复合材料科学与工程

杨颖, 石庆贺, 胡可军, 朱福先, 段刘阳, 赵凤玲

2026, 0(2): 1-9. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260228.001

摘要 ( 80 )

PDF (7885KB) ( 342 )

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复合材料层合板结构应用广泛,损伤识别对于保障结构的安全性和延长其使用寿命具有重要意义。本文引入了单元级损伤指标来描述层合板在面内与面外方向上的刚度变化。针对该损伤指标,建立了两步损伤识别方法,即先通过损伤定位指标筛选损伤单元,再通过优化方法对损伤程度进行辨识,其中,损伤定量识别采用正则化方法。鉴于传统的正则化方法对各个损伤参数采用均一化的正则化参数,不利于识别结果的收敛和稳定,本文提出了基于加权系数的自适应正则化损伤识别(Adaptive Regularization Damage Identification,ARDI)方法,能够在兼顾识别结果稳定性的同时提高识别效率。通过数值算例对所提方法的有效性进行了验证,分析了测点数量和噪声水平对识别结果的影响,将所提方法与直接法和传统正则化方法的识别结果进行比较,发现所提方法的计算结果分散性和计算效率具有明显的优势。最后,通过试验验证了所提方法的有效性。

迁移学习在短纤维增强聚合物弹塑性响应预测中的应用研究

邢文奇, 朱水文, 武顺心

2026, 0(2): 10-19. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260228.002

摘要 ( 40 )

PDF (12490KB) ( 298 )

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随着复合材料在航空航天、汽车等多个领域的广泛应用,准确预测其力学性能变得愈发重要。本研究提出了一种基于迁移学习的短纤维增强聚合物应力-应变曲线预测方法。首先,通过DIGIMAT构建数据库,并采用拉丁超立方抽样技术选取样本,以提高模型训练的效率。然后,利用人工神经网络作为代理模型,并采用迁移学习方法,快速获取新材料的应力-应变预测模型。研究结果表明,迁移学习模型能有效捕捉材料应力-应变行为的关键特征,特别是在预测五阶多项式系数方面表现出色。进一步分析了纤维体积分数和长径比对材料力学性能的影响,发现较大长径比的纤维能更有效地传递应力。本研究为短纤维增强聚合物的性能预测提供了一种有效的工具,尤其在数据获取困难或成本较高时,展现了迁移学习在复合材料性能预测中的潜力和应用前景。

基于散射源搜索的复合材料分层损伤定位

叶晨璐, 周邵萍, 罗志, 李沁霏

2026, 0(2): 20-27. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260228.003

摘要 ( 31 )

PDF (7745KB) ( 268 )

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基于超声导波的损伤检测与定位方法被广泛应用于各种工程常见结构,然而复合材料的各向异性加剧了在其中传播的导波信号的复杂度,使得实际检测时容易出现成像区域过大、有伪像等定位精度不足的问题。本文基于延时叠加(Delay-and-Sum,DAS)原理和麻雀搜索优化算法(Sparrow Search Algorithm,SSA),设计了基于散射信号飞行时间的适应度函数,将损伤成像问题转换成散射源搜索问题,提出了一种基于超声导波和DAS-SSA散射源搜索的复合材料板分层损伤定位方法。通过适应度函数对麻雀种群分布进行评估,进一步迭代搜索,逐步逼近最有可能的散射源位置,最终以麻雀聚集处表征定位的损伤区域。实验结果表明,相较于传统成像方法,该方法的定位区域显著缩减,定位精度也有明显提升。

复合材料缠绕管压缩失效机理及吸能特性研究

苏海亮, 位腾腾, 黄伟龙, 韦振校, 周梦凡

2026, 0(2): 28-33. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260228.004

摘要 ( 36 )

PDF (10686KB) ( 300 )

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为了探究[±45]_3S缠绕复合材料圆管在不同压缩条件下的破坏行为与性能,采用力学试验与多层常规壳单元模型仿真方法,针对复合材料缠绕圆柱管,开展了准静态轴向和径向压缩破坏试验,研究了缠绕圆管的吸能特性和失效机理。使用LS-DYNA建立Hashin与Chang-Chang两种失效准则的有限元模型进行仿真,分析圆管的破坏响应和吸能损伤过程,通过对比试验测试和数值分析,综合验证所建立仿真模型的有效性。研究结果表明:缠绕管主要通过基体断裂、纤维的屈曲变形进行吸收压溃能;Chang-Chang失效准则可以更准确地模拟变形,与试验结果较为接近,其中轴向压缩与径向压缩的初始峰值、总吸能、比吸能等指标偏差均小于10%。

