石蜡(PA)作为典型的相变储能材料,存在易泄露、导热性能差等缺点,限制了其大规模市场化应用。针对此问题,以PA为基体相变材料,还原氧化石墨烯(RGO)为限域载体,通过一步水热法制备出固化的石蜡/石墨烯(PaGr)复合材料。在水热过程中,利用GO作为稳定剂配置Pickering乳液,实现了石蜡与石墨烯的有效复合。采用XPS和Raman光谱分析技术证实了GO在水热还原过程中成功转化为RGO,并借助光学显微镜、DSC及热循环测试,对所制PaGr复合相变材料的微观形貌、热物理性质、结构稳定性进行表征。实验结果证明,PaGr复合材料有效改善了PA液相泄露导致的形状不稳定性和高热阻性问题。较纯PA而言,其热导率和结构稳定性都有所提高,表明PaGr复合材料在PCM领域具有广阔的应用前景。

短切纤维层间增韧作为一种高效、便捷的复合材料层间增韧方法,已经被广泛用于提升复合材料层间力学性能。目前研究缺乏针对短纤维插层碳纤维增强复合材料层间开裂过程三维图像试验信息的系统探究。本文制备了短切芳纶纤维和短切亚麻纤维增韧的碳纤维/环氧复合材料层合板,通过双悬臂梁(DCB)试验研究短切纤维的增韧效果,并采用数字图像相关法(DIC)研究短纤维插层增韧复合材料表面应变场和损伤演化过程,分析不同短切纤维层间增韧机理。试验结果表明,层间插入短切芳纶纤维和短切亚麻纤维均可大幅提升复合材料层合板的Ⅰ型断裂韧性,增韧后DCB试样分层损伤过程均出现纤维桥联和纤维拔出现象。相比短切亚麻纤维,短切芳纶纤维桥联和裂纹偏转现象更显著,层间增韧效果更好,研究结果可为复合材料性能优化奠定试验基础。

为了研究随机分布载荷作用下的双向功能梯度材料(Functionally Graded Material,FGM)悬臂梁的力学行为,本文发展了一种高精度、高效率的半解析方法。首先介绍了双向FGM悬臂梁的物理模型,然后推导了其在随机分布载荷作用下的基本控制方程,并通过MATLAB编程实现了方程组的迭代求解。在此基础上开展了单向/双向FGM悬臂梁受纯弯曲载荷或均布载荷的算例分析,并与精确解、铁木辛柯梁理论解和梯度有限元方法解对比研究,结果表明本文方法收敛性好、计算精度高。最后,将本文方法用于双向FGM悬臂梁受线性分布载荷、正弦分布载荷或随机分布载荷作用下的力学行为模拟仿真分析,所得结果与梯度有限元方法模拟结果吻合较好,最大挠度、应力相对误差分别为2.11%、3.39%。

本文研究了不同铺层顺序对亚麻/玄武岩纤维混杂增强复合材料力学性能的影响。通过树脂导流成型工艺制备了纯亚麻纤维、纯玄武岩纤维,及两种铺层的亚麻/玄武岩纤维混杂增强复合材料层合板,分别进行低速冲击及冲击后弯曲测试,分析铺层顺序对混杂复合材料力学性能影响及失效机理。研究发现,在低速冲击测试中,混杂复合材料的力学性能介于纯亚麻纤维和纯玄武岩纤维复合材料力学性能之间。[B₄F₄]_S(其中B表示玄武岩纤维层,F表示亚麻纤维层)表现出比[F₄B₄]_S更高的峰值力,且[B₄F₄]_S吸收的能量更高。在三点弯曲测试中,未损伤混杂复合材料的力学性能介于纯亚麻纤维和纯玄武岩纤维复合材料力学性能之间。冲击损伤后,与纯亚麻纤维和纯玄武岩纤维复合材料相比,两种铺层的混杂复合材料的冲击后弯曲强度保持率均更高,且在相同冲击能量下,[F₄B₄]_S的冲击后弯曲强度保持率更高。

