3D打印连续纤维复合材料工艺、结构优化研究进展

连续纤维增强复合材料由于优异的比强度、比刚度、可设计性和轻量化特质,日益受到航空航天等高端装备制造领域的青睐.3D打印技术的发展改变了连续纤维复合材料结构的生产制造流程,使复杂结构的自由成型成为可能,为先进结构材料提供了巨大的设计空间.为充分发挥先进材料性能优势和3D打印成型灵活性,研究人员分别从材料性能和结构设计出发,探索与3D打印连续纤维复合材料相适应的设计制造一体化解决方案,实现产品创新设计和性能提升.本文系统性地回顾了面向连续纤维复合材料性能分析、工艺改进和结构优化的研究工作,结合研究实践对连续纤维复合材料的结构多尺度优化方法进行总结分析,并对未来先进材料结构设计实时化、功能化、智能化的发展趋势进行探讨和展望.

贴敷宏纤维复合材料片的飞机壁板振动响应预测

传统的有限元模型存在计算成本高、黑箱操作多、缺乏自主知识产权等问题。采用解析法研究基础谐波激励下贴敷宏纤维复合材料(MFC)片的飞机壁板振动响应的预测问题;基于经典层合板理论、机电耦合本构方程和能量法,建立基础谐波激励下MFC-壁板的解析模型;利用速度反馈法和模态叠加原理,实现对该激励条件下结构系统在主动控制前后振动响应的求解;结合文献和组建的振动测试系统获得的实验数据,对该解析模型及其预测结果进行详细验证。结果表明:相较于文献结果,模型等固有频率计算偏差最大不超过2%,模型预测获得的前两阶共振响应的最大误差不超过8.6%,均在误差允许的范围内。

基于压电纤维复合材料半主动干摩擦阻尼器的设计与实验研究

针对薄壁结构的振动问题,设计了一种铺设压电纤维复合材料(Macro-Fiber Composite,MFC)的波纹形柔性干摩擦阻尼器。介绍了波纹形半主动干摩擦阻尼器的结构形式和驱动原理。通过准静态试验探究了阻尼器在不同电压序列下输入电压与输出正压力的关系,揭示了MFC驱动变形的迟滞非线性,并据此提出了局部线性化的驱动方案,规避了迟滞非线性给正压力控制带来的挑战。在此基础上,对安装上述阻尼器的悬臂梁结构开展了振动试验。结果表明,在设计工况下该阻尼器的减振效果良好,质量占比仅为5%的阻尼器即可使振动峰值下降79%;该半主动干摩擦阻尼器显著拓宽了有效工作范围,当振动水平为设计工况的9倍时,通过MFC驱动调控正压力,减振比例仍可保持在约75%,避免了阻尼效果的大幅衰减。

改进型密集阵列全聚焦成像算法的碳纤维复合材料板损伤定位研究

本文针对各向异性碳纤维复合材料板的损伤定位问题,提出改进型密集阵列全聚焦成像方法。首先,考虑碳纤维复合材料板的各向异性,通过实验分析超声导波在板中的传播特性,得到沿不同传播方向的群速度值。其次,对密集型传感器阵列的参数进行分析和优化研究,分别对不同阵列参数即阵元间距和阵元数量进行指向性函数的数值分析,优化阵列的参数,以保证阵列主瓣较窄、旁瓣较低且无栅瓣。然后,提出了一种考虑碳纤维复合材料板各向异性的改进型密集传感器阵列板结构缺陷定位算法。使用超声导波在碳纤维复合材料板中沿不同传播方向的群速度值,对全聚焦算法进行修正,并利用虚拟聚焦原理对板结构进行全聚焦成像。最后,通过布置碳纤维复合材料孔洞损伤实验,对基于密集阵列全聚焦成像方法的定位精度进行分析。实验结果表明,改进型密集阵列全聚焦成像算法的定位精度为1.00 mm,相较于使用单一群速度值,该方法在定位孔洞损伤缺陷时具有更高的精度。

碳纤维复合材料叶片缠绕成型轨迹与装备设计

鉴于当前对具有复杂几何特征的非回转体叶片复合材料预浸带缠绕轨迹规划的研究较少,根据碳纤维预浸带缠绕成型的要求,将叶片非回转体芯模简化为由几个椭圆柱面、椭球面和平面所组成的模型,研究芯模各个表面上基于测地线理论的轨迹规划问题。采用微分几何的方法分别计算椭圆柱面和椭球面上的测地线方程。根据缠绕成型工艺需求设计一种适用于复杂曲面加工的六自由度缠绕机器人虚拟样机,并通过MATLAB和ADAMS进行联合轨迹仿真,生成六自由度缠绕机器人对叶片进行缠绕碳纤维预浸带的仿真加工程序,并通过轨迹仿真验证了该缠绕成型工艺的可行性。

