纬向V形机织间隔复合材料压缩性能有限元分析

探究了纬向V形机织间隔复合材料在平压和侧压载荷下的失效机制及破坏模式。采用ABAQUS软件建立复合材料多尺度单胞模型,并设置周期性边界条件。针对纤维束进行弹性性能分析,预测宏观材料弹性常数。利用Fortran语言对UMAT子程序进行二次开发,引入三维Hashin损伤判据和Camanho刚度退化方案,实现对纬向V形三维机织间隔复合材料的渐进损伤分析。结果表明,模拟结果与试验结果相符。在平压载荷作用下,弯曲振幅较大的V形绒经组先发生断裂,振幅小的绒经组后断裂,出现二次峰值载荷。绒经与纬纱交织处和绒经屈曲处出现应力集中,断裂位置集中在绒经屈曲最大处和与面板衔接处,面板无明显破损;在侧压载荷作用下,树脂面板与树脂内纱线为承力主体,面层纬纱承压较大,而间隔层绒经承压较小。断裂主要发生在两排V形绒经之间,失效模式为树脂渐进式破损、纤维脱黏与纱线断裂。

航天器复合材料桁架连接增强方法与验证

大型航天器主承载复合材料桁架局部承受过大的轴向拉伸载荷时,存在接头与杆件拉脱破坏的风险。基于胶接桁架碳纤维分层破坏机理,提出了外套管增强胶接、锥面配合增强胶接和组合增强胶接3种连接增强方案,通过优化传力路径达到降低层间应力的目的。针对3种连接增强方案,投产了相应的试件开展性能测试。经试验验证,胶接增强设计方法能够有效提高承载能力33%~66%,极限拉脱力达到200 kN,可为大型航天器主承载桁架研制提供参考。

超声振动辅助磨削CFRP复合材料薄管撕裂损伤研究

针对碳纤维增强复合材料(CFRP)薄管超声振动辅助磨削过程中存在撕裂损伤且形成原因不明确的问题,通过对M55J和T300复合材料薄管开展超声振动辅助磨削试验,探究了超声振幅、进给量及主轴转速对磨削力和撕裂尺寸的影响规律,通过对磨削过程的受力分析和对最大未变形切屑厚度的计算,分析了撕裂位置的形成原因和撕裂尺寸的变化规律。结果表明:磨削力随超声振幅的增大而减小,随进给量的增大而增大,与主轴转速的关联性较小;撕裂易出现于CFRP薄管内壁,其长度与高度随超声振幅的增大而减小,随进给量的增大而增大,随主轴转速的增大而减小。

碳纤维复合材料天线框架竖直状态加工工艺研究

天线阵面的平面度是与天线性能相关的最重要的技术指标,为了达到安装要求,介绍了碳纤维复合材料天线框架的结构特点、使用要求和制造技术难点,研究并分析了重力对框架平面度及其稳定性的影响,提出了竖直状态补偿、平放状态加工的机加工方案,进行了天线框架消除重力影响状态下加工的验证试验。试验结果表明,按此方案加工的天线框架在竖直悬挂状态下的有源安装面和波导安装面平面度均达标,满足天线框架地面展开试验及在轨失重状态下的使用要求。

型面检测修整技术在高精度复合材料反射面加工中的应用

为满足宇航等领域对探测技术的发展要求,研究采用型面检测修整技术实现复合材料反射面的高精度加工。针对型面检测修整技术的技术特点进行原理分析,研究满足复合材料高精度加工要求的技术参数和工艺路径。探究了压强、转速和进给速度等加工参数对不同型面去除效率以及去除稳定性的影响,并提出了相应解决方案。在已有型面精度数据及云图分布基础上,开展截取误差云图法进行碳纤维复合材料磨削加工,经过多次迭代,使反射面型面精度RMS由初始状态的33.4μm收敛到2.9μm。实现了全碳纤维复合材料反射面的高效高精度加工。

卫星桁架复合材料多连通接头性能的测试与分析

以典型的卫星桁架结构接头为研究对象,利用三维或二维半编织技术和三维有限元分析技术,对碳纤维增强复合材料接头进行了结构设计、试验测试和数值分析。同时对用特殊编织技术制成的复合材料接头进行了拉伸、压缩和弯曲试验,并对实验结果进行有限元分析和处理。结果显示,接头的断裂强度为400 MPa,理论预测断裂位置与试验结果吻合。卫星天线桁架接头用复合材料代替某些航天航空材料是可行的。

我国复合材料风机叶片的几种制造工艺与发展前景

本文综合叙述了复合材料风机叶片的优势与发展前景,重点介绍了复合材料叶片的几种生产工艺方法和关键制造技术。

TDE-85环氧/碳纤维复合材料热老化试验研究

采用动态热分析仪对TDE-85环氧/碳纤维复合材料进行测试,并在探索试验基础上,开展了一系列温度的热老化试验,选择弯曲强度作为TDE-85环氧/碳纤维材料的贮存寿命评定指标,通过对热老化试验后样品弯曲强度数据的统计分析,预测了其贮存寿命。

