复合材料科学与工程

邹凯, 刘峥, 赵昌方, 刘浩, 刘琛, 张克斌

2025, 0(8): 1-7. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250828.001

摘要 ( 107 )

PDF (4900KB) ( 328 )

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为研究环氧树脂在高应变率加载下和不同温度下的动态压缩力学性能,首先通过准静态试验获取应变率为0.001 s^-1的环氧树脂屈服应力,接着通过SHPB方法对环氧树脂进行动态压缩试验,得到了温度分别为25 ℃、50 ℃、70 ℃和应变率分别为1 000 s^-1、2 500 s^-1、3 000 s^-1的单轴压缩条件下的应力-应变曲线,从而获得了环氧树脂在高应变率条件下的包含应变率效应和温度效应等的动态本构关系,结果表明环氧树脂具有应变率效应,且三种高应变率的应力-应变曲线发展趋势相同。最后对屈服应力与温度和应变率之间的关系进行拟合,以描述高应变率下环氧树脂屈服应力与温度的关系,基于此建立的考虑应变率和温度影响的本构模型能够很好地描述环氧树脂在高应变率下的应力-应变关系,研究结果可为环氧树脂本构模型研究提供参考。

基于渐近均匀化法的黏弹性复合材料时域本构模型研究

武顺心, 朱水文

2025, 0(8): 8-14. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250828.002

摘要 ( 50 )

PDF (5361KB) ( 354 )

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本文旨在建立一种高效、准确的黏弹性复合材料宏观本构关系建模方法。通过结合渐近均匀化理论和特征位移法,建立了微观结构与宏观响应之间的定量关系。采用降阶均匀化方法求解特征位移,有效提高了计算效率,并直接得到了时域中的宏观本构关系。将得到的本构关系以用户自定义材料子程序(UMAT)的形式嵌入有限元软件ABAQUS中,并通过与Digimat的对比验证了模型的可靠性。数值结果表明,纤维体积分数和黏弹性衰减比对复合材料的应力松弛行为具有显著影响。随着纤维体积分数的增加,复合材料的初始应力值和应力松弛速率均增大;而衰减比的增大则导致应力松弛速率减慢。研究表明,该方法能够准确预测黏弹性复合材料的时域力学响应,为复合材料的设计和优化提供了有力的理论支撑。

不同面密度PVDF电纺纳米纤维膜对CF/EP复合材料层压板层间断裂韧性的影响研究

彭焱, 韦廖贤, 曾塘玉, 马传国

2025, 0(8): 15-23. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250828.003

摘要 ( 32 )

PDF (9973KB) ( 328 )

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本研究探讨了不同面密度的聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维膜作为增强材料,对碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料层压板层间断裂韧性的提升效果。为此,分别制备了三种不同面密度(9 g/m²、15 g/m²、28 g/m²)的PVDF电纺纳米纤维膜,并将其插入层压板的层间进行试验分析。结果显示,面密度为15 g/m²的PVDF纳米纤维膜对层压板层间断裂韧性的提升最为显著,相对于未引入纤维膜的层压板,Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧性分别提升了67%和13%。通过SEM分析发现,PVDF纳米纤维膜的增韧机制主要包括纤维桥接、拔出和断裂等过程。此外,基于内聚力模型的有限元模拟方法对Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂行为的数值进行模拟,发现PVDF纳米纤维膜的加入并未显著改变层间区域的界面强度,而是通过纤维骨架作用有效阻碍了层间裂纹在树脂中的扩展。数值模拟结果与试验结果较为吻合,从而验证了内聚力模型模拟PVDF纤维膜插层增强CF/EP复合材料层压板层间断裂行为的可行性。

碳纤维增强复合材料结构吸能机理及其高效建模方法研究

王锴, 罗俊杰, 姚如洋, 庞通, 贾晓航, 余磊

2025, 0(8): 24-32. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250828.004

摘要 ( 42 )

PDF (11826KB) ( 312 )

