复合材料科学与工程

于鑫涛, 张发, 高鑫, 张旭, 潘忠祥, 曹淼

2025, 0(5): 1-14. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250528.001

摘要 ( 43 )

PDF (35909KB) ( 86 )

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本文基于多尺度力学方法提出一种预测平纹CF/PEEK复合材料在高温场和高应变率下的冲击力学响应和失效机制的方法。首先,基于复合材料内纤维、纤维束以及基体的真实几何结构和空间分布建立相应的微观、介观和宏观尺度的有限元模型,基于固化纤维束内纤维的典型空间分布特征建立微观力学模型,通过周期性边界条件扩展至介观尺度纤维束的力学性能参数,从而预测纤维束在不同加载模式下的失效模式;其次,建立介观尺度平纹交织结构单胞模型,得到复合材料内单层板力学性能,建立微结构与宏观尺度性能之间等效性连接;最后,分别测试得到温度场与动态压缩性能参数,创建与宏观试件等大的均质化模型,与试验结果进行对比,验证模型的有效性,同时分析预测试件整体的冲击力学响应与失效模式,揭示平纹CF/PEEK热塑性复合材料在温度场耦合下的动态压缩效应。本研究可为热塑性复合材料在极端环境下的服役安全提供有益参考。

短切芳纶纤维网纱层间增韧CF/EP复合材料结构与性能研究

彭砚双, 薛怿, 阳泽濠, 赵庆志, 张文强, 冯阳阳, 刘勇, 张辉, 俞建勇

2025, 0(5): 15-21. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250528.002

摘要 ( 21 )

PDF (11755KB) ( 81 )

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为提高碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料的层间韧性,本文采用湿法成网工艺制备微纤化短切芳纶纤维网纱(short Aramid Fiber Veil,AFV)作为CF/EP的插层,研究了AFV面密度对其层间断裂韧性的影响,通过对CF/EP复合材料断面形貌进行观察,探究其增韧机制。结果表明,经3 g/m² AFV增韧的CF/EP复合材料的G_ⅠC值提升了60.6%,G_ⅡC值提升了69.7%,并且层间剪切性能也有所改善。结合SEM分析可知,微纤化短切芳纶纤维在受力时出现了纤维桥接、纤维拔出、纤维断裂和纵向撕裂等现象,使裂纹路径更加曲折,消耗更多能量,从而提升了CF/EP复合材料的层间韧性。

拉伸载荷作用下玻璃纤维复合材料-铝合金双钉混合连接接头失效行为数值研究

杨晓, 贺娜, 肖鹏, 朱强, 蔡伟, 胡海晓, 曹东风

2025, 0(5): 22-30. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250528.003

摘要 ( 11 )

PDF (14631KB) ( 56 )

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复合材料与金属材料连接设计问题是飞机结构设计中最为关键的问题,深入研究复合材料-金属机械连接结构力学性能与失效模式,对提高飞机复合材料-金属混合结构安全性和可靠性具有重要意义。因此,本文基于有限元方法建立了拉伸载荷下正交编织GFRP层合板和铝合金板双钉混合连接接头失效数值分析模型,并进行了相应的有限元数值仿真模拟和模型试验,数值与试验结果对比表明数值模型具有较高的准确性。在此基础上,结合试验和数值结果,探究了拉伸载荷作用下纯螺栓连接接头和胶螺混合连接接头失效模式和承载能力的差异。研究发现,胶螺混合连接接头中的胶层可以降低螺栓孔附近的应力集中,提高整体连接结构的刚度,且胶螺混合连接接头的承载力相较于纯螺栓连接接头的承载力提高了27.8%。该研究结果可为复合材料-金属连接结构设计提供参考。

亚麻/玄武岩混杂纤维复合材料力学性能研究

张娟娟, 黎世杰, 陈湘林, 王涛, 祝恪恒, 慕文龙

2025, 0(5): 31-37. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250528.004

摘要 ( 18 )

PDF (6110KB) ( 54 )