面板内初始分层缺陷对复合材料泡沫夹层结构弯曲性能的影响

顾楠, 刘文博, 王培培, 杨帆, 王荣国, 朱福先

2026, 0(2): 34-43. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260228.005

摘要 ( 36 )

PDF (21573KB) ( 259 )

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复合材料泡沫夹层板结构在制造和使用过程中,其面板内会产生分层缺陷,严重影响结构的承载性能。本文采用三点弯曲试验与有限元模拟相结合的方法,对面板内含初始分层缺陷的碳纤维/聚氨酯泡沫夹层结构在弯曲载荷下的承载性能进行了研究,分析了初始分层缺陷长度、宽度以及分层缺陷沿厚度位置对复合材料泡沫夹层结构弯曲性能的影响。基于内聚力模型模拟分析了初始分层缺陷的扩展演化过程,探讨了弯曲载荷作用下初始分层缺陷的扩展机理。结果表明:极限载荷值均随缺陷长度和宽度的增加而降低,其中宽度对其影响更大;分层缺陷扩展路径受尺寸和形状的影响较小,分层缺陷由缺陷的中部边界沿面板横向扩展;分层缺陷的位置由表层移动至中间层时,夹层结构的极限载荷随之增大。

碳纤维环氧复合材料激光辐照行为及其表面涂层制备研究

杨昱, 王思薇, 马壮, 高丽红

2026, 0(2): 44-48. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260228.006

摘要 ( 30 )

PDF (7572KB) ( 263 )

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碳纤维环氧复合材料在航空航天等领域获得了广泛应用,随着激光技术的发展,激光与材料之间的相互作用研究具有重要价值。本文使用高能连续激光对碳纤维环氧复合材料样品进行了激光辐照试验分析,并以有机硅树脂为基料,氮化硼为填料,添加不同含量的聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)乳液,采用刮涂法在碳纤维环氧复合材料表面制备了新型涂层材料。在17.1 W/cm²的功率密度下,随着辐照时间的延长,碳纤维环氧复合材料样品损伤程度逐渐增加。制备得到的改性树脂基涂层反射率可达83.7%,随着PTFE含量的增加,涂层表面孔洞减少,F—C—F键逐渐增强,接触角增加,改善了涂层表面疏水性能。

高温下CFRP筋横向压缩性能试验研究

王力晨, 刘缘园

2026, 0(2): 49-57. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260228.007

摘要 ( 28 )

PDF (19656KB) ( 311 )

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为提升使用碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)制作拉索的索屋盖结构节点处的耐高温性能,对CFRP筋夹片式锚固系统进行了研究。首先通过CFRP筋的玻璃化转变温度试验,得到了CFRP筋发生玻璃化转变的起始和终止温度(126 ℃、192 ℃),确定了高温下横向压缩力学试验的目标测试温度,然后采用A6061-T6铝合金制作带有半圆形凹槽的两块相同的铝板来模拟锚固系统中的夹片。通过开展试验得到了考虑铝板影响后的CFRP筋的高温下横向压缩力学性能和变形特征随温度的变化规律,这一结果可以为构建CFRP筋的高温下本构模型提供数据支撑。通过建立与试验相对应的有限元模型进行结果吻合度对比,计算得到的应变值与试验得到的应变值平均误差不超过5%,验证了有限元模型中热学参数、力学参数的有效性,可用于后续构建锚固系统的耐高温分析模型。

有机硅改性热固性酚醛树脂的合成及应用研究

赵聪聪, 冯佳佳, 安坤华, 李雪雪, 刘聪, 张琳琪

2026, 0(2): 58-64. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260228.008

摘要 ( 28 )

PDF (6191KB) ( 266 )

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本文以3-异氰酸丙基三乙氧基硅烷(KH-907)为改性剂,苯酚、甲醛为单体原料,通过控制加成反应条件,合成N—(3-三乙氧基硅基丙基)苯基氨基甲酸酯中间体,继而与甲醛在碱性催化剂下反应,成功合成有机硅改性酚醛树脂液(IPTES-PF)。通过红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)和差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry,DSC)对改性酚醛(Phenol-Formaldehyde,PF)的化学结构及其固化行为进行了研究,通过力学性能测试和热重(Thermogravimetric,TG)分析研究了有机硅含量及物料配比对改性PF机械性能和热稳定性的影响。结果表明,KH-907的引入提升了PF的耐热性能。随着改性剂KH-907含量及甲醛摩尔比的增加,有机硅改性PF的力学性能先升高后降低,当KH-907含量为15%,苯酚/甲醛摩尔比为1∶1.8时,有机硅改性PF树脂液的力学性能最佳,拉伸剪切强度为7.06 MPa,剥离强度为328 N/5 cm。有机硅改性PF复合材料的冲击强度以及固结磨具的磨削比在KH-907含量为15%时均达到最大,分别为2.87 kJ/m²和20.91。