“无机粒子-无纺布”协同改性碳纤维复合材料及其增韧机理

针对碳纤维复合材料层间性能较差、易发生分层损伤的问题,提出一种采用SiC粒子和热塑性共聚酰胺(PA)无纺布对碳纤维/环氧树脂基复合材料(CFRP)进行增韧改性的技术,在层间构筑一种“无机颗粒/热塑性纤维/树脂基体”多组分多尺度增韧相体系,对比分析改性前后复合材料的Ⅰ型、Ⅱ型层间断裂韧性和耐热性,借助扫描电子显微镜(SEM)和动态热机械分析仪揭示其增韧和耐热性机制。结果表明,与未改性的CFRP材料相比,当SiC填充量(质量分数)为1%、PA无纺布面密度为25 g/m2时,改性CFRP材料Ⅰ型层间断裂韧性(GⅠC)和Ⅱ型层间断裂韧性(GⅡC)分别提高了52.7%和222.6%。无机粒子的阻滞效应、纤维的桥连效应和基体树脂的塑性变形是其主要增韧机制。

碳纤维复合材料层合板钻削后拉伸剩余强度研究

拉伸剩余强度是复合材料层合板的一个重要力学性能,对产品的使用寿命起着关键作用。为了研究钻削工艺参数对碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)层合板钻削后拉伸剩余强度的影响,将所选用的失效准则和刚度退化模式编写Vumat子程序,在Abaqus软件中建立了CFRP层合板钻削后拉伸有限元模型。通过正交试验探究主轴转速、进给量和钻头顶角对CFRP层合板钻削后拉伸剩余强度的影响。研究结果表明,主轴转速、进给量和钻头顶角都对层合板拉伸剩余强度有显著影响,提高主轴转速,减小进给量和钻头顶角都可以有效地提高层合板钻削后拉伸剩余强度,为实际加工提供参考。

飞机碳纤维复合材料蒙皮激光除漆技术的研究进展

碳纤维复合材料是飞机蒙皮的重要材料,除漆是飞机碳纤维复合材料蒙皮再次涂装之前最为重要的工序。激光除漆具有高效、可控、分层、“绿色”的优势,有望成为飞机碳纤维复合材料蒙皮除漆的主要技术途径。介绍了激光分层可控除漆方法和机理,总结了激光能量密度、激光扫描速度、激光搭接率等工艺因素对飞机碳纤维复合材料蒙皮涂层去除的影响规律,提出了激光分层可控除漆工艺的优化思路,并归纳了激光除漆效果评价方法。列举了激光除漆技术在飞机复合材料表面涂层维修中的应用,并对飞机碳纤维复合材料蒙皮激光除漆技术的发展趋势进行了展望。

碳纤维复合材料在建筑加固工程中的应用

碳纤维复合材料具有强度高、质量轻等特点,在建筑加固工程中应用的碳纤维材料包含碳纤维板及碳纤维布两种,其加固操作简单、适用面广,相比传统加固方式优势明显。本文主要分析了碳纤维复合材料的加固原理及其优势,介绍了碳纤维复合材料在建筑加固中所应用的内嵌入式及外贴式加固方法,并对未来的应用做出展望,以期能够为碳纤维复合材料在建筑加固工程中的使用提供借鉴意义。

脉冲激光改性碳纤维复合材料及其金属化研究

目的选择性地实现碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)表面良好的导电性,满足它在共形天线上的应用。方法采用波长为1064 nm的纳秒脉冲激光器对惰性极高的CFRP表面进行表面改性处理,并结合化学镀铜技术,制备激光改性碳纤维复合材料表面金属层。利用扫描电镜、X射线光电子能谱仪对改性后的材料表面进行表征,利用焊点拉脱方法表征金属层结合力。结果研究表明,激光能量密度越高,则CFRP基材表面树脂被去除得越多;激光搭接率越大,则碳纤维束表面越粗糙;在适当的激光能量密度(60 J/cm^(2))和横/纵向搭接率(50%)下,会产生大量的极性化学基团。当激光能量密度为10~100 J/cm^(2)、激光搭接率为0%时,CFRP表面镀铜层的结合强度为0.57~3.16 MPa,且激光能量密度与镀层结合强度呈正相关。当激光能量密度为60 J/cm^(2)、激光搭接率为−100%~90%时,CFRP表面镀铜层的结合强度为0.19~3.24 MPa,且激光搭接率与镀层结合强度呈正相关。结论脉冲红外纳秒激光在一定能量密度和搭接率的条件下,可改变碳纤维表面形貌、化学成分,实现金属层的制备。

