复合材料科学与工程

张力, 杨晓明, 姜全新

2025, 0(11): 1-7. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251128.001

摘要 ( 72 )

PDF (8749KB) ( 366 )

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复合材料结构的冲击载荷识别是结构动力学第二类反问题,识别结果易受测量噪声与建模误差影响产生显著偏差。为此,本文提出了一种基于截断振动响应的冲击载荷精准识别新方法。首先,利用变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)将完整振动响应分解为多尺度本征模态函数,通过剔除高频模态和测量噪声,获得仅含结构低阶主频成分的截断振动响应。进而,利用奇异值截断最小二乘法,从截断振动响应中提取冲击位置的截断模态常数向量,实现冲击定位。最后,根据定位结果对模态常数向量的共线性因子进行估计,从而完成冲击载荷幅值的反演。在真实机翼上的实验结果表明:仅使用一个加速度计的情况下,所提方法利用机翼前三阶模态加速度响应组成的截断振动响应即可实现最高86.67%的定位成功率,并且载荷重构的平均峰值相对误差指标仅为6.51%。

薄板复合材料螺栓连接强度与损伤分析

李杰, 包祖国, 李琦, 孙晓旺, 周强, 王显会

2025, 0(11): 8-19. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251128.002

摘要 ( 63 )

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本文通过试验和仿真分析研究了薄板复合材料螺栓连接结构在拉伸载荷下的强度与损伤过程。首先,通过常规力学性能试验测得复合材料基础性能参数,然后对不同预紧力、不同铺层方式和单双螺栓分布的薄板复合材料连接件进行试验。基于刚度连续退化模型和三维Hashin失效准则,通过测试搭接板间的摩擦力反求螺栓预紧力,并采用降温等效法来模拟螺栓的预紧力,再对开孔板进行试验与仿真的标定,最终建立复合材料层合板螺栓连接的三维有限元模型,对薄板复合材料连接件的强度和损伤机理进行渐进失效分析。结果表明:随着螺栓预紧力增大,薄板复合材料连接件峰值载荷增大,断裂位移减小;不同铺层方式的薄板复合材料连接件损伤过程和其铺层比例有关;横向双螺栓连接件极限载荷约为单螺栓连接件极限载荷的两倍,纵向双螺栓连接件极限载荷稍低于该水平。

复合材料螺栓连接参数对承载强度的影响及优化

孙昕阳, 武涛, 朱兆轩, 黄严

2025, 0(11): 20-29. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251128.003

摘要 ( 54 )

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为分析复合材料连接件的参数影响规律,优化常规参数间的配比,提升结构经济性与实用性,针对板厚、端径比和预紧力三个制造装配阶段的显著连接参数开展拉伸强度影响研究。结合UMAT子程序建立了CFRP螺栓连接件有限元模型,开展了静力拉伸破坏及SEM损伤观测试验验证有限元模型;在此基础上,基于Box-Behnken设计,结合响应回归方程、3D响应面以及等高线图建立承载强度与影响因素联合响应模型,从单因素、多因素交互作用等方面对三个参数进行了分析,所建立的联合响应模型决定系数R²为0.984 7,Adj R²为0.957 1,Pred R²为0.794 4,模型拟合效果和预测能力较好;分析结果表明,三个参数中,板厚是影响承载强度的最显著单因素,而板厚与端径比的交互作用影响最为显著,模型给出了板厚、端径比和预紧力的优化组合,预测强度与有限元结果误差为0.37%,表明所建立联合响应模型有较好的强度预测能力。

碳纤维板材分层损伤定位中的线性调频兰姆波频响特性研究

巫轶伦, 冯搏

2025, 0(11): 30-39. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251128.004

摘要 ( 31 )

PDF (23675KB) ( 248 )

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目前兰姆波检测方法主要采用窄带信号作为激励信号以抑制频散,从而方便后续的信号解读。在测量过程中,需要选择适当的中心频率以提高信噪比。然而,窄带信号的最佳检测频率通常需要多次重复实验才能确定。提出了一种利用线性调频信号激励的碳纤维增强复合材料板分层缺陷定位方法。线性调频信号覆盖的频率范围宽,一次检测可以获得更多信息,通过反卷积可提取一系列频率的窄带响应,为缺陷定位选择最佳测试频率。实验结果表明分解后的信号与直接窄带激励获得的信号基本吻合,采用改进的椭圆成像算法进行定位,响应幅值较大的频率对应的定位效果较好,利用线性调频信号激励兰姆波可以快速选取最佳测试频率以提高定位精度。