不同加载速率对CFRP/Al单双剪铆接强度的影响研究

覃育参, 王兵兵, 吴金森, 金万军, 何超, 唐正强

2026, 0(2): 65-71. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260228.009

摘要 ( 27 )

PDF (11264KB) ( 273 )

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铆接结构通常受到不同速率的拉伸载荷,而拉伸速率的大小对复合材料与金属铆接结构的强度有显著影响。为了探究加载速率对碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)/铝合金(Aluminum,Al)单双剪铆接强度的影响,利用ABAQUS二次开发VUMAT子程序的功能,基于连续损伤力学、三维Hashin失效准则和应变率效应,建立了CFRP/Al单双剪铆接的数值模型,研究了1 mm/s、100 mm/s、200 mm/s、300 mm/s四种拉伸速率对单剪和双剪铆接强度的影响,同时进行拉伸试验验证数值模型的准确性。结果表明:随着拉伸速率的增大,单剪和双剪铆接接头的强度均增加,但双剪铆接接头的强度增幅更大。此外,拉伸速度越高,CFRP损伤程度越小,表明高拉伸速度对CFRP损伤具有明显的抑制作用。

石英纤维增强的PTFE基板性能研究

白孟钊, 翁孝宇, 崔梦婷, 龙金

2026, 0(2): 72-77. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260228.010

摘要 ( 29 )

PDF (6929KB) ( 270 )

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本文以石英纤维为增强体,采用不同的石英纤维和无碱玻璃纤维配比,以湿法成型的方法制备得到石英纤维纸。随后通过浸渍PTFE乳液的方式进行上胶,经预烧去除有机小分子之后,通过叠层热压烧结制成复合基板,并对基板的介电、机械、热性能进行表征和分析。实验结果表明:在总纤维占比不变的情况下,密度和吸水率随着石英纤维含量的增多而下降;在介电性能方面,介电常数随着石英纤维含量的增多而降低,当石英纤维占比为80%时,介电常数最低可达2.21,介电损耗呈现非线性变化,并在石英纤维占比为40%时达到最低值0.000 96;导热性能方面,复合材料的热导率随石英纤维含量的增多而上升,在石英纤维占比为80%时达到最大值0.232 W/(m·K);在机械性能方面,拉伸强度和弹性模量随石英纤维含量增多而呈现下降的趋势,在石英纤维占比为80%时分别降至17.85 MPa和1 538.76 MPa。

全线铆钉的制备与抽拔性能研究

黄建龙, 吴宁, 徐俊义, 安达, 刘策, 陈利

2026, 0(2): 78-84. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260228.011

摘要 ( 24 )

PDF (11990KB) ( 284 )

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针对簇绒缝合工艺制备的碳纤维三维预制体在高温处理后易产生缝线脱出的问题,开发了一种新型单边缝合技术——“铆接缝合”技术,其缝合线称为全线铆钉。本文采用二维编织技术制备了全线铆钉,通过单边铆接缝合技术制备了三维织物预制体,主要研究了铆钉参数及高温处理对全线铆钉抽拔性能的影响。研究结果表明:全线铆钉抽拔强力随着铆钉编织节距的增加呈现出先增大后减小的趋势;铆钉编织股数的增加使全线铆钉抽拔强力表现出指数增长的特性;铆接预制体经300~600 ℃高温处理1 h后,全线铆钉抽拔强力由25.79 N降低至2.96 N,且性能衰减速度随着温度升高而减小;在600 ℃处理条件下,全线铆钉抽拔强力较簇绒缝合提高约7倍。

曲面功能复合材料结构电磁性能分析与优化

礼嵩明, 杨胜书, 刘雨舜, 郭闻, 邢丽英

2026, 0(2): 85-91. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260228.012

摘要 ( 23 )

PDF (9376KB) ( 269 )