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本文制备了亚麻纤维增强聚乳酸复合材料(FFRP)和亚麻/玄武岩混杂纤维增强聚乳酸复合材料(FBFRP),对其进行拉伸和弯曲测试,分析纤维含量及混杂纤维对复合材料力学性能的影响,结合差式扫描量热法(DSC)测试,分析复合材料的力学性能变化机理。结果表明:对于FFRP,当亚麻纤维含量超过20%时,随着纤维含量的继续增加,复合材料拉伸性能提高,并在40%时达到最高值。少量的亚麻纤维可能引起材料内部缺陷,而纤维含量过多会形成团聚现象,均会导致复合材料性能下降。对于FBFRP,加入适当含量的玄武岩纤维,复合材料力学性能增强。亚麻与玄武岩纤维含量分别为30%和9%时,材料力学性能最佳。最后基于Halpin-Tsai经验公式及包含Tsai-Wu失效准则的横向各向同性数值模拟建立混杂复合材料力学性能预测方法,以准确评估和预测不同纤维含量的混杂纤维增强复合材料的力学性能。

基于双向随机微力学模型的复合材料内聚强度预测

许明朝, 田阿利, 王千一, 罗怡

2025, 0(5): 38-44. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250528.005

摘要 ( 12 )

PDF (9415KB) ( 51 )

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针对复合材料损伤实效机理复杂的问题,本文从细观力学机理角度,通过微观代表性体积单元(RVE),建立复合材料双向随机微力学模型来表征结构内聚层,用于探究复合材料三种分层模式下的内聚强度。选取扩展的线性Drucker-Prager屈服准则,参数化定义随机微观结构,预测裂纹在基体中的萌生现象。预测结果表明,内聚强度在很大程度上取决于由最小垂直纤维间距、最小横向纤维间距、纤维垂直角以及纤维铺层角参数描述的随机微观结构形态。从物理机制的角度出发,提出了内聚强度计算框架,本研究在预测复合材料层合板脱层行为方面具有重要的研究意义,可为工程实践中的结构设计和性能优化提供重要依据。

不同方法测试环氧树脂玻璃化转变温度对比研究

刘伟

2025, 0(5): 45-49. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250528.006

摘要 ( 40 )

PDF (2893KB) ( 61 )

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玻璃化转变温度(T_g)作为材料的固有属性,理论上与测试方法无关,但在实际测试中,不同方法及仪器得到的结果通常具有显著的差异。以一组能够完全固化的环氧树脂为研究对象,分别采用差示扫描量热法(DSC)和动态机械分析法(DMA)对其T_g进行测定;通过对比不同方法的测试结果,重点探讨了测试方法、仪器种类、升温速率等差异导致T_g结果存在偏差的原因,为材料的热性能(T_g)表征结果一致性、可靠性与可比性探索了新的思路。

ATH/EG对酚醛树脂复合材料阻燃性能的影响

王鑫, 曹京宜, 倪爱清, 王兵, 李想, 殷文昌, 王继辉

2025, 0(5): 50-58. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250528.007

摘要 ( 14 )

PDF (20520KB) ( 55 )

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本文通过添加不同配比的阻燃剂氢氧化铝(ATH)和阻燃剂可膨胀石墨(EG),对碳纤维增强酚醛树脂复合材料(CFPF)进行了阻燃改性,并对其进行了试验研究,考察了改性前后复合材料的阻燃抑烟性能、热降解行为、力学性能和残炭形貌。试验结果表明,两种阻燃剂的加入使材料的阻燃抑烟性能和热稳定性得到明显提升。当ATH与EG的质量比为1∶2时,得到的阻燃CFPF-2复合材料的极限氧指数(LOI)增长到68.4%。锥形量热测试结果表明,与未添加阻燃剂的CFPF-0相比,CFPF-2的热释放速率峰值(pHRR)、总热释放(THR)、总发烟量(TSP)和平均比消光面积(ASEA)分别下降了49.73%、65.30%、94.89%和94.63%。烟密度测试结果表明CFPF-2的最大比光密度(D_s,max)下降了93.71%,这说明ATH和EG有很好的协同阻燃效果,尤其在抑烟方面有极为显著的效果。热失重分析(TGA)结果表明,CFPF-2的残炭量提高到了13.72%,与CFPF-0的2.70%相比有明显的提升。另外,力学性能测试结果表明,ATH/EG阻燃体系可以提高CFPF复合材料的拉伸强度和弯曲强度。

