复合材料层压板结构铺层设计的三级优化方法

针对复合材料层压板结构的铺层设计,提出了一种三级优化方法。第一级,进行结构区域划分并建立初始层压板,通过刚度简化消除初始铺层顺序对优化设计的影响,以强度、刚度、稳定性等约束下重量最小为目标,优化各区域的铺层厚度。第二级,为满足相邻区域铺层连续的工艺要求,采用共享铺层组进行铺层整合,并优化各铺层组内的铺层顺序,进一步增大结构刚度。第三级,优化确定所有共享铺层组中每个单一铺层的保留或去除,在强度、刚度、稳定性等约束下,得到结构最优重量。算例表明,本文所提铺层设计的三级优化方法具有一定的有效性,且对复合材料机翼这样的复杂结构具有良好的适用性。

碳纤维电池包箱体的设计与铺层优化研究

为实现电池包箱体的轻量化设计,采用碳纤维复合材料取代传统金属构建电池包箱体结构。首先对碳纤维电池包的动静态性能开展有限元分析,并基于性能要求对上盖板依次进行形貌优化和尺寸优化,对下箱体进行结构优化,使下箱体质量减轻31.1%,且一阶固有频率提升至50.63 Hz,然后,开展了箱体铺层优化分析,基于Isight平台对下箱体的质量和一阶固有频率进行多目标优化,利用熵-优劣解距离法(TOPSIS)确定最优铺层设计方案,并综合考虑层合板铺覆工艺对铺层顺序进行全面优化,优化分析结果表明,下箱体实现质量减轻58.9%,且各工况下的最大位移和最大应力均有所减小,电池包箱体动静态性能均得到提升。

复合材料螺栓连接结构的铺层优化研究

螺栓连接是复合材料连接结构的薄弱点,严重限制着复合材料整体连接结构的承载能力。铺层优化能够有效提高复合材料螺栓连接结构的承载能力,提升复合材料的使用效率。以碳纤维复合材料层合板3螺栓双搭接连接结构为研究对象,通过在原有层合板上分别增加不同角度的等厚度铺层、对比不同角度铺层所提升的连接强度的方式,探究铺层角度对连接强度的影响。结果表明,增加0°铺层对提高结构连接强度的影响最大、±45°铺层次之、90°铺层影响最小。在此基础上,采用铺层厚度优化与铺层顺序优化得到了该连接结构的层合板在连接强度最大时的铺层优化结果,优化后铺层结构的连接强度较未优化结构提升了39.3%。

三维角联锁机织铺层复合材料的开孔拉伸性能

为了研究孔径对三维角联锁机织铺层复合材料拉伸性能的影响,制备了三种不同孔径的三维角联锁机织铺层复合材料并测试了其拉伸性能,并利用非接触全场应变测试系统和显微图像分析技术对复合材料进行了表征。结果表明,在拉伸过程中应变集中区域从孔的周边过渡到左右两侧,应变累计变化速率随着孔径的增大而增大。相比于开孔前样品,6、10、14 mm三种孔径样品的拉伸强度分别下降了23.13%、44.47%、50.08%,开孔试件的模量分别下降了16.92%、14.93%、22.25%。拉伸破坏包含纱线断裂、纤维拔出、界面脱粘等形式,其中较大孔径(14 mm)条件下,断口处分层破坏现象不显著。

路面加铺层间温度与水影响研究

近年来，沥青加铺层在国内外旧水泥混凝土路面改造工程中应用较多，水泥混凝土板与沥青混凝土加铺层之间的结构是保证加铺层结构体系正常工作的关键。但是，到目前为止，尚未对PCC-AC层间水稳定性进行全面而系统的研究，这在某种程度上制约着旧水泥混凝土路面沥青加铺学科的发展及其工程应用。因此，对路面加铺层间温度场的分布特性和变化规律及层间水稳定性进行研究，进而根据当地具体情况采取有效的措施，保证路面加铺层结构在最不利条件下不致损坏，同时也有助于分析路面加铺层各种损坏形式的产生机理，确保路面的强度参数。

织物铺层铺式对水泥基复合材料力学性能的影响

通过抗折、抗压强度试验,研究了织物铺层铺设方式对水泥基复合材料力学性能的影响.研究表明:随着织物铺层层数在一定范围内的增多,织物增强水泥基复合材料的纵向抗折强度逐渐增大,而横向抗压强度却逐渐下降;织物铺层角度对织物增强水泥基复合材料纵向抗折强度和横向抗压强度有不同影响,在所试验的范围内,纵向抗折强度以45°织物铺层角度为最好,0°的次之,90°的最差,而横向抗压强度却以0°织物铺层角度为最好,90°的次之,45°的最差;织物铺层位置对织物增强水泥基复合材料纵向抗折强度和横向抗压强度的影响在不同的情况下有较大的差别.