原位聚合交联多孔聚酰亚胺复合材料的制备及电化学性能研究

罗法荣, 张志明, 陈健

2025, 0(11): 40-47. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251128.005

摘要 ( 46 )

PDF (3460KB) ( 329 )

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本文以多壁碳纳米管(MWCNTs)为添加剂,采用原位聚合方法制备了不同MWCNTs含量的交联多孔聚酰亚胺复合材料(INCPI@MWCNTs),对其基团、孔结构以及吸附性能进行了研究,重点探讨了其作为锂硫电池正极材料使用的可行性。结果表明:原位聚合工艺不会影响体系内的交联反应,对多孔聚酰亚胺的结构无较大影响;不同规格的INCPI@MWCNTs在氮气等温吸附测试条件下,由于材料内部大孔结构的存在而导致氮气吸附量随着相对压力的增加而增大,INCPI@MWCNTs材料的BET比表面积和微孔比表面积随着MWCNTs添加量的增加而逐渐减小,微孔体积随着MWCNTs添加量的增加而增大。以INCPI@MWCNTs为正极载体,与硫扩散负载得到S/PPI@MWCNTs正极载体复合材料,并组装锂硫电池进行电化学性能测试。在0.2 C的电流密度条件下,三种不同的S/INCPI@MWCNTs正极的充放电曲线均出现两个放电平台和一个充电平台,S/INCPI@MWCNTs-2对应的电池首次放电比容量为1 326 mAh·g^-1,循环100次后,保留容量为855 mAh·g^-1,容量保持率为65%;在电流密度为1 C时,S/INCPI@MWCNTs-2电池的首次放电比容量为1 035 mAh·g^-1,循环400次后,保留容量为662 mAh·g^-1,容量保持率为65%,S/INCPI@MWCNTs-2作为正极材料可使电池具有更佳的放电比容量、倍率性能和循环稳定性。

大厚度蜂窝固化受压过程的精细结构仿真研究

舒沈云浩, 卢红龙, 轩立新

2025, 0(11): 48-54. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251128.006

摘要 ( 27 )

PDF (14626KB) ( 253 )

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为探究大厚度Nomex蜂窝在成型固化过程中出现的侧向变形滑移的问题,采用有限元分析方法对蜂窝精细结构进行建模和计算,并将计算结果与工艺试验结果对比。本文先对蜂窝平面压缩测试试验件进行精细结构建模,计算得到的蜂窝芯体的加载响应与试验结果相符且误差较小,可以证明使用2D壳单元对蜂窝格孔进行建模计算的可靠性与准确性。在此基础上建立蜂窝成型工艺试验件有限元模型,计算得到蜂窝芯体在成型固化过程中的局部力学响应,模拟出了蜂窝从格孔壁失稳屈曲到试验件边缘滑移的变化过程;与成型工艺试验结果对比,两者蜂窝变形趋势基本相符,证明该仿真模型可以为工艺试验及蜂窝芯稳定化选择提供参考。

胶层缺陷和环境温度对CFRP-钢单搭接胶接接头力学性能的影响

王建哲, 王博立, 曹琼方, 喻赛, 耿富荣

2025, 0(11): 55-63. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251128.007

摘要 ( 33 )

PDF (10654KB) ( 392 )

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为研究异种材料在不同损伤缺陷和温度环境下的失效特点并促进胶接在车辆工程中的应用,本文以碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)-钢材单搭接接头为研究对象,对静态拉伸力学性能开展了试验研究。以工程中常见的损伤缺陷和环境温度为变量,首先对无缺陷常温下的单搭接接头开展了静态拉伸试验,分析接头的力学性能和失效模式。随后对5种不同裂纹位置与长度的接头展开试验,研究不同胶层缺陷对CFRP-钢胶接接头力学性能的影响,最后将影响因素拓展到不同环境温度。研究结果表明,室温无缺陷的接头以内聚失效为主,而缺陷带来了界面失效;温度试验结果表明环境温度不仅会影响胶黏剂材料的力学性能,还会影响金属和复合材料基板粘接界面的性能,多种因素的协同作用导致结构强度和失效模式发生变化。本研究为工程中碳纤维增强复合材料与钢材的胶接提供了设计依据和指导方法。