本文研究了纳米碳酸钙对前端聚合双环戊二烯树脂工艺性能、耐热性能及其力学性能的影响。结果表明,纳米碳酸钙的加入显著优化了双环戊二烯树脂的工艺窗口,其起始固化温度与峰值温度分别降低了16.16 ℃与13.92 ℃,室温凝胶时间延长至2.5 h以上。同时,纳米碳酸钙通过抑制高分子链段运动,将树脂的玻璃化转变温度(T_g)提升至127.9 ℃,增幅达33.79%。力学性能方面,当纳米碳酸钙含量为3wt%~4wt%时,树脂浇注体弯曲强度、拉伸模量与冲击强度分别达到60.53 MPa、1.90 GPa与4.84 kJ/m²,与纯树脂相比,分别提升13.27%、57.02%与9.09%,但过量纳米碳酸钙(>5wt%)会因为团聚形成的缺陷引发应力集中,从而导致力学性能下降。本研究可为设计兼具优良工艺性能和热机械性能的高性能前端聚合聚合物复合材料提供参考。

本文以甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)和二季戊四醇五丙烯酸酯(DPHA)为原料,分别与异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)以摩尔比为1∶1进行反应,得到三种丙烯酸酯预聚物。然后通过二月桂酸二丁基锡(DBTDL)催化,将预聚物接枝到酚醛环氧乙烯基树脂上,研究了不同丙烯酸酯接枝乙烯基树脂的热变形温度(Heat Distortion Temperature,HDT),玻璃化转变温度(T_g)、热分解温度。结果表明:20wt% DPHA预聚物接枝改性的乙烯基树脂耐热性能最好,其HDT为230 ℃,T_g为220 ℃,5wt%热分解温度约为330 ℃。

为解决厚截面复合材料固化过程中由于凝胶点前后温度场和固化度场不均匀而产生的质量缺陷问题,基于热-流-固多物理场耦合有限元模型,结合优化拉丁超立方抽样(OLHS),建立径向基神经网络(RBF)代理模型的固化均匀性多目标优化方法,实现对凝胶前后温度梯度和固化度梯度均匀性优化。优化结果与原设计相比,在总固化时长仅增加6.7%的情况下,凝胶点前后的温度梯度分别下降了51.7%和66.5%,固化度梯度分别下降了33.3%和63.6%,整个固化过程最大温度峰值下降了8.8%。结果表明本文提出的方法能够显著提升凝胶前后的固化均匀性。

为解决蜂窝结构在使用过程中蜂窝壁黏结处易开裂的结构失效性问题,本文以1 000 D芳纶长丝为增强体,环氧树脂为基体,使用2.5D织机和真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺制备了一体化纤维增强结构的蜂窝状三维机织复合材料,并分析得出在受到面外载荷的情况下,蜂窝状三维机织复合材料的破坏模式为纤维断裂和基体破坏及蜂窝整体的压溃和屈曲折叠破坏。为了更加准确地探究蜂窝状三维机织复合材料在受到面外压缩载荷时的力学响应和损伤演化,通过数值仿真的方法,建立了蜂窝状三维机织复合材料多尺度损伤模型,通过和试验结果进行对比,发现两者具有良好的吻合性,最后对蜂窝状三维机织复合材料进行了结构参数化的讨论,探究了蜂窝边长、壁厚对蜂窝面外压缩性能的影响。

为了解决U形或L形长梁件因固化变形带来的结构装配困难与承载可靠性降低的问题,本文基于ABAQUS有限元软件建立了一套复合材料固化变形仿真计算模型。基于该模型探究了L形复合材料长梁件的结构形状与铺层角度对其固化变形的影响。通过与三种非对称铺层L形复合材料长梁件的固化变形实验结果进行对比,发现仿真模型的最大计算误差为11%。基于该模型研究了铺层角度为[0/0/45/-45]_S、[0/90/45/-45]_S、[90/90/45/-45]_S的L形复合材料长梁件在不同倒圆角半径下的固化残余应力场与固化变形特性。结果表明,复合材料的倒圆角半径与铺层角度会显著影响构件的固化变形与残余应力。随着圆角半径的增加,三种铺层试样的固化残余应力与固化变形量均呈下降趋势。在圆角半径相同的情况下,[0/90/45/-45]_S试样的固化变形量与固化残余应力均为三种铺层设计中的最小值。这些结果表明,适当增大L形长梁件的倒圆角并进行合理均匀的铺层角度设计,有助于降低L形复合材料长梁件的固化变形。