变厚度铺层Nomex蜂窝夹层件固化变形的数值模拟

为准确预测变厚度铺层夹层结构的固化变形,基于热-化学-结构多物理场耦合方法对AS4/8551碳纤维/环氧树脂复合材料-Nomex蜂窝夹层结构的固化过程进行数值模拟。考虑材料时变特性的影响,结合复合材料瞬时线弹性本构模型、细观力学理论和改进的Gibson等效理论建立起夹层结构三维有限元仿真模型,研究了结构在整个固化周期中的固化度场、温度场和应力-应变场的分布关系,并同已有的实验结果进行对比验证,最后通过解析模型分析预固化工艺对结构回弹变形的影响规律。结果表明:建立的有限元模型能够比较准确地反映结构固化过程,固化变形的平均预测误差为4.8%,最大预测误差不超过6.0%;变厚度铺层设计对较薄区域面板的固化应力影响较大,表现为沿厚度方向的向上剪切应力,在冷却阶段集中于结构端部并转化为结构翘曲;面板预固化处理削弱了固化放热和材料各向异性对夹层结构固化变形的影响,0.25预固化程度下结构最大变形的降低幅度达到14.78%。研究结果为复杂设计蜂窝夹层件制造精度的提升和工艺优化提供了重要参考。

基于S_(0)波的正交铺层复合材料板拉伸弹性模量的测量方法

提出了一种基于兰姆波的正交铺层复合材料板弹性模量测量方法。正交铺设层合板相当于具有9个独立弹性常数的单层正交各向异性板。研究了正交各向异性板中S_(0)模态兰姆波(S_(0)波)群速度对9个工程弹性常数的敏感性。研究发现,在低频率厚度积下,S_(0)波的群速度仅与正交各向异性板的拉伸弹性模量和面内泊松比有关。通过分析正交铺设层合板等效工程弹性常数的变化范围,发现正交铺设层合板的面内泊松比变化很小,足以忽略其对S_(0)波群速度的影响。因此,可以用S_(0)波的群速度来估计正交铺层复合材料板的拉伸弹性模量,并建立了S_(0)波群速度与拉伸弹性模量的映射关系。该方法已在碳纤维增强正交铺设层合板上进行了数值模拟和实验验证。数值模拟和传统的静态拉伸实验验证了该方法的有效性。结果表明,该方法得到的复合材料板拉伸弹性模量与实际值的误差小于10%,为航空航天等工业领域相关结构参数的测量提供了方便。

基于Fibersim的半球曲面铺层优化及性能评估

Fibersim是全球领先的复合材料设计软件,可为复合材料产品开发提供有效的分析结果,指导实际生产设计。采用平面拉伸法对平纹和斜纹碳纤维/环氧树脂预浸料的形变参数(极限角度(limit angle))进行表征,在此基础上,利用Fibersim软件对半球壳制件的铺层方案进行优化和实际验证。结果发现平面拉伸评价方案仅适用于平纹预浸料。提出斜纹预浸料形变参数的新定义,并验证了其有效性和合理性,得到的平纹织物预浸料的极限角度为19.30°、斜纹织物预浸料的极限角度为51.90°。此外,通过Fibersim仿真和实际铺覆验证实现了平纹和斜纹预浸料对球壳曲面的无褶皱铺覆,同时还制备了具有剪口和褶皱结构的样条并进行了性能测试,证明由Fibersim得到的预浸料剪口优化方案不仅能够优化制件外观,而且能够提高制件的力学性能。

芳纶铺层夹层结构U型前缘固化变形计算与分析

以芳纶铺层U型前缘为研究对象,建立固化温度场模型和固化变形场模型,揭示其固化变形机理,探究夹芯材料、内蒙皮铺层顺序以及前缘结构对整体构件固化变形的影响规律。结果显示,高弹性模量的硬质泡沫可在固化压力下给予内蒙皮良好支撑,并降低芯材内部缺陷和固化变形。相较于芯材材料,内蒙皮铺层顺序和前缘结构对构件的固化变形具有显著影响。综合考虑构件的不对称性带来的固化后收口、扭转变形,采用[0/45/-45/0/0/0/45]内蒙皮铺层顺序可达到最小化固化变形。