芳纶蜂窝夹层结构数字敲击检测对比研究

郝威, 李明, 李瑶, 孙捷夫, 王会东

2025, 0(11): 64-69. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251128.008

摘要 ( 19 )

PDF (5483KB) ( 450 )

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复合材料芳纶蜂窝夹层结构件在制造、装配及服役阶段会产生多种类型缺陷。零件状态、材料特性、缺陷类型及无损检测方法的选择均会影响缺陷的识别能力。本文根据复合材料蜂窝夹层结构的无损检测需求,采用数字敲击仪检测了玻璃纤维蒙皮蜂窝结构件及碳纤维蒙皮蜂窝结构件,在传统检测浅层面积型缺陷(如脱黏、分层、夹杂、弱粘接)的基础上,还检测了埋深较大的体积型缺陷(如芯材断裂、坍塌)。讨论了蒙皮类型、缺陷类型和缺陷形貌对敲击持续时间的影响,分析了零件生命周期中不同阶段下,数字敲击检测法、反射法超声检测、穿透法超声检测及射线DR检测法对复合材料蜂窝夹层结构件的检测优势和局限性,验证了数字敲击检测技术能够有效检测固化后蜂窝夹层构件中产生的分层、脱黏、芯材断裂、芯材坍塌缺陷。

缝合泡沫夹芯复合材料VARTM成型模拟分析

张联合, 秦成, 程亚男, 任浩, 李永丰, 张辉

2025, 0(11): 70-78. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251128.009

摘要 ( 26 )

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为研究缝合泡沫夹芯复合材料的注胶工艺,基于达西定律分别测试获得泡沫夹芯纤维层和芯层孔洞的渗透率,并建立泡沫夹芯的等效模型,通过真空辅助树脂传递模塑成型工艺制备复合材料,系统研究了缝合密度和注胶方式对缝合泡沫夹芯复合材料渗透性及灌注过程的影响。结果表明:相较于未缝合织物,当缝合密度为8 mm×8 mm时,纤维层缝合织物沿缝线方向的渗透性最大提升了104.9%;当缝合密度为4 mm×4 mm时,沿碳纤维轴向的渗透性能达到最大值9.6×10^-11m²,相较于未缝合织物提升了546.0%。这表明缝线的引入可有效提升织物的渗透性能。长边线注胶效率最高,模拟注胶时间与实际误差为13.4%。随着缝合密度的增加,缝合泡沫夹芯复合材料注胶时间呈现先增加后减少的趋势,这可能是注胶方向与碳纤维轴向同向的原因。

碳/碳复合材料针刺制品性能分析及工艺参数优化

杨国勇, 刘振宇, 张楠, 孔浩强

2025, 0(11): 79-85. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251128.010

摘要 ( 50 )

PDF (8324KB) ( 463 )

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本研究聚焦于探索针刺过程中工艺参数与碳/碳复合材料性能之间的关联,采用中心试验设计方法规划试验方案。通过响应面法对试验数据进行剖析,构建了制品弯曲强度与针刺工艺参数(针刺深度、针刺密度、碳布面密度)之间的二次响应模型。基于该模型,对工艺参数进行了优化,并深入分析了各工艺参数及其耦合作用对弯曲强度的影响规律。研究结果表明,最佳工艺参数组合为针刺深度为12 mm,针刺密度为17.81针/cm²,碳布面密度为400 g/m²。研究还发现碳布面密度对弯曲强度的影响最为显著,针刺深度次之,而针刺密度的影响相对较小。此外,研究还揭示了针刺深度与碳布面密度之间,以及针刺深度与针刺密度之间的耦合效应对弯曲强度具有显著影响;通过深入探讨工艺参数之间的耦合作用,确定了针刺深度为12~16 mm、针刺密度为15~25针/cm²、碳布面密度为380~400 g/m²时,制品的弯曲性能最佳,其强度值超过了100 MPa。这些发现拓宽了碳/碳复合材料的针刺成型工艺窗口,有助于提高其成型效率和产品质量。

热成型过程中工艺参数对编织复合材料纤维重新取向的影响研究

陈盼, 钟愉承

2025, 0(11): 86-94. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251128.011

摘要 ( 33 )

PDF (11595KB) ( 414 )

