孔槽泡沫夹芯复合材料真空辅助树脂传递工艺仿真与优化

本工作提出了孔槽泡沫夹芯复合材料的设计方案并针对真空辅助树脂传递(VARI)工艺进行了实验和仿真研究。首先,通过实验测得玻璃纤维织物和树脂的相关参数,利用Hagen-Poiseuill方程和达西定律算出孔洞和沟槽的等效渗透率;接着,利用PAM-RTM模拟孔槽泡沫夹芯复合材料的VARI工艺过程,并与实验结果进行对比;然后,使用PAM-RTM研究了芯材加工参数、树脂灌注方式和导流网铺敷区域对成型过程的影响,并选出了最优方案;最后,在此方案的基础上研究了树脂黏度与灌注时间的关系,并拟合得到了预测函数。结果表明:实验结果与仿真结果基本一致;最优灌注方案可显著缩短树脂填充时间并降低整体孔隙率;预测函数可准确预测灌注时间,对实际生产具有一定的指导意义。

阻燃改性环氧树脂的抗紫外老化研究

以阻燃改性环氧树脂为研究对象,添加不同配比的光稳定剂Tinuvin 770和抗氧剂Irganox 1010,研究紫外老化对材料性能的影响。对紫外老化前后材料的化学结构、表面形貌、力学性能、阻燃性能和热性能等进行测试分析,研究表明紫外线会破坏阻燃剂的结构,使得环氧树脂发生降解和氧化。两种助剂的加入使紫外老化后试样的力学性能保留率和阻燃性能得到提升,其中,只添加抗氧剂Irganox 1010的试样在老化28 d后性能表现最优异,拉伸、弯曲强度保留率从未添加助剂试样的80.37%、81.61%分别提升到100.10%、92.50%,极限氧指数(Limiting oxygen index, LOI)由34.4%提升到37.5%,老化后的试样也表现出更好的热稳定性。结果表明,添加抗氧剂Irganox 1010对提升阻燃改性环氧树脂的抗紫外老化效果最佳。

连续纤维增强热塑性复合材料热压成型工艺研究进展

连续纤维增强热塑性复合材料(CoFRTP)具有损伤容限高、成型周期短及可回收利用等优点,在航空航天及新能源汽车等领域能够规模化应用。热压成型工艺因其高效率、低成本的优势得到广泛的关注,但由于该工艺涉及成型参数多,以及成型过程中材料大变形、非线性、多相变等多场耦合的特点,所制构件易产生褶皱、纤维开裂及外形尺寸变形过大等质量缺陷,对构件力学性能的稳定及后期装配带来极大挑战。为克服传统试错法低效率、高成本的缺点,提高热压成型设计效率,本文重点对热压成型工艺及其相应有限元数值仿真方法进行综述。本文从CoFRTP应用现状及制造关键、热压成型工艺过程分析及研究现状和热压成型工艺仿真方法3个方面展开,最后对后续的研究工作进行展望。本文将为CoFRTP高效率和高质量成型提供理论指导,对相应的结构设计和工程应用起到推动作用。

单向增强热塑性复合材料热冲压成型仿真与优化

基于超高分子量聚乙烯纤维增强聚氨酯(UHMWPE/PUR)单向带预浸料对热冲压过程进行模拟仿真建模与工艺优化研究。首先对单向增强热塑性复合材料在热冲压过程中的力学行为进行描述,建立热-率相关的非正交次弹性本构面内剪切本构,同时考虑热相关的面内拉伸性能;使用ABAQUS进行半球热冲压成型模拟仿真;基于主曲率法,使用MATLAB对模拟结果的面外褶皱进行定性与定量评估;研究热冲压成型工艺中,三个主要参数(压边圈压强、预浸料初始温度与模具温度)与褶皱量的关系;以最小量面外褶皱为目标,使用响应面方法对热冲压模拟成型进行优化,确定压边圈压强、预浸料初始温度及模具温度的最佳工艺参数。结果表明:压边圈压强与预浸料初始温度对褶皱影响较大;响应面法能够较为准确地预测出最佳成型工艺参数。

风电叶片拉挤梁帽真空灌注成型工艺数值优化

采用数值仿真方法建立拉挤梁帽真空灌注成型工艺的优化流程,分析了工艺参数对成型效率和质量的影响。首先,实验测定纤维增强织物的渗透率、实际纤维体积分数和树脂的流变性。其次,采用收敛性分析方法对梁帽的数值模型进行优化,兼顾了仿真精度和效率。最后,研究了拉挤板排列间距和模腔内的残余空气压强对成型过程的影响。结果表明:仿真结果与全尺寸实验的偏差小于7%,拉挤板排列间距为0.3 mm时充模效率最高,残余空气压强小于4000 Pa时产品孔隙率小于2%,证明了数值优化方法的可行性和准确性。