成型工艺及铺层结构对CF/PPESK复合材料缺陷与力学性能的影响

王俞童, 乔越, 贾航, 张玉, 陈曦, 刘程, 蹇锡高

2025, 0(5): 59-67. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250528.008

摘要 ( 22 )

PDF (11353KB) ( 53 )

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本文采用溶液浸渍法制备碳纤维增强杂萘联苯聚芳醚砜酮树脂基(CF/PPESK)预浸带,通过正交试验优化胶液浓度、湿法预浸工艺参数,当胶液浓度为20wt%、辊轴转速为7 r/min、带距宽度为6.5 mm时,预浸带树脂体积含量为40.01%,面密度为218 g/m²。通过真空模压成型制备CF/PPESK复合材料,通过相控阵超声C扫描和三点弯曲测试,探究不同成型工艺对准各向同性(QI)复合材料层合板缺陷及力学性能的影响规律。结果表明:当成型温度为350 ℃、成型压力为16 MPa时,QI层合板分层缺陷最少,其弯曲强度为345 MPa,模量为46 GPa;不同铺层结构复合材料层合板在250 ℃下的弯曲强度保持率为60%~62%。为提高CF/PPESK@QI复合材料层合板的弯曲性能,在树脂基体中引入大分子接枝改性碳纳米管(MWCNTs-P),不同铺层结构层合板弯曲强度分别提高了39%~46%,在250 ℃下的弯曲强度保持率为47%~52%。

基于最小二乘多项式拟合的连续纤维基准铺放路径

朱新颜, 孙鹏文, 孙文博, 张兰挺, 王子瑞, 李宏宇

2025, 0(5): 68-72. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250528.009

摘要 ( 10 )

PDF (3893KB) ( 44 )

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为进一步对纤维曲线铺放基准路径拟合方法进行研究,寻找空间曲线更精确的表达方式,提出基于最小二乘多项式的基准路径拟合方法。对比不同类型基函数的拟合效果和误差,确定了多项式为拟合基函数;基于最小二乘多项式拟合方法,编写相应的Matlab程序,求解得出基准路径参数方程,得到连续的纤维曲线铺放基准路径,通过算例验证了最小二乘多项式拟合的可行性和准确性。

基于宏细观模型的黏弹性复合材料层合板阻尼预测

朱遂安, 张鸿, 李湘萍, 刘兵飞

2025, 0(5): 73-80. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250528.010

摘要 ( 7 )

PDF (4632KB) ( 44 )

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提出了一种基于宏细观模型求解复合材料层合板模态阻尼的有限元方法。该方法以层合板的模态分析结果作为边界条件输入基体为黏弹性的单向纤维RVE模型,计算了具有频率依赖性与应变依赖性的各向损耗因子,并结合应变能法在宏观模型中引入符合实际分布的阻尼,借助有限元软件中复频率分析步求解层合板的模态阻尼。与已有的阻尼预测方法相比,本方法的计算结果变化趋势更接近实验数据,且只需定义细观组分的材料属性即可实现任意体积分数、任意铺层的复合材料阻尼预测,具有更加广泛的适用性,为利用通用有限元软件分析各类复合材料提供了参考。

拱形反手性四韧带蜂窝夹芯结构梯度设计与低速冲击响应

相双林, 周霞

2025, 0(5): 81-89. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250528.011

摘要 ( 4 )

PDF (10934KB) ( 80 )

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将反手性四韧带蜂窝应用于拱形夹芯板,基于密度梯度概念,设计了三种不同梯度的夹芯板,建立数值模型并将数值模拟结果与已有试验结果进行对比,验证了该模型的有效性。在此基础上,研究了冲击能对不同梯度拱形夹芯板峰值冲击力、抗冲击性能、吸能和损伤的影响,同时进一步讨论了负梯度拱形夹芯板在重复冲击下的动态响应。结果表明:梯度因子由于改变芯层结构,对夹芯板的损伤破坏模式有重要影响。在低能冲击下,峰值冲击力随着梯度因子的增大而增大,同均匀夹芯板相比,梯度夹芯板具有较好的能量吸收,其吸收的能量比均匀夹芯板吸收的能量最高提升32.8%;在较高冲击能下,梯度因子对峰值冲击力和能量吸收没有显著影响。负梯度夹芯板在重复冲击下,前面板和芯层主导夹芯板的总吸能,其中芯层吸能平均占总吸能的66%,随着冲击次数的增加,夹芯板的变形破坏模式发生上面板局部变形到破坏、芯层变形致密化到整体坍塌以及夹芯板整体横向弯曲的转变。