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碳纤维增强复合材料(CFRP)失效机理错综复杂,精细化仿真计算成本高、优化设计效率低。为提升CFRP吸能部件的仿真优化设计效率,本研究制备了CFRP薄壁方管,并进行轴向压溃测试。建立CFRP薄壁方管轴向压溃的多层精细化有限元模型,分析试验、仿真失效模式和吸能机理,提出了高保真、高效率的等效建模方法。试验结果表明CFRP薄壁方管渐进压溃失效模式中吸能机理复杂,主要包括纤维断裂、分层及摩擦耗能。仿真结果表明精细化有限元模型可以准确预测CFRP薄壁方管渐进压溃失效模式及其能量吸收,塑性变形及损伤是能量耗散的主要因素之一。基于渐进压溃失效模式提出的高保真、高效率等效建模方法能够准确预测CFRP薄壁方管的吸能响应,相对精细化的建模方式提升了97%的计算效率。

芳纶Ⅲ纸基复合材料的热氧老化特性研究

姚运振, 廖思锽, 张正, 龙金, 王宜, 熊志远, 胡健

2025, 0(8): 33-42. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250828.005

摘要 ( 19 )

PDF (19944KB) ( 269 )

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本文以芳纶Ⅲ短切纤维和间位沉析纤维为原料,通过湿法成型得到芳纶Ⅲ原纸,并浸渍聚酰亚胺树脂后得到芳纶Ⅲ纸基复合材料,随后对其进行250 ℃、300 ℃和350 ℃的老化试验,表征老化前后芳纶Ⅲ纸基复合材料的理化结构、力学性能和动态力学性能。结果表明:在250 ℃和300 ℃下,老化前后芳纶Ⅲ纸基复合材料化学结构无明显变化;在350 ℃下,老化前后纸张间位芳纶沉析纤维的酰胺键发生断裂。对于纸张的物理结构,随着老化时间及老化温度的增加,芳纶Ⅲ纸基复合材料的质量损失和尺寸损失逐渐变大,并且纸张表面出现孔洞和裂纹等缺陷。250 ℃下老化408 h后,芳纶Ⅲ纸基复合材料拉伸强度和撕裂度的保持率分别为111%和115%;300 ℃下老化312 h后,芳纶Ⅲ纸基复合材料的拉伸强度与撕裂度的保持率分别下降到53%和23%;350 ℃下老化168 h后,芳纶Ⅲ纸基复合材料的拉伸强度保持率仅有4%,撕裂度在老化48 h后保持率下降到了14%,168 h后下降到了0。DMA显示在300 ℃下老化时,芳纶Ⅲ纸基复合材料的损耗因子转变温度随着老化时间的增加而逐渐变高,说明在300 ℃下老化时,芳纶Ⅲ纸基复合材料的分子链段柔软度提高明显,黏性增加。

PVDF膜材裂缝扩展演化过程试验与数值模拟研究

李雯芮, 刘平, 尹灵芳

2025, 0(8): 43-53. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250828.006

摘要 ( 26 )

PDF (20773KB) ( 273 )

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在实际工程中,膜材的抗撕裂性能对于确保膜结构的整体安全性至关重要。针对常用的聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)涂层织物膜材,采用单轴拉伸试验和数值模拟研究具有初始切缝的PVDF膜的撕裂行为。采用ANSYS LS-DYNA软件建立纱线及基体细观结构的单轴撕裂数值模型,进行了不同切缝角度和不同切缝位置下膜材撕裂破坏过程的分析,获得了膜材的撕裂强度和破坏模式特征,探讨了不同切缝角度对膜材撕裂性能的影响。结果表明:根据切缝角度的不同,可形成“一”“Z”“√”形断面;撕裂试验和数值模拟下,膜材的切缝扩展过程一致,且基体先于纱线发生断裂;数值模拟对不同角度下的误差均小于10%,说明有限元法可以很好地预测出膜材撕裂强度。

2.5D编织石英/酚醛复合材料高温拉伸性能与损伤演化

焦磊, 阮浩, 苏瑞意, 葛志福, 李玫, 张程煜

2025, 0(8): 54-65. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250828.007

摘要 ( 27 )

PDF (12249KB) ( 268 )