2.5D机织复合材料因其优异的整体结构特性在航空航天等领域展现出广阔的应用前景。然而,预制体中纬纱在层向的偏转特征导致材料力学性能与失效机理更为复杂,严重制约了其在工程领域的广泛应用。本文以典型2.5D机织T300/QY8911-Ⅳ复合材料为研究对象,通过建立包含0°、5°及20°纬纱偏转角的单胞模型,结合三维Hashin失效准则和Mises失效准则,构建了2.5D机织复合材料渐进损伤模型,系统研究了不同偏转角下材料经向拉伸力学行为。研究结果表明:随着纬纱偏转角增大,2.5D机织复合材料经向拉伸强度呈现先增大后减小的趋势。本研究可为2.5D机织复合材料的结构设计与工程应用提供理论依据,具有重要的工程实践意义。

为研究实际工程设计中箱形截面GFRP柱腹板和翼缘厚度不相等所带来的不对称性对现有局部屈曲临界力预测公式精度的影响,本文利用ABAQUS软件建立了考虑几何缺陷的箱形玻璃纤维增强聚合物(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP)柱的非线性有限元模型,并对模型进行了验证。通过非线性有限元分析的轴向承载力结果,比较现有箱形截面GFRP杆件局部屈曲临界力计算方法的准确性和优缺点。在现有预测GFRP柱轴向承载力方法的基础上,提出了新的优化方程,并将所提出的优化方程结果与有限元结果对比,发现优化方程的局部屈曲临界力预测值比有限元数值模拟结果低5%,平均绝对误差为6.58%,标准差为7.1%,表现出较低的离散度。这表明优化方程能够很好地预测非等厚箱形截面GFRP压杆的局部屈曲临界力,并为后续其他截面局部屈曲临界力计算公式设计提供了一种简单可靠的选择。

为更快速、方便地设计风电叶片全尺寸静力加载方案,本文提出一种基于有限差分法进行迭代计算的静力配载方法。首先,将叶片简化成变截面的悬臂梁模型;其次,基于悬臂梁的挠曲线近似微分方程,根据叶片几何外形修正截面弯矩,采用有限差分法进行迭代计算,得到叶片的最终变形;然后,基于叶片最终几何外形进行静力方案的配载设计;最后,将该方法运用于百米级叶片的静力测试,并与ANSYS软件的计算结果和实际测试结果进行对比分析,验证方法的有效性。该方法能够快速计算叶片变形,进而迭代静力加载方案,提高静力测试加载方案的设计效率。

由于钢筋与玻璃纤维增强聚合物(Glass Fiber Reinforced Polymer,GFRP)筋力学特性的差异,GFRP筋增强混凝土柱轴压承载力计算不能简单套用钢筋混凝土柱计算方法。为提高GFRP筋增强混凝土柱轴压承载力预测模型的准确性,以253组试验数据作为极限梯度提升(XGBoost)算法建模的数据基础,并采用Bayesian优化算法、Bagging算法对XGBoost算法进行了优化,以提高模型的预测精度、稳定性和训练效率。采用决定系数(R²)、平均绝对误差(MAE)和相对根均方误差(RRSE)等指标对模型进行评价,并将其与现有预测模型进行对比分析。研究发现,Bayesian优化算法和Bagging算法可有效提高模型的训练效率、预测精度。所提出的Bayesian-Bagging-XGBoost模型的R²,MAE,RRSE值分别为0.691 6,418.162 9,0.555 3,远优于现有预测模型指标,可为GFRP筋增强混凝土柱的工程应用提供更加准确的参考。