碳纤维复合材料铆接过程的数值与实验研究

刘亚康, 倪文波, 王雪梅

2025, 0(5): 90-95. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250528.012

摘要 ( 13 )

PDF (10129KB) ( 84 )

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针对碳纤维复合材料板件之间的拉铆连接开展研究,对轨道车辆车体上常用的CR7621型抽芯铆钉的铆接过程进行数值模拟,并采用具备铆接过程力-位移检测功能的铆枪进行对比实验,获得铆接接头的成型情况和力学性能。对比分析结果表明:数值模拟的内、外部成型情况与实验结果基本一致,钉套鼓包处直径、最大铆接力等关键数据的偏差均在5%以内;进一步在试验机上对铆接接头开展剪切实验,接头失效形式为铆钉钉套的尾部被剪断,破坏时载荷-位移曲线具有较好的一致性,最大载荷平均值为17.7 kN,位移平均值为5.47 mm。研究可为轨道车辆碳纤维复合材料部件之间铆接工艺的应用提供支持。

基于改进孔隙网络模型的织物增强体渗透率预测方法

范奇, 王静, 杨斌, 王继辉, 倪爱清

2025, 0(5): 96-107. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250528.013

摘要 ( 12 )

PDF (27604KB) ( 53 )

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建立了通过孔隙网络模型预测复合材料织物增强体面内渗透率的方法。首先通过显微计算机断层扫描技术(Micro-CT)对织物样品进行无损扫描得到三维图像序列,并重建织物结构模型,随后对图像进行二值化,分离孔隙区域,采用分水岭算法分割孔隙区域后提取孔隙网络模型,对比了两种分割方法对孔隙网络模型参数的影响。其次考虑了孔隙内部流动并修正孔隙网络单元的流域长度和半径等参数,采用截面渐变微管流动模型改进了孔隙网络模型渗透系数的算法。最后基于孔隙网络模型预测了三种织物的面内渗透率,结果表明2D织物孔隙网络模型预测面内渗透率的平均误差低于21.2%,渗透系数算法改进后预测误差降低27.1%。

GFRP-槟榔杆复合构件基本力学性能试验研究

杨晶, 王珍珍, 张海滨, 张冲, 周智

2025, 0(5): 108-116. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250528.014

摘要 ( 6 )

PDF (13409KB) ( 47 )

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为了提升热带海岛属地化材料利用率,降低海岛工程建设成本并提高工程效率,本文提出了GFRP约束槟榔杆的低成本复合构件形式,并研究其基本力学性能。通过10根GFRP-槟榔杆复合构件和2根对照试件的轴心抗压和四点弯曲试验,研究不同GFRP包裹方向、层数对构件的破坏模式、轴心抗压特性、抗弯特性的影响。试验结果表明:与对照试件相比,GFRP-槟榔杆复合构件的轴心抗压承载力提升了110.28%~925.18%,抗弯承载力提升了92.20%~1 063.42%。单一方向包裹GFRP不能有效为复合构件的未包裹GFRP方向提供约束,导致部分复合构件破坏模式与裸杆破坏模式相似;同时沿纵向和横向全长包裹GFRP可为复合构件提供较好约束,从而提高其力学性能,并改变构件的破坏形态。研究结果将为GFRP-槟榔杆复合构件的推广应用提供理论依据。

GFRP-十字形钢骨混凝土柱轴压试验及力学性能研究

张云峰, 马锦辉, 张佳睿, 滕振超, 王桐, 梁晨光

2025, 0(5): 117-124. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250528.015

摘要 ( 9 )

