复合材料科学与工程

刘波, 冯琨程, 张恩阳, 陆振玉

2015, 0(12): 5-11.

摘要 ( 23 )

PDF (3769KB) ( 74 )

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无人机已经成为航空领域重要成员之一。在无人机初步设计阶段,为减轻其结构重量,采用复合材料设计。复合材料在比强度和比刚度以及抗振和加工制造等方面优于其他传统材料,在无人机结构中得到了广泛的应用。由于复合材料层合板在生产加工过程中具有可设计性,在复合材料中已经成为使用最多的一种结构形式。以某型号电磁弹射无人机机翼为研究对象,建立了复合材料机翼结构的有限元模型,将机翼的结构重量作为优化目标,以机翼翼尖挠度和复合材料失效因子为约束条件,应用工程优化软件对复合材料翼面结构进行自由尺寸优化,整个优化过程需同时满足机翼强度及刚度要求。最终自由尺寸优化结果表明,复合材料的铺层比例和厚度分布在优化后得到了重新设计,比较之前的结构方案,优化后的铺层设计能够有效降低机翼结构质量,实现减重的优化目标。

纤维缠绕车载CNG气瓶的结构设计及其有限元分析

元世海, 李彦虎, 祖磊, 张桂明

2015, 0(12): 12-17.

摘要 ( 26 )

PDF (1942KB) ( 50 )

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根据薄膜理论分析了气瓶封头的椭球比对气瓶强度和稳定性的影响,依据网格理论,结合气瓶容积、使用空间以及实际生产工艺等约束条件,确定了气瓶的内衬几何尺寸、纤维缠绕层的纤维厚度和缠绕角度。最后利用ANSYS中的参数化设计语言(APDL),分别对各种工况下的强度、稳定性进行了仿真模拟和数值计算分析。结果表明,设计的70L纤维缠绕车载CNG气瓶的强度、稳定性满足铝内衬全缠绕碳纤维增强复合材料气瓶的基本要求(DOT-CFFC)。

复合环境下金属损伤复合材料胶接修复结构疲劳寿命试验研究

穆志韬, 牛勇, 李旭东, 周立建

2015, 0(12): 18-22.

摘要 ( 34 )

PDF (1346KB) ( 54 )

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复合材料胶接修复技术在飞机金属损伤结构上得到了广泛应用,但修复结构在飞机服役期内仍受多种环境条件的作用。为研究多种环境因素对修复结构的影响,利用碳/环氧复合材料补片,对含穿透性裂纹的LY12-CZ铝合金板进行了双面胶接修复,采用试验的方法研究了这种修复方法的合理性,并通过t检验法,考核了复合环境条件对修复结构疲劳寿命的影响。

CFRP加固损伤钢板的双轴拉伸性能研究

吴健, 张彤彤, 李泓运, 王纬波

2015, 0(12): 23-27.

摘要 ( 22 )

PDF (1977KB) ( 46 )

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基于虚拟裂纹闭合法模拟受双轴向载荷的含裂纹塑性钢板断裂过程,利用减小裂纹裂尖处应力强度因子的方法确定了CFRP的加固方案,通过有限元仿真分析了双轴试样加固前后的对比效果,最后结合模型试验验证了加固方案和计算方法。研究表明,虚拟裂纹闭合法可以有效模拟受双轴向载荷裂纹的扩展过程,仿真结果与试验结果吻合较好。对于受双轴向载荷的含裂纹钢结构,CFRP加固后可以基本恢复原结构的承载能力,加固效果十分显著。该方法可以进一步用于复合型裂纹的加固方案确定。

风机叶片固有频率的一种传递函数解法

卢彬, 黄争鸣

2015, 0(12): 28-34.