基于声发射技术的T800碳纤维复合材料拉伸失效机制分析

为揭示固体火箭发动机碳纤维缠绕复合材料壳体多载荷工况下的失效机理,开展了单向T800碳纤维复合材料试件不同偏轴角度下的拉伸实验。利用声发射(AE)无损测试技术获得了试件完整波形信号,结合Pearson相关系数选取了AE信号的特征参数,通过K-means聚类算法对AE信号进行了聚类分析,同时结合扫描电镜(SEM)拍摄的微观断口形貌将不同的损伤机制与声发射聚类组对应。进一步利用代表性体积单元并结合渐进损伤方法,实现了单向复合材料损伤过程的数值模拟。分析结果表明,AE信号的峰值频率与幅值两类参数的相关系数低于0.2。采用二者对AE信号进行聚类分析,同时结合数值仿真获得的应力-应变曲线,发现纤维断裂峰值频率最高,基体开裂峰值频率居中,界面脱粘峰值频率最低,试件宏观破坏时的AE信号幅值最高。

碳纤维复合材料在轨道交通领域的研究与应用进展

近年来,我国轨道交通领域发展迅速,轨道交通装备减重提质是一个热门趋势,碳纤维复合材料因其具备高的比强度、比模量、耐疲劳性等特点成为首选轻量化材料。碳纤维复合材料代替传统金属材料能更好地满足提速、环保、舒适等要求。介绍了碳纤维复合材料在轨道交通装备的应用优势,综述了碳纤维复合材料在国内外轨道交通领域的应用现状,分析了碳纤维复合材料的先进成型工艺技术进展,以期为国内轨道交通领域发展提供帮助。

碳纤维复合材料纵扭超声振动辅助钻孔仿真研究

针对碳纤维复合材料(CFRP)钻孔易发生缺陷、孔的质量难保证和效率低等问题,基于Hashin准则和PUCK准则构建碳纤维复合材料本构模型子程序,建立CFRP纵扭超声振动辅助钻孔三维实体有限元模型。与普通钻孔过程的轴向力变化情况进行对比,分析主轴转速、进给速度、频率、振幅、纤维铺层角度和钻头顶角对轴向力的影响。结果表明:轴向力随进给速度、频率和钻头顶角的增大而增大,随主轴转速增大而减小,随振幅增大先减小后增大,随纤维铺层角度增大先增大后减小。

全碳纤维复合材料太阳能无人机机翼结构优化设计

针对大展弦比太阳能无人机的性能要求,开展碳纤维复合材料太阳能无人机机翼的优化设计。选用NACA4412为基准翼型,利用xfoil软件作为气动计算软件,基于NSGA-Ⅱ优化算法进行翼型优化。在此基础上对机翼进行三维建模,采用CFD软件进行气动特性分析,并利用ANSYS Workbench静力学模块对机翼进行流固耦合分析。结果表明:翼型优化后,升力系数提高4.20%,阻力系数降低8.74%,升阻比提高14.18%;在气动载荷作用下,从翼根向翼尖方向压力逐渐增大,翼尖处最大压力相对外界大气压力为242 Pa;在外载荷作用下,最大应力显示在翼根附近,为61.397 MPa,翼变形的最大值为40.262 mm,整体满足太阳能无人机的允许变形量在5%以内即翼尖变形不得大于半翼展长度值的5%的刚度要求。研究结果可为碳纤维复合材料太阳能无人机设计和研制提供理论参考。

碳纤维复合材料在某舰船推进轴系中的设计研究

针对碳纤维复合材料重量轻、强度大、吸振能力强的特性,以某舰船推进轴系为研究对象,对碳纤维复合材料在推进轴系中的应用进行研究。基于Ansys Workbench的ACP模块对碳纤维复合材料进行铺层建立了碳纤维轴段计算分析模型。通过对不同铺层方案、不同搭接长度、不同连接方法进行分析,研究不同情况下的碳纤维轴段抗扭转与抗拉压能力,寻找碳纤维轴系的设计方案,最后将设计出的碳纤维轴系与纯钢轴进行对比研究,形成碳纤维轴系设计分析流程。研究表明,当碳纤维轴段选用混合连接且搭接长度为160 mm,铺层方式为[(15°/45°/60°/90°/-60°/-45°/-15°);14;]时,能显著提高此推进轴系的抗扭转和抗拉压能力,碳纤维轴系较于普通纯钢轴轴系自重轻,有较好减振能力。所得结果可为后续同类型推进系统的设计与计算校核提供参考。