含紧固穿透分层复合材料层板的疲劳扩展

对含预置穿透分层复合材料层板开展压缩强度和压缩疲劳试验,获得结构的极限载荷,并研究层板的分层扩展特性。基于ABAQUS软件建立含穿透分层复合材料层板有限元模型,通过VCCT计算能量释放率,采用B-K准则来模拟层间分层的扩展。引入VUMAT子程序,采用改进的Hashin准则判断单元损伤;基于累积损伤理论和剩余强度理论,弱化材料性能,对含穿透分层和含紧固穿透分层复合材料层板的疲劳力学行为进行分析,讨论了紧固件等参数对层板分层扩展的影响。

织物/聚脲柔性复合材料抗爆性能研究进展

织物/聚脲柔性复合材料因轻质和优异的防爆性能而成为个体及公共建筑材料防爆领域的关键材料。本文阐述了爆炸载荷的传播机制及破坏机理,探讨了爆炸冲击载荷下织物/聚脲柔性复合材料的作用机制及吸能方式,总结了织物增强体和聚脲分别对防爆复合材料性能的影响;同时,在现有研究基础上指出了目前存在的问题并提出建议,为今后新型轻质高强织物/聚脲柔性复合材料的研究提供参考依据及前沿思路。

织物/聚脲柔性复合材料抗破片侵彻行为

以芳纶/UHMWPE织物增强聚脲柔性复合材料为研究对象,采用1.1 g柱状楔形破碎片对纯织物材料和喷涂聚脲的柔性复合材料分别进行破片侵彻试验,获取弹道极限速度。在此基础上,采用显微镜采集柔性材料的表面及内部损伤特征,分析弹道侵彻破坏作用机理。结果发现,与纯织物柔性材料相比,织物增强聚脲柔性复合材料的弹道极限速度V_(50)提升了30 m/s。同时,在更高侵彻速度的情况下,弹孔处损伤明显要小很多,说明聚脲喷涂能够有效降低破片对柔性材料的损伤。

大厚度船用复合材料螺旋桨桨叶设计与成型工艺

为开展大厚度船用复合材料螺旋桨桨叶设计与成型工艺的研究,结合复合材料成型工艺经验,以桨叶几何型值的确定作为设计和研究切入点,对船用复合材料螺旋桨桨叶进行原材料选择以及复合材料桨叶的结构与铺层设计等工作,得到了满足强度要求的桨叶设计方案。在此基础上,提出1种大厚度复合材料螺旋桨桨叶的制备方案,为大直径和大厚度船用复合材料螺旋桨的成型工艺提供了参考。

配合精度对复合材料单钉双剪螺栓连接静强度的影响

为研究不同配合精度(间隙配合及干涉配合)对复合材料单钉双剪螺栓连接静强度的影响,基于ABAQUS软件建立了三维渐进损伤有限元分析模型,并将分析结果与实验结果进行比较验证模型的有效性。结果表明,间隙的增加会导致接头挤压强度及刚度的降低,但在0%~2%间隙范围内极限挤压强度变化不大。间隙配合下螺栓-孔接触面积的减小引发应力集中,致使孔边出现损伤区域集中。适当的干涉配合能增强接头刚度及挤压强度;适当的干涉量能降低孔边应力集中,但过大的干涉量会导致孔周出现严重的初始损伤。

碳纤维增强热塑性复合材料感应焊接的温度控制及接头强度

随着热塑性复合材料在航空领域的用量日益增加,如何解决结构复杂热塑性航空部件的连接问题引起了研究者的广泛关注。利用其可二次成型的特点可采用焊接,感应焊接是其中一种快捷、可靠的连接方式。感应焊接工艺过程稳定,可实现连续化焊接,是一种人为因素介入较少、小(焊接装置小)、快(焊接速度快)、灵活的焊接技术,也被视为热塑性复合材料连接技术未来最重要的发展方向。本文采用热电偶测温研究了连续碳纤维增强聚苯硫醚(CF/PPS)焊接试样厚度方向上温度分布及温度随时间的变化规律,确定了不同功率下焊接试样可焊的最长时间。采用定点焊接的方式研究了焊接功率及时间对单搭接剪切强度的影响,并探索了不同植入层用于CF/PPS热塑性复合材料感应焊接的可行性。

