在自然盐雾环境下的力学性能变化,分析了复合材料的耐盐雾腐蚀性能,并采用SEM法分析微观机理和腐蚀前后试样表面形貌演化规律。结果表明,经过60 d的盐雾腐蚀,复合材料的力学性能均呈现出先增加后下降的趋势,在盐雾腐蚀60 d后,拉伸强度、弯曲强度、层间剪切强度分别下降了5.6%、12.71%、13.61%。微观形貌表征发现,盐雾腐蚀后树脂基体发生了膨胀开裂,在纤维-树脂界面处形成缺陷进而导致力学性能下降。

开孔对热塑性复合材料层合板抗反复冲击性能影响的研究

彭丕, 王继辉, 陈宏达, 骆传龙

2019, 0(11): 100-104.

摘要 ( 88 )

PDF (2549KB) ( 173 )

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研究了孔与冲击点的距离对玻璃纤维增强聚丙烯复合材料层合板抗反复冲击性能的影响。采用热压成型工艺制备了连续玻璃纤维增强聚丙烯层合板,通过落锤冲击试验机对层合板进行反复冲击,直至其发生完全穿透,获得冲击响应的相关数据。结果表明:孔与冲击点的距离d对玻纤增强聚丙烯层合板抗反复冲击性能的影响显著,就一次冲击而言,距离d越大,最大接触力越大,位移和吸收能量反而越小。相比于无孔层合板,d为5 mm、10 mm、15 mm、20 mm的开孔板抗反复冲击的次数分别降低了88.1%、57.6%、20.3%、3.3%。反复冲击过程中,d=5 mm和d=10 mm开孔板的最大接触力存在峰值点,开孔促进了层合板吸收冲击能量,每次冲击的吸收能量随着冲击次数的增加而缓慢增加。

暗通道图像增强技术在数字射线检测中的应用

郑金华, 盛涛, 冯君伟, 钱云翔

2019, 0(11): 105-110.

摘要 ( 67 )

PDF (3952KB) ( 150 )

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参考暗通道去雾图像增强技术,结合CFRP模压件DR数字射线图像特征,分析不同滤波半径和去雾系数下的图像增强效果,得到合理的图像增强参数,并将其成功地应用于该产品的DR数字成像检测中。结果显示,该方法能够有效降低DR图像中因工件厚度差异造成的对比度变化,减少了工件中的背景噪声,突出了工件中的缺陷信息,使得增强后的图像具有较好的视觉效果,并且针对不同类型的缺陷基本上能够统一评片窗口。减少了传统DR图像评片时需要调节窗口的次数,有效地提高了评片人员的工作效率和评片准确性,在实际工程应用中具有非常大的参考价值和指导意义。

纤维缠绕张力对玻璃钢制品质量的影响及控制措施

张志坚, 宋长久, 章建忠, 费其锋

2019, 0(11): 111-114.

摘要 ( 97 )

PDF (1113KB) ( 180 )

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在玻璃钢缠绕成型工艺中,纤维缠绕张力的控制是关系到玻璃钢制品性能和质量的关键技术。本文以缠绕成型工艺为研究对象,分析了纤维缠绕张力的主要产生环节和影响因素,并基于工业化生产和玻璃钢制品质量的要求提出对纤维缠绕张力进行有效控制的三点建议。

电泳涂装对车用复合材料性能影响研究

肖云健, 黄姿禹, 辛朝波, 何鹏

2019, 0(11): 115-118.

摘要 ( 111 )

PDF (1557KB) ( 198 )

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随着汽车产业的不断发展,人们对汽车的要求日趋严格,一方面传统的燃油汽车将面临百公里燃油耗的严苛要求,另一方面兴起的新能源汽车也将承受电池续航里程的挑战,二者均与汽车轻量化息息相关。因此,汽车轻量化的需求十分迫切,已经成为未来汽车业界的重要发展趋势。材料的选择则是轻量化的关键。碳纤维具有优越的比强度、比刚度等性能,还具有优异的轻量化性能。将碳纤维复合材料应用于车身结构件上,不仅能减轻车身重量,还能具有可靠的行人保护与安全性。因此,探讨电泳涂装与复合材料之间的相互影响,在汽车结构件轻量化的发展历程中具有重要的研究意义。本文对复合材料试样进行电泳涂装试验,研究复合材料与电泳槽液之间的相互影响,即研究复合材料对电泳池槽液的影响与电泳涂装对复合材料性能的影响,从而在材料级别论证碳纤维复合材料在汽车结构件轻量化领域的可应用性。

大型风电分段叶片模具组装成型关键控制技术

李义全, 武健丹, 樊虎, 刘晓彬

2019, 0(11): 119-122.

摘要 ( 104 )

PDF (2226KB) ( 196 )

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大型风电分段叶片模具成型技术是解决目前大型模具运输困难、降低成本的有效方式和大型模具制造的发展趋势。本文阐述了分段模具组装成型技术中的型面精度控制技术、预膨胀气密技术、温度均匀控制技术这三个关键技术,以某型号分段成型风电叶片模具拼装完成后的测试结果为例,其模具型面精度、气密性、温度均匀性均达到了制作叶片的要求,证明了大型模具分段成型技术的可行性。

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