机器人化复合材料自动铺层技术综述

碳纤维增强复合材料(Carbon fiber-reinforced composite,CFRC)因具有轻质高强、耐腐蚀、耐冲击等优越性能,在生产生活中的应用已越来越广泛,然而复材产品的生产制造仍是劳动密集性产业,主要依靠人工.机械臂自上世纪50年代进入工业生产中以来,极大提高了生产效率和质量,然而目前机械臂在复材产品制造中的应用是少见的,主要集中在机械臂形式的自动铺丝(Automated fiber placement,AFP)中.复材产品制造工艺繁琐,将复合材料铺放在模具上是复材产品制造过程中的一个重要环节,本文称之为“铺层”,使用机械臂完成复合材料自动铺层将是未来复材产品制造自动化、智能化发展的一个关键方向.本文将机械臂进行复合材料自动铺层操作分为两种主要形式:铺片和铺带(丝),通过案例调研和分析,归纳总结现有的设计理念和技术方法,提出未来发展趋势,以期对机械臂的应用和研究、复材产品的智能化制造和工业4.0的发展形成参考.

CFRP缠绕周向内波纹耐压壳铺层优化设计

[目的]为顺应深海潜航器耐压壳结构轻量化、高强度的发展趋势,提出碳纤维复合材料(CFRP)缠绕铝合金周向内波纹耐压壳的结构增强方法,并对其CFRP铺层方式进行优化设计分析。[方法]利用ABAQUS有限元仿真软件,通过改变CFRP铺层参数,根据复合材料层的层间应力分布情况,探究14层CFRP铺层下最佳缠绕角度,进而获得最佳铺层方式。并结合相关强度失效准则,对其强度进行校核。[结果]研究结果表明:CFRP增强周向内波纹耐压壳最优缠绕角度为40°,在铺层方式为(±40°2/±55°2/±70°2/90°2)时,层间应力分布较为均匀。该结构的强度满足实际使用需求,且其质量更轻。[结论]该结构可减轻深海耐压壳整体质量,推动深海耐压壳设计向轻量化方向发展。

碳/玻混杂纤维铺层顺序对其复合材料力学性能的影响

混杂纤维增强复合材料可通过混杂纤维的协调匹配产生协同混杂效应,从而提高复合材料在强度、刚度、性价比等方面的优势。为了研究碳纤维与玻璃纤维铺层顺序对复合材料力学性能的影响,制备5种不同铺层顺序的碳/玻混杂纤维增强复合材料,结合显微组织与拉伸断口分析了纤维铺层顺序对其强度、刚度、应力-应变曲线的影响规律。结果表明:铺层顺序对复合材料的力学性能影响显著,铺层间隔越均匀其增强效果越好,碳纤维或玻璃纤维集中分布于试样中间时均不利于复合材料性能的提升,碳纤维、玻璃纤维单层间隔时其抗拉强度比纯玻璃纤维增强复合材料提高了约60%,3层间隔时其强度略低于纯玻璃纤维增强复合材料;铺层间隔越均匀其层间开裂越集中且断口处纤维单丝拔出长度越大;碳纤维加入后复合材料的刚度大幅度提升,其应力-应曲线出现不同程度的波动,但铺层顺序对复合材料刚度影响甚微。

混杂纤维复合材料螺旋桨的铺层结构设计与模压成型工艺

为推动复合材料螺旋桨构件设计与成型工艺的一体化研究,发挥纤维混杂在高阻尼、高性能桨叶开发环节的助力作用,以小尺寸复合材料螺旋桨为对象,基于其叶片型面特点与几何特征,开展混杂纤维复合材料桨叶的选材与铺层设计等工作,确定了螺旋桨在碳纤维(CF)/芳纶纤维(KF)混杂方式下的两种铺层方案。借助ANSYS Workbench平台中的ACP模块,建立了与桨叶实际结构特征较为一致的复合材料各向异性有限元模型,并在仿真分析的指导下,使用预浸料的模压成型工艺制作了混杂纤维复合材料螺旋桨样件模型。通过静态加载试验和模态测试试验,对比了桨叶模型的静刚度和前三阶模态频率的测试结果与计算结果,这既验证了基于ANSYS ACP的复合材料螺旋桨建模方法的有效性,也验证了模压法制作混杂纤维复合材料桨叶样件的可行性。