PDF (11132KB) ( 44 )

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本文旨在研究纤维增强复合材料(GFRP)钢骨混凝土短柱在轴压作用下的力学性能。对6根采用不同组合形式的GFRP管钢骨混凝土短柱进行了轴压试验,并利用ABAQUS建立GFRP管约束十字形钢骨混凝土柱的力学模型进行参数分析,研究不同截面形式、钢骨腹板间距、长细比、纤维缠绕角度对构件的轴压力学性能的影响规律。试验结果表明:与传统十字形钢骨混凝土柱相比,有加劲肋的新型钢骨混凝土柱的极限承载力提升约6%;随着钢骨腹板间距的增加,组合柱的极限承载力得到显著提高;增加长细比组合柱的极限承载力和刚度也相应减小;与纤维缠绕角度为45°的构件相比,单层纤维缠绕角度为0°的构件的极限承载力增长39%,但构件的初始刚度几乎没受影响;同时,交替排布的纤维缠绕角度的极限承载力及刚度没有明显的变化规律。

考虑初始挠度的复合材料长变距杆压杆稳定性分析及试验验证

孙佳濛, 张飞, 董锦山, 陆裕辉

2025, 0(5): 125-131. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250528.016

摘要 ( 5 )

PDF (5406KB) ( 42 )

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针对复合材料长变距杆力学性能进行研究,重点关注了复合材料长变距杆的等效刚度和临界载荷。首先,通过试验和数值模拟方法分别计算等效刚度,两种方法等效刚度结果误差为1.41%。其次,基于理论分析、数值模拟和试验三种方法,确定复合材料长变距杆存在初始挠度下的临界载荷。结果表明:数值模拟结果相对试验结果误差为7.9%,理论计算结果相对试验结果误差为14.6%。在此基础上,利用数值模拟方法分析了不同初始挠度对临界载荷的显著影响,当初始挠度为8.00 mm时,复合材料长变距杆在10.73 kN载荷下即发生屈曲,不满足使用要求。最后,提出了适用于复合材料长变距杆临界载荷与初始挠度的方程,为生产制造和使用维护提供设计依据。

基于改进YOLOv5s的拉挤板缺陷检测

徐东亮, 赖九衡, 杨会兰

2025, 0(5): 132-141. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250528.017

摘要 ( 8 )

PDF (7416KB) ( 46 )

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为解决传统拉挤板缺陷检测方法中存在的检测精确度低、检测速度慢等问题,创建了玻璃纤维拉挤板缺陷数据集,提出了一种基于改进YOLOv5s的拉挤板缺陷检测模型。主要改进为:在特征提取网络部分,添加EvcBlock模块增强小目标特征提取能力,添加CBAM注意力机制提高重要特征的关注度;使用C3-Faster模块优化C3模块,实现了模型轻量化;在检测端引入具有形状损失的新型损失函数ShapeIoU,优化了预测框和真实框的拟合效果,提高了缺陷检测精确度。实验结果表明:改进后的YOLOv5s模型对比原YOLOv5s模型,mAP@0.5提升了3.6%,达到了88.7%,参数量降低了2.1%。改进模型检测速度为121.95 f/s,与YOLOv8s等五种模型相比综合性能更优,能够满足拉挤板缺陷检测的需求。

民用飞机复合材料构件损伤失效分析在批产质量优化中的探索

张桂书, 程胜, 万佳佳, 沈冰峰, 钟黎, 刘岩岩

2025, 0(5): 142-148. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250528.018

摘要 ( 13 )

PDF (12849KB) ( 48 )

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随着国产民机复合材料构件批产和服役,复合材料构件损伤失效问题正逐步显现,对现有设计、成型工艺、制孔、装配、检验和验收要求及规范构成了挑战。为进一步合理控制批产质量,减少服役损伤,在建立构件设计、制造、服役原始数据平台,研究构件损伤演化失效机理和技术图谱的基础之上,建立了构件损伤失效分析评价量化机制,结合飞机起落架外舱门损伤评价量化分析探讨了机制可行性,为复合材料构件批产质量优化提供新的思路,促进构件设计、工艺、检验、验收要求或标准优化。

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