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本文分析了不同曲面外形功能复合材料结构的电磁性能,掌握了功能复合材料结构水平极化电磁性能随不同曲面外形的变化规律,研究了芯材电磁性能对功能复合材料结构水平极化电磁性能的影响规律,并基于芯材和结构形式综合优化设计,实现了功能复合材料结构低频电磁性能提升。结果表明:金属状态曲面结构和曲面功能复合材料结构的水平极化平均雷达散射截面积(Radar Cross-Section,RCS)都随着弯曲程度的增加逐渐减小,曲面功能复合材料结构在不同弯曲程度下均有RCS减缩效果,随着弯曲程度增加,水平极化RCS减缩效果逐渐减弱;仅通过改变芯材电磁特性不能从根本上解决曲面结构低频电磁波高效吸收的问题,必须综合发挥功能复合材料结构电磁材料和结构的整体优势;通过引入梯度电磁芯材和优化电磁芯材填充结构,实现了功能复合材料结构低频双极化电磁性能优化提升,特别是L波段水平极化RCS减缩效果,相比单一种类电磁芯材提升幅度达到8 dB以上,获得了在1~4 GHz低频段具有高效低频减缩性能,且兼具4~12 GHz中高频段良好宽频电磁性能的功能复合材料结构。

三维增强梯度防隔热材料性能研究

于帅, 张鹏飞, 崔红, 刘佳, 万蕾, 霍书林

2026, 0(2): 92-96. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260228.013

摘要 ( 29 )

PDF (5247KB) ( 263 )

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针对高超声速飞行器发动机热防护材料的应用需求,本文对三维增强石英纤维/酚醛树脂梯度防隔热材料性能进行了研究,其预制体采用2.5D机织/针刺联合工艺制备,采用树脂真空导入工艺成型。对该材料力学性能、热物理性能、烧蚀性能进行测试与分析,结果表明,当总厚度一定时,织布层与网胎层沿厚度方向的间续分布方式对材料整体性能具有显著影响。当层数较少时,其烧蚀性能更优;当层数较多时,其热物理性能更优。拉伸和压缩力学性能主要受网胎层分布及其与织布层界面影响。本文所提出的防隔热梯度材料兼具质量轻、防隔热性能好、力学性能强、抗气流冲刷能力优等优势,可为宇航热防护工程提供更多的材料参考。

机匣包容环布带缠绕成型工艺研究

杨飞, 朱光, 孙煜, 郭琎, 高海源, 郑亚萍, 刘维伟

2026, 0(2): 97-103. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260228.014

摘要 ( 28 )

PDF (4855KB) ( 265 )

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本文采用热熔法工艺制备了芳纶纤维/环氧树脂预浸料023F/DBE-125和玻璃纤维/环氧树脂预浸料SW280F/DBE-125,用热压罐工艺制备了复合材料测试板,并对测试板力学性能和抗弹冲击性能进行了表征;为解决薄壁机匣在缠绕、固化和加工过程中存在的变形问题,以模具和机匣的装配间隙和材料热膨胀差为设计依据,设计并生产了机匣包容环的缠绕模具;通过仿真技术和工艺试验件确定了合适的缠绕参数和加工参数,根据试验件获得的参数在薄壁机匣上缠绕成型复合材料包容环,并对成型的包容环进行尺寸和内部质量检验,检验结果表明所研制的机匣包容环各项性能指标满足要求。本研究为机匣的轻量化设计与制造提供了重要参考,对航空发动机关键部件的开发具有重要意义。

热处理工艺对3D打印连续纤维增强复合材料层间性能的影响

孙士勇, 马鑫, 汤文杰, 杨睿, 韦磊

2026, 0(2): 104-110. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260228.015

摘要 ( 39 )

PDF (16161KB) ( 261 )

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3D打印连续碳纤维增强复合材料(Continuous Carbon Fiber Reinforced Composites,CCFRCs)因其高强度、高模量和轻量化等优异特性,在航空、航天等领域具有广泛的应用潜力。然而,纤维与树脂之间的界面结合较弱,特别是层间界面的性能不足,已成为限制其进一步发展的重要因素。本文研究了热处理对3D打印CCFRCs层间性能及微观结构的影响。通过双悬臂梁试验,系统探讨了铺层角度、热处理温度和热处理时间等工艺参数对CCFRCs层间断裂韧性的影响,并结合扫描电镜观察断面微观形貌,揭示了热处理工艺对复合材料层间性能的影响机理。研究结果表明,与[0/0]₃铺层试件相比,[0/45]₃和[0/90]₃铺层试件的层间断裂韧性更高。热处理后,[0/90]₃试件的纤维丝束表面因附着更多基体而更加粗糙,层间黏结力显著增强。其中,60 ℃热处理2 h的[0/0]₃试件层间断裂韧性达到1.570 kJ/m²,相较于未处理试件提高了50.67%。同时,热处理时间越长,试件层间断裂韧性的提升越显著。热处理通过增强树脂的流动性、填充沉积线间孔隙以及优化纤维排布,不仅改善了CCFRCs的层间黏结性能,还改变了其层间失效模式。