铺层方式对VIHPS制备的GO-CF混杂增强复合材料弯曲性能的影响

本文首先采用真空浸渗热压工艺(VIHPS)制备了不同铺层方式的氧化石墨烯-碳纤维(GO-CF)混杂增强复合材料,并对该材料进行三点弯曲试验,再通过扫描电子显微镜(SEM)表征其微观断口形貌。然后使用Digmat软件的FE模块建立微-纳跨尺度的代表性体积单元(RVE)模型,将该模型导入ANSYS Workbench软件中进行三点弯曲仿真模拟。复合材料三点弯曲试验结果表明,随着沿试样宽度方向(Y向)纤维铺层的增加,复合材料的弯曲强度从433.2 MPa降低至12.7 MPa,弯曲模量从13.8 GPa降低至0.2 GPa,它们分别降低了97.07%和98.55%。最后通过对比试验与仿真结果发现,两种结果的变化趋势基本一致,且仿真结果与试验结果接近。复合材料在弯曲变形过程中,受到拉伸和压缩的共同作用,其中导致复合材料失效的方式主要包括基体开裂、界面脱粘和纤维断裂。

基于粒子群-细菌觅食混合优化算法的汽车碳纤维复合材料地板铺层设计

为提高白车身地板复合材料铺层优化设计的精度、效率及结构轻量化水平,提出了一种碳纤维复合材料地板铺层优化设计方法。首先建立了白车身有限元模型并验证了其有效性,然后通过力学性能测试获取了碳纤维复合材料的参数,并进行了地板铺层的概念设计和建模。接着,采用连续变量优化设计方法确定了地板的铺层厚度、铺块形状和铺层层数,并使用离散化圆整策略获得了各铺向角的离散铺层层数。优化结果表明,所提出的粒子群-细菌觅食混合优化(PSO-BFO)算法对地板质量、静态弯曲刚度和白车身轻量化系数的改善率分别为34.4%、6.0%和5.3%。

铺层参数对大展弦比复合材料机翼气动弹性的影响研究

采用偶极子格网法计算非定常气动力,利用P-K法计算颤振速度,对大展弦比复合材料机翼的颤振特性进行研究,重点探讨非均衡系数铺层、等厚度多角度铺层和同角度变厚度铺层对颤振速度和高亚音速凹坑现象的影响。研究表明:相比0°铺层角度,±45°铺层角度可以较大幅度提升颤振速度并减小凹坑的区域,获得更大的飞行马赫数和动稳定性;在低亚音速中,与非均衡铺层相比,均衡铺层的颤振速度更高,颤振速度对非均衡系数的影响并不显著;在高亚音速中,均衡铺层可以提升最低点的颤振速度,减小凹坑的深度,而非均衡铺层可以滞后最低点的颤振速度;铺层厚度的增加可以提高颤振速度,且二者呈线性关系,但随着铺层厚度的提升,固有频率降低。

水泥混凝土路面沥青加铺层病害分析及预防性养护技术研究

随着运营年限增长,水泥混凝土路面会出现不同程度的破损,工程中常采用加铺沥青面层的方式对破损水泥混凝土路面进行修补。依托某水泥混凝土路面沥青加铺层养护工程,对沥青加铺层常见病害及其成因进行分析,并对预防性养护技术在沥青加铺层中的应用进行研究。结果表明:反射裂缝与车辙是沥青加铺层中最常见的病害,采用裂缝填补及微表处技术能够很好地控制沥青加铺层病害发展。

高速公路沥青混凝土加铺层改造旧水泥混凝土路面应用探析

结合实际的高速公路工程,对公路旧路面改造中沥青加铺层的应用展开分析。研究结果表明,为保证沥青混凝土加铺层的改造效果,在水泥混凝土路面改造阶段,要对加铺层混合料的配合比合理设计,并且还要了解并掌握沥青加铺层的施工工艺,要确保质量达标。当加铺层施工完毕后,要及时施工应力吸收层,使改造后的路面具有良好的使用性能。

转向架用碳纤维复合材料起吊板铺层工艺设计与试验研究

文章以轨道交通车辆典型承载件起吊板作为研究对象,面对减重要求及制造成本的压力,提出一种碳纤维复合材料起吊板替代方案,从理论分析方法、成型工艺和试验验证等多方面进行了设计和改进优化,其中,为应对碳纤维复合材料平铺模压成型构件易开裂的问题,创新性地提出了0°环向缠绕与包覆铺设相结合的铺层工艺。对碳纤维复合材料起吊板进行无损检测和拉伸试验测试,最终结果显示,该起吊板完全满足承载要求,实现轻量化65%,抗拉伸性能明显增强。