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石英/酚醛复合材料是一种广泛应用于航天飞行器的热防护材料,研究其高温拉伸性能及损伤机理对树脂基热防护材料应用具有重要价值。为此,本文测试了一种2.5D编织石英/酚醛复合材料的拉伸性能,测试温度范围为室温至800 ℃。利用声发射技术对室温拉伸试样损伤演化进行动态监测,结合扫描电子显微镜观察断口形貌,分析其拉伸损伤机理。结果表明,室温拉伸强度可达275 MPa,模量可达17 GPa,在室温至800 ℃范围内,2.5D编织石英/酚醛复合材料拉伸性能随温度升高逐渐下降。本文揭示了2.5D编织石英/酚醛复合材料拉伸过程中主要存在70~100 kHz、220~270 kHz、300~330 kHz三种频率范围的损伤信号,对应的损伤模式分别为基体开裂、纤维与基体脱黏和纤维断裂,并分析了拉伸损伤演化过程。

环氧树脂固化物吸湿行为及其对介电性能的影响

张杜鹃, 李亚锋, 礼嵩明, 鹿海军

2025, 0(8): 66-73. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250828.008

摘要 ( 48 )

PDF (5649KB) ( 294 )

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为探究环氧树脂吸湿行为以及树脂吸湿后介电性能的变化规律,本研究通过改变固化剂种类制备了不同结构的环氧树脂。在70 ℃水浸条件下对固化物吸湿率进行监测,并跟踪了不同吸湿状态下固化物的介电性能。结果显示固化物吸湿变化过程符合Fick扩散模型,固化剂种类影响固化物极性和自由体积,极性决定了树脂平衡吸湿率,极性和自由体积共同决定了水分子的扩散系数。极性越大,树脂平衡吸湿率越高,极性基团越容易与水分子形成氢键阻碍水分子运动;自由体积越大,水分子的扩散通道越多,扩散越快。固化物介电性能随固化剂不同存在差异,介电常数及损耗角正切随吸湿率呈线性变化且与固化剂种类无关,可统一用线性模型进行预测,模型预测值与实测值偏差不超过10%。

非理想缺陷层合板的界面参数分析

徐栋, 黄志强, 陈松, 谢晶晶

2025, 0(8): 74-85. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250828.009

摘要 ( 19 )

PDF (9792KB) ( 263 )

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考虑到纤维桥联影响,引入一种具有消失厚度损伤区域的代表性体积单元(RVE),并建立无厚度弹簧模型,通过两个独立的界面参数来表征裂纹的理想和非理想程度(在敏感区间内,界面参数可用于模拟非理想程度),从而用于具有横向基体裂纹的层合板估算。对于具有张开和闭合裂纹的层合板,在静不定边界区域引用待定的分区载荷。本文不仅考虑了光滑平面张开裂纹、光滑平面闭合裂纹以及完全啮合张开裂纹三种理想裂纹情况,还分析了非理想裂纹即非理想张开裂纹和非理想闭合裂纹两种情况。研究不仅验证了柔度元素的对称性和闭合情况下剪切柔度元素变化率的相等性,同时也表明裂纹的非理想程度对有效耦合系数和有效剪切柔度的影响显著。

泡沫芯材C形夹芯板复合材料固化变形仿真

聂志伟, 罗琦, 霍宇凡, 周何乐子, 周华民

2025, 0(8): 86-96. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250828.010

摘要 ( 23 )

PDF (17988KB) ( 314 )

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针对夹芯复合材料C形轮廓板,基于夹芯复合材料固化变形机理,建立了复合材料固化变形数值仿真模型。仿真结果表明脱模开始时,C形轮廓板件的内表面受拉应力而外表面受压应力,构件整体向内收缩。基于此仿真模型,探究了缝隙处物质种类、铺层层数、铺层角度等不同工艺条件下C形轮廓板件的固化变形规律,发现缝隙处不填充物质时固化变形最小,填充复合材料时固化变形量最大;在一定范围内,变形量与铺层层数呈正相关;铺层角度对变形影响不大。此外还成型了多块相应工艺条件的C形板件,通过三维扫描测定板件的固化变形,仿真与实验规律符合较好,验证了仿真模型的准确性,实现了C形轮廓板固化变形的准确预测。

复合材料构件固化动态物理过程有限元仿真建模和分析

孙思远, 杨勇

2025, 0(8): 97-103. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250828.011

摘要 ( 37 )