复合材料液体模塑成型工艺中预成型体渗透率张量的数值预测

结合均匀化理论和计算流体动力学技术,实现了对复合材料液体模塑工艺中预成型体渗透率张量的预测。首先,采用均匀化理论分析了流体在多孔介质内的流动问题,推导出广义达西定律,证明以施加周期性边界条件的单胞为研究对象,可以预测预成型体的渗透率张量,并以单向纤维织物为例,对该方法进行了验证。对于复杂结构的预成型体,渗透率的预测分为两步,首先分别确定预成型体中流道和纤维束的渗透率,然后计算其整体宏观渗透率。对于二维平面织物,该方法与其他预测方法及实验的结果吻合较好。本文还考察了单胞的微观结构对渗透率的影响,微观结构相似的预成型体如果孔隙率相同,但束间流道的结构不同,其整体宏观渗透率也存在很大差别。

缠绕角对复合材料内压管强度的影响

基于Hoffman复合材料失效准则,考察了缠绕角对两端封闭的纤维缠绕复合材料内压管道(环向/轴向应力比为2∶1)强度的影响。分析表明,纤维缠绕角的变化对复合材料内压管强度的影响显著,不合理的缠绕角将明显增加成本。对该文考察的碳纤维/环氧、玻璃纤维/环氧、硼纤维/环氧复合材料而言,内压管最佳的缠绕角位于45°~55°的范围内。偏离该范围会导致管材失效的可能性大大提高。分析还表明,对于该类内压管材,其失效主要取决于垂直于纤维方向的强度和应力,因而可以对Hoffman准则予以简化。

基于高分子电热膜的风电叶片电热除冰功率密度计算模型

以融冰界面位移与相变传热理论为基础,考虑了玻璃纤维增强树脂复合材料层和冰层的升温蓄热、界面冰层融化相变潜热以及冰层与周围空气的对流传质、对流换热和辐射换热等影响,提出了一种基于高分子电热膜的电热除冰功率密度计算的数学模型。对特定除冰模型进行了功率密度的计算,并通过模拟特定环境下的实际除冰实验对计算结果的准确性进行了验证,计算结果与实验结果吻合较好。

复合材料液体模塑成型工艺渗透率的研究

本文结合均匀化理论和计算流体动力学技术,实现了复合材料液体模塑工艺中预成型体的渗透率张量的预测。首先,采用均匀化理论分析了流体在多孔介质内的流动问题,推导出广义达西定律,证明以施加周期性边界条件的单胞为研究对象,可以预测预成型体的渗透率张量,并以单向纤维织物为例,对该方法进行了验证。对于复杂结构的预成型体,渗透率的预测分为两步,首先分别确定预成型体中流道和纤维束的渗透率,然后计算其整体宏观渗透率。对于二维平面织物,该方法与其他预测方法及实验的结果吻合较好。本文还考察了单胞的微观结构对渗透率的影响,微观结构相似的预成型体如果孔隙率相同,但束间流道的结构不同,其整体宏观渗透率也存在很大差别。

苎麻/玻璃纤维混杂复合材料的老化研究及寿命预测

采用玻璃纤维布与苎麻纤维布混杂增强乙烯基树脂制备复合材料,结合船舶在服役环境下的实际情况,通过人工加速老化的方法,对苎麻纤维/玻璃纤维混杂复合材料进行水浸泡老化、盐雾老化和紫外老化实验,研究混杂复合材料的拉伸强度及弯曲强度等随老化时间、老化温度等的变化情况及性能退化趋势,并根据剩余强度模型对混杂复合材料进行寿命预测。研究表明,老化初期阶段试样吸湿趋势主要以浓度梯度推动的菲克扩散为主。老化环境不同,试样强度的衰减程度不同,水浸泡老化对试样影响最大,盐雾老化次之,紫外老化影响相对较少。根据剩余强度模型预测10年后盐雾试样弯曲强度保留率为78.0%,紫外老化弯曲试样强度保留率为81.89%。

溶胶-凝胶法制备紫外光固化聚氨酯丙烯酸酯／环氧丙烯酸酯／纳米二氧化硅杂化材料

以正硅酸乙酯(TEOS)制备SiO2溶胶,γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(KH-570)为硅烷偶联剂,通过溶胶-凝胶法制备聚氨酯丙烯酸酯/环氧丙烯酸酯/二氧化硅杂化材料。采用场发射扫描电镜(FESEM)以及热失重方法进行分析。结果表明,TEOS与(PUA+EA)质量比为0.4∶1时,树脂中二氧化硅颗粒粒径最小,大约在80 nm～100 nm,分散均匀,当配比达到0.6∶1时,二氧化硅出现团聚现象。杂化材料热失重温度达到350℃,热分解温度为143.8℃,比纯树脂体系提高了将近1倍。