摘要 ( 46 )

PDF (1157KB) ( 49 )

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将叶片视为变截面悬梁,离散成任意段,每一段满足各向异性双向弯扭耦合振动微分方程,其解表作为两端节点10个自由度的函数,相邻段在同一截面内的节点位移由连续性条件联系,由此建立起求解叶片双向弯曲与扭转响应的传递函数,然后根据边界条件,得到一组仅含10个未知数的齐次方程,其非零解即是叶片各阶固有频率。相对有限元等其他数值方法,这种传递函数的解变量少,算法设计容易,求解速度快,精度高。基于该算法对一种大型叶片叶根段结构铺层优化后的频率特性进行了分析,结果显示,新设计方案不仅叶片重量显著降低,而且叶片刚度和频率特性完全满足使用要求。

考虑压力对芯模表面升温过程的数值模拟分析

许家忠, 崔宇, 高良超, 乔明

2015, 0(12): 35-40.

摘要 ( 35 )

PDF (2490KB) ( 56 )

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采用从芯模内部通入水蒸气加热芯模的固化工艺,建立了芯模内部蒸汽流动的动力学模型和芯模的传热模型,基于汽液两相流相变模型和k~ε标准两方程湍流模型,考虑不同压力下芯模的升温过程,使用有限元流体Fluent软件对芯模传热的蒸汽流动和传热过程进行数值模拟,根据仿真结果得到了芯模表面温度分布情况和变化历程,分析了蒸汽流场压力、温度等物理量之间的关系。本研究为热缠绕的工艺实现提供了效率更高的方法,并为蒸汽控制参数提供了理论依据。

纤维波纹对复合材料层合板刚度影响研究

吴维清, 朱俊, 王继辉, 舒明杰

2015, 0(12): 41-47.

摘要 ( 32 )

PDF (3707KB) ( 50 )

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从实验及数值模拟两个方面研究均一波纹缺陷对复合材料层合板刚度影响。采用VARI成型工艺制作复合材料波纹板试样,通过压缩测试测得其主杨氏模量和泊松比。利用有限元分析软件ANSYS构建复合材料波纹板模型,预测压缩载荷下复合材料波纹板的刚度,研究纤维体积分数和波纹比对刚度影响。结果表明,纤维波纹对复合材料刚度有很大的影响,尤其是E_x的下降趋势非常明显;在纤维最大偏转角处,试样易发生剪切破坏;波纹比对波纹板刚度影响的变化趋势几乎不受纤维体积含量的影响,实验结果与ANSYS模拟结果有较好的一致性。

RC桥墩的FRP延性加固设计方法研究

董振华, 王克海, 刁波

2015, 0(12): 48-52.

摘要 ( 40 )

PDF (1148KB) ( 47 )

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为了制定经济合理的钢筋混凝土(RC)墩柱的纤维增强复合材料(FRP)抗震延性快速加固方案,提出了基于目标位移延性系数提高指标的FRP抗震延性加固设计方法,并建立了加固墩柱宏观力学性能参数(位移、延性系数)与材料性能参数(FRP约束混凝土极限压应变、FRP配箍率、FRP有效极限抗拉强度、FRP有效极限拉应变)之间的力学计算模型。进一步应用所提出的计算模型,结合有限元数值模拟技术,得到FRP约束圆形和矩形墩柱受力性能的分析结果,并与试验结果进行对比。结果表明,提出的FRP延性加固设计方法可较正确地计算加固RC墩柱的受力性能、FRP片材配箍率或加固厚度,并验证了考虑箍筋和FRP共同约束作用的Seible FRP约束混凝土极限压应变计算模型的合理性。

环氧树脂/对甲基苯基双胍固化反应动力学研究

何自强, 张惠玲

2015, 0(12): 53-59.