PDF (6321KB) ( 277 )

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复合材料以其质量轻、耐磨损且耐高温与腐蚀的特性迅速在新型材料领域崭露头角,已成为当前高铁动车等领域重点研究的新型材料。本研究旨在更精确地分析复合材料制件的固化动态物理仿真过程,选用功能灵活的COMSOL Multiphysics软件模拟制件C形横梁温度场仿真情况和固化度场仿真情况。首先针对所选C形横梁建立温度场和固化度场的模拟仿真模型,然后分析复合材料构件热压罐成型过程中的固化动态物理过程,采用有限元数值分析方法,并设置好热压罐成型时复合材料模具与制件等的材料属性,最后对仿真数据进行分析,所得C形横梁温度场模型误差最大值不大于2.5%。通过分析C形横梁五个特征点的温度场曲线,为复合材料制件在热压罐内的固化优化提出新的试验方向。

复合材料固化变形预测及模具型面优化

陈恒, 马秀菊, 孙龙港, 冒海峰, 周娴

2025, 0(8): 104-110. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250828.012

摘要 ( 24 )

PDF (5480KB) ( 301 )

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通过建立复合材料固化过程中多因素数值模型,采用热-化学耦合传热模型模拟树脂固化过程中零件的温度分布,基于瞬时线弹性理论的本构模型,通过材料参数的演化来描述材料在相变过程中的力学行为,预测了封端肋蜂窝夹层件的固化变形趋势。通过实验结果验证了模型的可靠性,基于仿真分析结果对工装型面进行优化处理,利用优化后的工装制备零件与零件理论型面进行对比分析,工装优化后成型零件型面最大变形相比于理论零件尺寸变形量降低了86.98%。

600 km/h磁浮列车用C/C-SiC复合材料摩擦块的摩擦特性与热容量研究

刘鹏, 李杨, 袁雨青, 李鹏涛, 袁敏格, 张金煜, 郑涌, 肖鹏

2025, 0(8): 111-117. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250828.013

摘要 ( 23 )

PDF (8701KB) ( 269 )

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C/C-SiC复合材料作为滑橇摩擦块已在上海高速磁浮示范线以430 km/h安全运营近20年,随着600 km/h高速磁浮列车问世,亟需探究C/C-SiC复合材料摩擦块应用于600 km/h磁浮列车的摩擦特性与热容量分析。本文首先通过600 km/h高速摩擦试验获得C/C-SiC复合材料的摩擦系数和温升特性,在600 km/h恒定线速度、4 kN正压力、8 min持续摩擦试验条件下,测得摩擦块最高温度达到569.2 ℃且趋于稳定,远低于材料许用温度极限,平均摩擦系数低于0.1,符合高速摩擦环境下摩擦系数尽量小的技术要求。采用热容量仿真计算的方法复现高速摩擦试验温度,确定C/C-SiC复合材料与轨道轮之间摩擦热流密度的分配系数为0.020 54,以此参数为基础,仿真预测高速磁浮列车悬浮故障时C/C-SiC复合材料以600 km/h拖磨300 km的温度特性,为600 km/h高速磁浮列车设计优化与工程化应用提供支撑。

重卡悬架碳纤维复合材料多片簧的设计与试验研究

王毅, 胡业发, 王宝昆, 伍水华, 付凯, 文湘隆, 张锦光

2025, 0(8): 118-124. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250828.014

摘要 ( 26 )

PDF (6965KB) ( 293 )

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本文将碳纤维增强复合材料(CFRP)引入重卡板簧的设计之中,提出一种CFRP多片簧结构。利用有限元仿真分析对CFRP多片簧的强度和刚度进行协调匹配设计,得出CFRP单片板簧的铺层角度为[0₃₃/±75]₅,并通过台架试验对仿真模型进行优化,利用ABAQUS软件建立优化后的有限元仿真模型,并通过CAE对CFRP多片簧在工作载荷、极限载荷和疲劳加载等工况下进行可靠性分析,预测CFRP多片簧的刚度和疲劳寿命,对CFRP多片簧试验件进行台架试验。结果表明,CFRP多片簧的质量为34.4 kg,减重45%以上,经历15万次的循环加载后,CFRP多片簧的刚度并未下降,且仍能承受20 t的载荷而不破坏。