为了减轻汽车座椅背板重量,采用玻璃纤维复合材料替代金属材料,通过仿真与试制件测试检验轻量化效果。建立金属和玻璃纤维复合材料背板模型,根据GB 15083—2019标准进行碰撞仿真分析,结果均满足要求。使用模注一体化成型工艺生产玻璃纤维复合材料背板件,重量为5.04 kg,相比金属(铁)背板(7.31 kg)减重31.05%。通过摆臂碰撞试验,实测玻璃纤维复合材料背板变形与仿真变形最大相对误差为3.2%,仿真结果可靠,碰撞后玻璃纤维复合材料背板未发生失效且仍保持在原锁止位置,满足标准行李箱冲击试验要求。玻璃纤维复合材料背板达到了预期的轻量化效果。

黏结强度是评价纤维增强树脂复合材料(FRP)与混凝土黏结性能的重要指标。由于影响因素过多,相关规范及研究人员建立的数学模型黏结强度预测精度较低。为解决上述问题,搜集相关参考文献,建立包含81组螺旋肋FRP筋与混凝土间黏结强度的数据库,并基于基因表达式编程(GEP)算法建立数学预测模型。将GEP模型与基于试验数据拟合得到的数学公式进行横向对比,评估指标包括决定系数(R²)、平均绝对误差(MAE)与均方根误差(RMSE)。研究结果表明:基于GEP的黏结强度预测模型的R²,MAE,RMSE分别为0.867,1.510,1.853。相比于现有的精度最高的预测模型,基于GEP的预测模型R²提高了39.39%,MAE减少了31.79%,RMSE减少了27.48%。

孔挤压强化是一种广泛用于提高航空结构疲劳寿命的技术。对于复合材料开孔结构,将无缝衬套通过挤压安装于开孔中可以有效提高开孔层合板的疲劳寿命。基于有限元软件ABAQUS,研究了无缝衬套孔挤压复合材料带孔层合板工艺,并提出了预测挤压后层合板疲劳寿命的方法,研究了挤压量对层合板疲劳寿命的影响规律。结果表明:挤压强化可以在层合板孔边和无缝衬套上产生一定的残余应力场,层合板内各层残余应力情况有一定差异,无缝衬套挤压出口面上的残余压应力最大;存在最佳挤压量,在该挤压量下进行强化不会对层合板产生损伤,在结构中产生的残余压应力场可有效提升开孔层合板的疲劳寿命,对于本文的研究对象,该最佳挤压量为2%,疲劳寿命可提升103%;若挤压量较大,孔挤压会在孔边造成损伤,以基体压缩损伤为主,这将影响甚至降低层合板的疲劳寿命。

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)因其高比刚度、低面密度和优异的热稳定性,成为大口径空间望远镜和自适应光学系统中反射镜轻量化设计的理想材料。本文系统综述了CFRP反射镜的设计与制造工艺进展、环境适应性研究及其在大型望远镜中的应用现状。通过优化铺层设计、改进固化工艺及表面处理技术,可有效抑制纤维透印(Fiber Print-Though,FPT)和固化残余应力引起的面形误差,使CFRP反射镜的面形精度达到λ/10级别(RMS)。然而,CFRP的吸湿性和热膨胀系数各向异性仍是制约其工程应用的关键问题。为此,本文进一步探讨了主动光学控制技术与CFRP反射镜的结合,使CFRP反射镜可根据力和环境变化调整面形,验证了其在可变形镜和大口径拼接镜中的应用潜力。未来需聚焦新型基体材料开发、多场耦合机理分析及长期服役性能评估,以推动CFRP反射镜在极端环境下的可靠应用。

高效可靠的热防护材料是事关高超音速飞行器研制成败的关键。本文面向未来高超音速飞行器用新型长效耐超高温热防护材料的发展需求,综述了国内外新型树脂基烧蚀防热材料的研究现状,展望了梯度化设计、制备低密度树脂基烧蚀防热材料的发展前景,并对未来的新型树脂基烧蚀防热材料技术发展方向提出了具体建议。