摘要 ( 26 )

PDF (1166KB) ( 52 )

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根据非等温和等温DSC数据,采用等转化率法和模型拟合法对环氧树脂/对甲基苯基双胍体系的固化反应过程进行了研究,分析了固化体系在非等温和等温条件下的固化规律。并通过Malek最大概然函数机理法确定了固化反应机理函数,计算出固化反应动力学模型参数。结果表明,考虑了扩散影响的等温自催化反应速率模型对该体系等温固化过程的预测数据与DSC实验数据吻合得更好。同时,在比较非等温和等温自催化动力学模型的计算值与实验值的基础上,结合活化能随固化度的变化规律,对不同温度条件、不同转化率下固化体系的反应历程和机理进行分析,为工业应用中固化工艺条件的优化提供了理论依据。

硼-腰果酚改性酚醛树脂的制备及固化动力学

石晓敏, 夏涛, 刘扬

2015, 0(12): 60-64.

摘要 ( 43 )

PDF (1190KB) ( 51 )

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针对酚醛树脂(PF)耐热性和韧性不足的缺点,采用硼、腰果酚对酚醛树脂进行改性,考察了硼酸用量和腰果酚用量等对改性酚醛树脂性能的影响。红外(FT-IR)分析结果表明,硼酸与酚醛树脂中的酚羟基发生了反应,生成了新的交联键。通过热重(TG)分析,结果表明经硼改性的酚醛树脂耐热性能明显提高。通过非等温差示扫描量热法(DSC)分析了改性酚醛树脂在不同升温速率下的固化行为,采用Ozawa法和Crane方程建立了改性酚醛树脂的固化动力学模型,确定了其固化工艺参数。

一典型结构复合材料零件的VARTM注射方式优化及实验

邹如荣, 柳和生, 赖家美, 余松标

2015, 0(12): 65-72.

摘要 ( 36 )

PDF (5599KB) ( 47 )

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利用RTM-Worx模拟软件对一典型结构复合材料零件使用6种常用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)注射方式进行充填模拟,通过对模拟结果进行分析对比,选择了其中最合适的线注射方案,并对该线注射方案进行注射流道长度及双线注射流道位置优化设计,得到了该类零件的最优化VARTM注射方式并进行了实验验证,实验与充填模拟结果吻合较好,得出了如下结论:增长注射流道长度虽然可以增加树脂进入的瞬时体积流量,减少充填时间,但流道过长可能造成流到边缘的树脂往构件中心方向回流,容易形成气泡、干斑缺陷,影响制件质量;当构件宽度较大时,可以选用多线注射,且当采用n线注射时,注射流道可顺着构件长方向布于其宽方向i2n(i=1,3,5,…,2n-1)位置处。

风电叶片用单向复合材料厚度变化研究与分析

侯博, 贾智源, 曾帅, 李炜

2015, 0(12): 73-78.

摘要 ( 44 )

PDF (3796KB) ( 54 )

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风电叶片主梁帽通常采用单向经编织物,通过真空导入成型复合材料。由于真空导入工艺的特点以及织物参数的影响,都会对叶片设计带来一定的困难。选用国内外四种常用单行玻纤织物,研究了复合材料成型工艺和织物参数对复合材料厚度的影响。研究发现单向复合材料厚度与层数存在线性关系,而工艺参数对厚度影响不明显,织物参数对复合材料厚度有明显的影响。研究将为风电叶片设计提供一定支持,并为玻纤企业生产工艺参数调整提供了一定的借鉴意义。

碳纤维复合芯导线舞动及扭转损伤特性研究

兰逢涛, 陈新, 王英男, 杨长龙

2015, 0(12): 79-81.

摘要 ( 29 )

PDF (2790KB) ( 49 )

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碳纤维复合芯导线运行过程长期受舞动与扭转作用,其主承力部件环氧树脂增强碳纤维复合材料芯棒韧性较差,在舞动或扭转工况下,复合材料芯棒能否可靠运行是电网运行部门关注的关键问题。利用导线舞动与扭转试验,通过研究不同舞动次数后复合芯棒的结构与机械性能,客观评价复合芯导线的安全适用性。研究结果表明,碳纤维导线在25%额定拉断力下舞动90万次后铝线全部断股,而碳纤维复合芯在连续舞动100万次的情况下,其抗拉强度依然保持在90%初始强度以上,复合芯无损探伤检测亦未发现芯棒破坏。碳纤维复合芯在25%RTS张力下连续扭转100万次后,铝线未发生断股现象,其抗拉强度保持在90%初始强度以上,两种严酷工况试验证明碳纤维复合芯可在高电压等级分裂导线中长期安全使用。

大尺寸海上风电叶片根部灌注工艺研究

赵立岩, 孙玉权, 颜晨, 李辉

2015, 0(12): 82-86.