纤维复合材料在调水工程长输管道中的应用

调水工程长距离输水管道的材料选择,对工程成本和输水线路的安全有着重要影响。纤维复合材料具有轻质高强、内壁光滑、耐腐蚀性好等特点,正逐步应用在输水管道中。文章分析了影响长距离输水管道材料选择的主要因素,介绍了钢管、球墨铸铁管、混凝土管等传统输水管道的材料特性,阐述了纤维复合材料在输水管道中的应用,重点分析了玻璃钢夹砂管的发展和特点,最后对纤维复合材料输水管道在产品升级、施工技术、安全防护和质量管理四个方面的发展进行了展望。

生物基可降解环氧树脂及其可回收碳纤维复合材料的研究进展

环氧树脂是目前应用最为广泛的热固性树脂之一,其固化后会形成不溶、不熔的高度交联的三维网络结构,从而导致树脂及其碳纤维复合材料的降解困难而且难以再加工,造成了严重的资源浪费与环境污染。采用可再生生物质原料制备生物基可降解环氧树脂及其碳纤维复合材料,在缓解能源危机、减轻环境污染和实现资源再利用上具有重要意义。综述了生物基可降解环氧树脂及其可回收碳纤维复合材料的研究进展,主要包括含有热或化学不稳定键的可降解环氧树脂的合成、性能、降解机理及其碳纤维的无损回收,并总结了其优缺点。

碳纤维复合材料激光辐照温度场分布规律仿真

基于碳纤维复合材料激光辐照理论,应用有限元方法,开展了碳纤维复合材料激光辐照温度场仿真分析。首先,研究了碳纤维复合材料激光辐照温度场分布规律,建立了不同位置线上的温度场表征方程,定量分析了辐照表面温度变化规律,并通过文献数据验证了有限元模型的有效性。然后,基于该模型,探究了复合材料板材不同铺层方向、不同光斑直径和不同激光功率下的温度场变化规律。结果表明:在不同铺层方向下,热影响区为椭圆形,[0]_(16)和[0/90]_(4S)板材的长轴方向为碳纤维0°铺层方向,而[45/90/-45/0]_(2S)板材的长轴方向为碳纤维45°铺层方向,且三者最高温度均约为1830℃;当光斑直径分别为6 mm、10 mm和14 mm时,热影响区面积逐步增大,而中心最高温度逐步降低,整个过程中最高温度分别为3347℃、2401℃和1838℃;在200 W、400 W和600 W激光功率下,板材中心温度随激光功率增大而增大,中心点最高温度分别为1750℃、2401℃和2789℃。

同轴电缆用超疏水二氧化硅@石英纤维复合材料的性能研究

具有低介电常数的SiO_(2)复合材料在低介电和隔热保温材料领域有着广阔的应用前景,但SiO_(2)复合材料在实际应用中存在吸水性强、保存条件苛刻等问题。使用疏水改性剂(六甲基二硅氮烷(HMDS)、硬脂酸、十二烷基硫酸钠)对SiO_(2)@石英纤维复合材料进行改性,研究疏水改性剂类型及质量分数对复合材料疏水性能和介电性能的影响。结果表明,3%的HMDS改性复合材料的疏水改性效果最好(接触角为151.6°),保存240d后接触角最低为132.6°,200℃煅烧后复合材料的介电常数低至1.87。将疏水改性SiO_(2)@石英纤维复合材料制成同轴通信电缆,所得电缆的电压驻波比为1.48,衰减值为1.56dB,特性阻抗为48Ω。疏水改性复合材料具有优异的电缆性能,在通信电缆等领域展示出潜在的应用价值。

碳纤维复合材料的FSAE赛车车架轻量化仿真分析

为提高FSAE赛车在比赛时的速度并达到减少污染尾气排放和节约能源的目的,设计者一直试图使用新材料完成赛车车架结构的轻量化设计。为此,使用碳纤维树脂基复合材料HTA/6376C,依据复合材料层合板设计原则进行铺层设计,开展FSAE赛车车架的轻量化设计。首先建立了车架的有限元模型;然后根据赛车实际运用时的典型工况施加载荷,利用有限元分析软件求解并确定了危险点;最后基于最大应力准则对危险点进行了强度校核。研究结果表明:在满足强度要求的基础上,车架结构减重近11%,达到了较好的轻量化效果;研究结果为FSAE赛车车架轻量化设计的新材料选取提供了基础数据。