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复合材料的成型过程改变了材料的内部结构,从而改变了复合材料部件的材料特性。特别是当部件的几何形状相对复杂时,编织复合材料的热成型过程会导致横向纤维和纵向纤维之间的角度发生变化。为了研究成型过程引起的纤维重新取向以及哪些因素会影响纤维的重新取向,本文建立了基于亚弹性本构定律的有限元模型,并通过半球形成型实验,从预浸料的纤维重新取向分布和边界轮廓两方面验证了该模型。更重要的是,本文通过U形结构的成型实验和模拟,进一步验证了该模型对纤维重新取向的预测能力。此外,通过对U形结构的成型模拟,本文全面讨论了摩擦系数、夹持力和夹持位置对纤维重新取向的影响。结果表明,这些工艺参数都是影响纤维重新取向的重要因素,应在热成型过程中进行优化。

汽车混合材料B柱总成轻量化设计研究

徐立友, 郭永正, 张帅, 鲁东振

2025, 0(11): 95-102. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251128.012

摘要 ( 30 )

PDF (10224KB) ( 260 )

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为了提升汽车B柱总成的轻量化水平及碰撞安全性,本文提出一种由高强钢外板与碳纤维复合材料内板组成,并通过胶连接的混合材料B柱总成设计方案。建立某汽车B柱总成动态冲击落锤碰撞试验的有限元分析模型,通过沙漏能量试验验证模型的有效性。建立碳纤维复合材料B柱加强板有限元模型,对碳纤维复合材料B柱加强板进行铺层设计,得到性能最优的碳纤维复合材料铺层顺序。使用胶粘工艺将碳纤维复合材料B柱加强板与高强钢外板进行连接装配,进而获得混合材料B柱总成试样。通过动态落锤试验和冲击失效电镜测试进一步验证仿真模型的准确性和有效性。结果表明:碳纤维复合材料B柱加强板减重0.623 kg,在落锤冲击试验中,混合材料B柱总成在碰撞过程中最大位移减小12.8%,轻量化效果和碰撞安全性显著提升,且仿真优化与实际试验结果的误差不超过5%,证明了本方案的准确性和可靠性。

挂锚式CFRP层合环带索拉伸性能试验及数值模拟

雷家艳, 赵道华, 孔庆辉, 章龙斌, 张淇瑞

2025, 0(11): 103-109. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251128.013

摘要 ( 30 )

PDF (9294KB) ( 383 )

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挂锚式碳纤维拉索因其挂锚区构造简单,在工程中具有良好的应用前景,但索端的有效锚固问题会影响材料强度的充分发挥。在材料拉伸试验基础上,对7根挂锚式碳纤维增强复合材料层合环带索进行单向拉伸试验,利用数字散斑技术,对试件的应变场变化、破坏形态以及拉伸强度进行测试。试验结果表明:未加紧固装置的试件承载力较小,破坏形式出现层间撕裂现象;加装紧固件后,随着拉伸载荷的增大,基体微损伤及基体与纤维界面的粘接破坏不断累积,载荷-位移曲线呈齿状波动线型,最终出现挂锚区横向断裂和索结构整体拉伸破坏两种模式。解析结果表明,挂锚区碳纤维横向受力状态由楔形角θ和紧固件横向约束力共同影响,是决定索结构破坏模式的关键因素。最后,利用ABAQUS对挂锚区提前破坏模式进行准静态拉伸仿真模拟,进一步分析了挂锚区提前破坏形态的发展过程。

ECC-BFRP筋复合加固既有人防剪力墙的抗冲击性能研究

王冲, 梁海志, 陈文龙, 解敬儒, 金祖权, 叶海宾

2025, 0(11): 110-121. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251128.014

摘要 ( 28 )

PDF (37122KB) ( 305 )

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为探究工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite,ECC)与玄武岩纤维增强复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)筋复合加固既有人防工程剪力墙的抗冲击性能,对加固后的人防墙开展了冲击试验,同时采用有限元软件ABAQUS,基于已有的试验进行数值模拟。通过与试验结果对比,验证了有限元模型的准确性,进一步分析了荷载等级、ECC厚度等对墙体抗冲击性能的影响。研究表明,随着ECC厚度的增加,整体抗弯刚度以及承载力均得到较大提升,有效控制并延后混凝土开裂时间,降低墙体刚度下降速率。ECC-BFRP筋加固方式能有效提升人防墙体抗冲击能力,为人防工程升级改造提供技术支持。