摘要 ( 32 )

PDF (3206KB) ( 53 )

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真空导入模塑工艺(VIMP)是生产大厚度、大尺寸海上风电叶片的关键技术。针对6MW级海上风电叶片叶根基圆尺寸为4000mm、灌注困难的特点,制定导流辅材铺放工艺,设定工艺过程参数,从而提高产品浸润效果,控制树脂含胶量,取得良好效果。

单向碳/玻璃纤维层内-层间混杂复合材料拉伸破坏模式研究

马腾, 李炜

2015, 0(12): 87-93.

摘要 ( 31 )

PDF (5711KB) ( 48 )

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采用碳纤维/玻璃纤维层内混杂单向布,设计了5种不同混杂结构和5种不同混杂比的试件,研究了混杂结构、混杂比对碳纤维/玻璃纤维面内混杂复合材料0°拉伸破坏模式的影响,建立了各自的拉伸破坏模式。结果表明:①相同混杂比、不同混杂结构试件的破坏模式可归结为3类,在进行相同混杂比、不同混杂结构设计时要避免使用两半式结构;②相同混杂结构、不同混杂比试件的拉伸断裂应力和应变的变化趋势相反,其破坏模式可归结为两类。此种情况下,碳纤维/玻璃纤维混杂比控制在3:2左右时拉伸性能较好。

复合材料空气耦合超声检测技术

张斌, 何梅洪, 杨涛

2015, 0(12): 94-98.

摘要 ( 25 )

PDF (2459KB) ( 48 )

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空气耦合式超声检测具有完全非接触、非侵入、无损伤的特点,能够更好地运用于传统超声检测难以适应的情形,具有极为广阔的发展前景。本文就近年来空气耦合超声检测技术的研究现状进行了系统综述,简明扼要地分析和介绍了当前空气耦合超声检测的研究热点及进展,重点介绍了压电类换能器的研究现状和目前应用较成功的信号处理技术。最后,展望了空气耦合超声检测的发展趋势和应用前景。

碳纤维缠绕复合材料储氢气瓶的研制与应用进展

杨文刚, 李文斌, 林松, 贾晓龙

2015, 0(12): 99-104.

摘要 ( 32 )

PDF (1357KB) ( 53 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

氢能是21世纪最有潜力的新型能源,具有高能、环保、可再生等优点,但氢气的储运技术滞后严重限制了其大规模应用。碳纤维缠绕复合材料氢气瓶因具有质量轻、韧性强、耐疲劳性好等优点,在储氢领域具有广阔的应用前景。本文综述国内外高压气态储氢技术研究现状,并结合国产碳纤维复合材料应用现实,论述了碳纤维缠绕储氢气瓶制备的技术要点、标准规范以及成型设备等方面的最新进展,展望了碳纤维缠绕储氢气瓶的产业前景。

RTM工艺充模过程模拟研究进展

齐文, 刘东, 赵俊利, 徐子航

2015, 0(12): 105-109.

摘要 ( 23 )

PDF (1048KB) ( 53 )

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主要介绍了RTM工艺树脂充模过程的流动模式、充模过程模拟的流动模型和模拟方法。讨论了不同模拟情况下所需的合理假设、边界条件的设置以及采用的不同数值计算方法。同时,介绍了目前基于数值计算的RTM仿真软件,提出了RTM充模仿真研究的未来发展趋势。

2015年第1~12期总目录

2015, 0(12): 110-115.

摘要 ( 24 )

PDF (760KB) ( 53 )

当期目录