基于BIM+FEA的风力发电机组塔筒结构性能研究

王爱领, 赵英, 孙少楠, 肖颖

2025, 0(8): 125-131. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250828.015

摘要 ( 20 )

PDF (6375KB) ( 262 )

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针对塔筒在复杂荷载作用以及不同工况下的结构响应问题,采用建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)+有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)的方法,对某2 MW大型水平轴风力发电机组塔筒进行结构性能分析。首先参数化建立风力发电机组的BIM模型并对塔筒荷载进行分析计算,然后将塔筒BIM模型转换为有限元模型,最后在有限元软件ANSYS中对塔筒进行仿真分析。结果显示:塔筒最大应力出现在底部,塔筒顶部的位移最大。塔筒前六阶固有频率均不会与塔筒产生共振,且塔筒的固有频率随塔筒高度的增加而减小。随着塔筒顶部质量增加,塔筒的固有频率减小,塔筒顶部质量变化对塔筒的应力和顶部位移影响较小,对塔筒的固有频率影响较大。研究表明BIM+FEA方法能够为风力发电机组塔筒结构安全分析提供新思路,在风力发电机组塔筒的设计和运维中进行安全预警,为管理者决策提供有效数据信息。

GLARE层板结构抗鸟撞性能分析

田校宇, 张发, 汲生成, 石晨, 吴晓光, 林大楷

2025, 0(8): 132-141. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250828.016

摘要 ( 27 )

PDF (9202KB) ( 273 )

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随着航空技术的发展,飞机的速度不断提高,飞机在起飞、着陆阶段受到鸟体撞击的概率大幅增加,严重时会造成飞机的坠毁。为了飞机的安全,CCAR25适航规章对民机前缘结构抗冲击方面进行了相关评判和规定。玻璃纤维增强铝合金(Glass Fiber Reinforced Aluminum,GLARE)材料作为一种抗冲击性能较好的材料,已被应用于成熟机型(例如A380)尾翼前缘结构。本文首先对GLARE前缘结构抗鸟撞分析方法及理论进行了介绍,对分析方法进行了抗鸟撞试验验证,其次采用显式动力学分析软件LS-DYNA对四种相同厚度不同纤维排列方式的GLARE前缘结构进行了分析,最后对不同曲率的GLARE层板结构进行了分析研究,得到了GLARE层板结构破坏损伤情况、结构吸能、应力状态和鸟体撞击力等,发现铺层方式为3/2[A/+45/-45/+45/-45/A/+45/-45/+45/-45/A]、曲率半径为100 mm的GLARE层板抗冲击特性最为优异。

航空领域热塑性复合材料应用研究进展

刘代军, 马筱逸

2025, 0(8): 142-147. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250828.017

摘要 ( 44 )

PDF (3527KB) ( 279 )

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热塑性复合材料(TPC)具有轻质、高强度和可回收性等特性,是实现零排放目标的关键材料之一,可应用于飞机机身、机翼等关键部件,在航空领域应用潜力巨大。本文陈述了热塑性复合材料在航空领域的应用情况,回顾了热塑性复合材料的研究进展,总结了热塑性复合材料的关键技术与发展趋势,最后从材料、设备、工艺、应用等角度对热塑性复合材料未来的发展与挑战进行总结与展望。

柔性复合管多维交叉分类体系与工程应用研究进展

李青, 范欢, 徐含, 李瑞盈

2025, 0(8): 148-156. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250828.018

摘要 ( 22 )

PDF (4911KB) ( 277 )

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柔性复合管作为传统金属管道的替代品,凭借其轻量化、耐腐蚀和高柔性等优势,在深海油气开发和氢能输送等领域备受关注。本文在多维交叉视角下,聚焦于柔性复合管的材料、结构以及功能各维度,深入剖析三者协同机制,旨在为相关领域的科研与实践提供系统性的参考。通过梳理近年来国内外在柔性复合管方面的研究动态,详细阐述柔性复合管从分类体系到实际工程应用这一过程的研究进展,同时对其面临挑战与发展方向做出展望,以助力能源、化工等行业基础设施建设的持续优化升级。

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