FRP网格增强纤维混凝土夹芯复合墙板性能分析

成能名, 张耀林, 常明媛, 张蓉

2025, 0(11): 122-130. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251128.015

摘要 ( 34 )

PDF (12156KB) ( 334 )

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为了探究适用于装配式钢结构建筑的轻质高强、保温性好的新型墙板材料与结构体系,本文提出了一种新型纤维增强聚合物(Fiber Reinforced Polymer,FRP)网格增强纤维混凝土夹芯复合墙板,简称纤维网格增强混凝土(FRP Grid Reinforced Concrete,FGRC)夹芯复合墙板。为了研究FGRC夹芯复合墙板的弯曲性能及其破坏形态,设计并开展了2块长度为4 m、宽度为3 m、厚度分别为100 mm和150 mm的FGRC夹芯复合墙板的弯曲性能试验研究。试验结果表明,FGRC夹芯复合墙板主要以弯曲破坏为主,界面连接性能优异,其抗弯极限荷载可达3.11 kN/m²、4.05 kN/m²,极限耐火时间分别为1.1 h、1.5 h,结构热阻分别为1.41 (m²·K)/W、1.72 (m²·K)/W,空气计权隔声量及频谱修正量分别为39(-2;-3) dB、39(0;-2) dB。综合来看,该墙板具有较好的应用价值。

基于多目标遗传算法的复合材料轨枕试验工装优化设计

许琛, 张庆凯, 秦俊飞, 黄承

2025, 0(11): 131-136. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251128.016

摘要 ( 45 )

PDF (6159KB) ( 380 )

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某复合材料枕木设计荷载约为1 000 kN,根据中国铁路总公司规定,复合材料枕木须满足枕木成品弯曲荷载作用下变形要求。因此,须设计合理的加载工装,以满足加载要求。本文基于材料力学理论以及Kriging模型,建立了加载工装目标参数对不同截面尺寸的响应面,在此基础上采用多目标遗传算法对其进行了多目标优化,最终获得了最优的加载工装截面尺寸组合。并根据优化后截面尺寸,借助有限元软件计算了工装的抗弯曲性能。结果表明,该加载工装可以承受100 t的荷载而不发生塑性变形。

纤维增强聚双环戊二烯复合材料的研究进展

肖健, 李鹏飞, 付宏伟, 贾智源, 陈勇

2025, 0(11): 137-144. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251128.017

摘要 ( 51 )

PDF (5049KB) ( 366 )

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聚双环戊二烯(PDCPD)是一种具有优异力学性能、低密度、易加工的热固性聚合物材料,可替代部分钢板、铸件和玻璃钢,用于农用车、工程车、重型卡车等零部件。纤维增强PDCPD复合材料能展现出更强的机械性能并可具有更广泛的应用,包括且不限于车辆和轨道交通领域,还可能延伸至风电、光伏、储氢等新能源领域。但PDCPD本身极性较低,商用增强纤维与PDCPD的界面结合性能较差,限制了纤维增强PDCPD复合材料的应用。本文综述了近年来纤维增强PDCPD复合材料的研究进展,重点讨论了碳纤维与玻璃纤维增强PDCPD材料提升界面结合性能的方法,同时展望了纤维增强PDCPD复合材料未来的改性方向。

基于FDM的连续纤维增强复合材料3D打印技术研究进展

关博文, 张代军, 王成博, 杨方鸿, 叶璐, 陈祥宝

2025, 0(11): 145-152. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251128.018

摘要 ( 62 )

PDF (4592KB) ( 499 )

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连续纤维增强复合材料(Continuous Fiber Reinforced Composites,CFRCs)因其轻量化、高强度、设计自由度高等优点,在航空航天、汽车制造、微电子等领域一直备受关注。3D打印技术被认为是实现其快速化、个性化、复杂结构一体化制备的有效途径之一,本文基于熔融沉积成型工艺介绍了影响CFRCs 3D打印制件性能的因素,包括打印设备、打印原材料和打印工艺,总结了CFRCs 3D打印在结构功能设计与多尺度性能分析方面的研究进展及其在不同领域的应用现状,分析了CFRCs研究目前所面临的挑战,并对其未来发展前景进行展望。

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