大尺寸三维复合材料框架的一体化成型技术研究

秦闯, 邹志伟, 商伟辉, 宋航, 王宏禹

2026, 0(2): 111-119. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260228.016

摘要 ( 31 )

PDF (9154KB) ( 265 )

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为实现大尺寸三维复合材料框架的一体化成型,本研究提出了工艺/结构一体化设计方案与优化方案,合理选用成型工艺并对水溶性模具制备工艺进行优化,制定出满足大尺寸三维框架结构成型工艺的水溶性模具性能标准。通过制作试验件,对结构设计方案与工艺可行性进行了试验验证。提出一种兼顾工艺可实施性与结构力学性能的三维框架一体化构型,并在实际产品研制中对此结构形式进行应用。产品通过试验验证,证明技术方案可行,可为空间相机支撑结构一体化设计提供借鉴。

Ⅳ型复合材料气瓶低速冲击损伤行为研究

刘妍, 周银博, 韩冰, 刘岩, 戴行涛, 邓繁旭, 刘培启, 杨燕

2026, 0(2): 120-129. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260228.017

摘要 ( 29 )

PDF (13047KB) ( 262 )

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Ⅳ型储氢瓶由于具有质量轻、强度高、疲劳性能好等优点而受到广泛关注。但在其运输、使用过程中,结构抵抗异物冲击的性能未知,从而带来潜在风险。采用试验和数值模拟相结合的方法,对Ⅳ型储氢瓶进行冲击损伤分析研究。首先,开展了Ⅳ型储氢瓶的冲击试验,并对损伤深度及损伤面积进行了测量表征。然后,建立了一个考虑层内和层间损伤的三维气瓶冲击过程有限元模型。其中,三维Hashin准则和Camanho经验模型用于预测层内损伤,内聚力模型用于预测层间损伤,模拟结果与损伤测量结果具有很好的一致性。最后,基于建立的模型研究了冲击角度、冲击能量和内压对冲击损伤的影响。结果表明:不同冲击能量条件下,模型含内聚力单元的结果均比不含内聚力单元的结果更接近于试验值;冲击能量在层内和层间进行能量耗散造成损伤,凹坑深度越大,对面内损伤的影响越大,导致耗散的能量变多,层间耗散能量变少。损伤冲击角度越小,冲击物与缠绕层接触面积越大,导致基体受压面积变大,损伤面积随之扩大。相比不带压冲击,模型带压冲击时的基体拉伸损伤更严重,冲击位移更小。研究结果为复合材料Ⅳ型气瓶冲击损伤层内及层间分层损伤研究提供了补充信息。

三维六向编织复合材料在高温环境下的偏轴加载性能

章宇界, 邱保强, 史文锋, 梁燕民, 彭鑫

2026, 0(2): 130-134. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260228.018

摘要 ( 21 )

PDF (4888KB) ( 267 )

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随着三维编织技术的发展,三维编织结构已由最初的三维四向发展为三维五向、六向、七向等结构。目前,对于三维六向、七向编织复合材料的高温偏轴加载性能仍有待深入研究。本文基于某三维六向编织复合材料件展开研制工作,采用T800HB-12K碳纤维编织三维六向结构制备预成型体,选用TDE-85树脂体系作为基体,采用RTM工艺制造复合材料件。通过工业CT技术检测复合材料件的内部质量,并对三维六向编织复合材料组件在室温、高温环境下,共6种偏轴加载工况进行研究。结果表明,三维六向编织复合材料因自身结构具有高度的整体性,在105 ℃高温条件下,其偏轴承载性能较在室温环境下时有所下降,但仍表现出优良的面内性能,其AY工况极限载荷至少可达到设计载荷的150%。

纤维增强复合材料螺栓连接力学性能影响因素的研究进展

张永亮, 张辉, 袁旖, 王晓龙, 杨旭东

2026, 0(2): 135-144. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260228.019

摘要 ( 33 )

PDF (2427KB) ( 297 )

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螺栓连接因其高效、可靠的连接性能在航空航天领域得到了广泛应用。然而,在纤维增强复合材料板上进行开孔等加工时,不可避免会产生分层缺陷、垂直度误差等问题;装配过程中,系统误差和人工误差也会导致螺栓连接件出现预紧力过大、过小或装配间隙等问题。这些因素都会显著影响螺栓连接结构的力学性能。因此,本文归纳了在螺栓连接制备和装配过程中影响纤维增强树脂基复合材料性能的四种关键因素:分层缺陷、垂直度误差、预紧力和装配间隙,系统阐述了各因素对其结构力学性能的影响与作用机理,并对纤维增强复合材料螺栓连接力学性能影响因素的未来研究发展趋势进行了展望。

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