天线反射器复合材料轻量化研究

采用树脂基复合材料代替铝合金材料研制反射器满足天线反射器减重要求,并建立反射器3D模型,通过有限元软件分别对铝合金以及复合材料反射器的模态进行分析。结果表明:在保持相同体积的条件下,复合材料反射器基频比铝合金反射器高出35.23%,减轻41.2%;为了保证星载反射器在服役环境中的精度,对两种材料反射器在-180^+80℃的热变形进行仿真。结果显示:采用[0/45/-45/90]2S铺层设计的反射器热变形量比铝合金反射器低94.25%;采用模压工艺研制的复合材料反射器型面精度为0.027 mm,满足使用要求,并且在服役环境下,复合材料型面精度稳定性优于铝合金反射器。

高导热沥青基碳纤维/环氧树脂复合材料的制备及导热性能研究

利用液相浸渍/排布-铺层-热压制备工艺制备了高导热沥青基碳纤维/环氧树脂复合材料。研究了沥青基碳纤维种类、碳纤维排布方向、温度变化对碳纤维/环氧复合材料导热性能的影响。结果表明,制备的山西煤化所沥青基碳纤维/环氧复合材料的导热系数达到了322 W/(m·K),远高于常规碳纤维复合材料的导热系数。另外,碳纤维复合材料纤维轴向的导热系数远远高于垂直于纤维轴向的导热系数。温度对碳纤维复合材料也有一定的影响。研究结果将为碳纤维复合材料的制备和应用提供借鉴。

不同工艺参数和界面改性对碳纤维增强聚苯硫醚复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的影响

本文研究了不同工艺参数(温度、压力、降温速率)和界面改性对碳纤维增强聚苯硫醚(CF/PPS)航空热塑性复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的影响。试验发现较高成型温度(340℃)、较快降温速率(32℃/min)和经过界面改性的CF/PPS复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性(G_(IC))更高。这是因为较高的温度有利于聚苯硫醚(PPS)分子链发生缠结;较快的降温速率抑制了PPS结晶,使基体韧性更好。利用课题组自制的上浆剂对碳纤维(CF)进行改性,发现经过界面改性的CF/PPS复合材料界面相互作用加强,强界面性能有利于应力和能量传递,因此G_(IC)值较未改性的CF/PPS复合材料更高。成型压力对CF/PPS复合材料的G_(IC)影响不明显,较高的成型压力反而会导致树脂对纤维的浸渍减弱,大量树脂从模具边缘间隙溢出,不利于复合材料韧性的提高。

超低温用碳纤维增强树脂基复合材料的性能研究

根据低温液氧贮箱的缠绕工艺与特殊使用环境要求,分别针对3种自制的环氧树脂体系进行系统的工艺特性与低温抗裂纹性能研究。在此基础上以T700纤维复合材料为研究对象,详细考察其在超低温和高低温循环条件下的力学性能稳定性,并对其液氧相容性进行测试。最终以小型碳纤维复合材料筒体进行综合性能验证。研究结果表明,SFC-3环氧树脂具有较好的缠绕工艺特性,且在超低温和高低温交变条件下具有优异的抗裂纹特性。T700/SFC-3环氧复合材料分别经过高低温交变和超低温处理后,拉伸性能保留率在92%以上,且该复合材料具有良好的液氧相容性。T700/SFC-3环氧树脂复合材料筒体具有极好的耐高低温稳定性和气密性。

卫星贮箱安装板复合材料蒙皮热应力工艺设计优化

基于有限元分析方法,对热压罐成型卫星贮箱安装板复合材料蒙皮热应力工艺设计方案进行仿真分析,研究了预浸料铺层区域、均压板结构、固化温度等工艺参数对蒙皮热应力的影响。结果表明,在均压板开孔结构不变,当预浸料铺层方法从整体铺层转变为开孔铺层,最大压缩热应力为-393.7MPa,增加了3.8%;最大拉伸热应力为87.9MPa,降低了62.9%。保持均压板开孔结构-预浸料开孔铺层不变,当固化最高温度从180℃降低到120℃,最大压缩热应力为-250.5MPa,最大拉伸热应力为55.9MPa,最大压缩应力和拉伸应力均降低了36.3%。降低固化温度显著降低热应力,并通过实验验证了分析结果。

复合材料力矩陀螺支架结构优化及仿真

为了提高力矩陀螺支架结构效率,以结构基频/质量比(ω/m)作为优化目标值,对力矩陀螺支架结构进行了动力学分析。利用有限元软件建模计算,得到复合材料制造的力矩陀螺支架质量为7.32 kg,基频为255.06 Hz,ω/m为34.83 Hz/kg。为了发挥复合材料的性能优势,对力矩陀螺支架通过几何结构进行优化设计。结果表明:本体厚度增加1 mm,ω/m降低4.2%;通过均布T型加强筋增强,ω/m可提高39.21%。基于T型加强筋增强结构,对复合材料铺层进行优化设计。结果表明:准各向同性铺层具有更高的结构效率,ω/m为48.49 Hz/kg;考虑复合材料整体成型工艺性,采用[-144/-72/0/+72/+144]ns结构适应性铺层设计得到的ω/m为47.79 Hz/kg。