紫外老化对玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料疲劳性能的影响

以玻璃纤维/环氧树脂复合材料为研究对象,研究紫外老化对复合材料疲劳性能的影响。利用扫描电镜、红外光谱和动态热力学分析对复合材料的微观形貌、化学结构和动态力学行为进行测试分析。研究表明:紫外线照射使环氧树脂发生了光氧老化降解,破坏了链段中的化学键,环氧树脂发生脱落,使树脂与纤维的结合变得薄弱,界面部分区域发生了脱粘。紫外老化28 d后,复合材料静拉伸强度下降了18%。拉-拉疲劳实验表明,紫外老化对复合材料低周疲劳的影响大于对高周疲劳的影响。紫外老化后复合材料的刚度退化速率和退化幅度均高于未老化试样,表明紫外老化使复合材料的疲劳性能下降。

电热元件-疏水涂层复合除冰系统的实验研究

针对当今风电叶片面临的电热除冰能耗巨大及疏水涂层除冰效果欠佳的问题,提出了一种结合电热元件除冰与疏水涂层除冰共同优势的复合除冰系统。借助涂层疏水性表征手段和冰层粘结强度测试实验,分析了疏水性对冰层剪切附着力的影响,最后通过特定环境下的除冰模拟实验对复合除冰系统的可行性与可靠性进行了评估。该除冰系统不但满足风电叶片的除冰要求,而且可降低除冰能耗,起到节能作用,可应用于降低冰脊对叶片造成的损害。

酚醛型氰酸酯树脂的固化反应

采用原位红外光谱法跟踪研究了酚醛型氰酸酯树脂的固化反应过程,获得了树脂固化反应过程中各基团的转化率与时间的关系,并对各固化阶段中基团的转化进行了分析,以指导酚醛型氰酸酯树脂的固化工艺制度的优化,最后确定其固化制度为120℃2h+150℃2h+180℃3h+200℃2h+250℃2h+300℃2h,实验证明该固化制度下树脂固化物力学性能与传统的酚醛树脂相当,且耐热性能更优异。

真空辅助成型工艺环氧树脂体系化学流变特性研究

通过实验研究了环氧树脂的化学流变特性,分别考察了双阿累尼乌斯黏度模型、工程黏度模型及联合黏度模型在真空辅助成型工艺专用环氧树脂(2511-1A)应用的有效性。通过比较分析发现,联合黏度模型更加准确地反映了该树脂的时间-温度-黏度的变化情况,进而预测了树脂的工艺时间窗口。根据时间-温度的变化关系,建立了非恒温下2511-1A环氧树脂体系的联合黏度模型,预测了在不同升温速率下黏度的变化,预测结果与实验结果较吻合,可进一步应用于热压工艺技术参数的选择。

不同铺层复合材料夹芯结构低速冲击与冲击后剩余强度研究

本文使用碳纤维平纹编织预浸料和单向预浸料以及巴沙木,制备了三种不同铺层结构的碳纤维夹芯板。选用5 J、15 J、25 J、35 J以及45 J的冲击能量,对这三种复合材料夹芯结构进行低速冲击及冲击后压缩试验,来研究不同面板铺层类型对夹芯板低速冲击性能以及冲击后剩余压缩强度的影响。结果表明,不同铺层结构的碳纤维夹芯板在受到低速冲击和冲击后压缩测试时的损伤失效形式不同,三种夹芯板的低速冲击损伤面积、凹坑深度、分层面积、冲击响应曲线以及冲击后压缩强度下降比例均有较大的差异。在这三种铺层方式中,碳纤维单向预浸料准各向同性铺层的试样表现出较高的抗冲击载荷能力。

均一波纹单向复合材料板的力学性能研究

基于有限元分析方法,针对复合材料在风电叶片制造过程中可能出现的缺陷——纤维波纹,建立了一种有限元微观模型预测单向均一波纹板的力学性能。在ANSYS软件中,采用参数化建模方法,建立正弦曲线状波纹的单胞模型,即代表性体积元(RVE)。采用均匀化方法,建立周期性边界条件,求出不同的加载条件下平均应力与应变关系,进而得到等效刚度。此外,对轴向压缩载荷下纤维基体局部应力进行了数值模拟和计算。结果表明,波纹比对复合材料刚度影响较大,特别是纵向杨氏模量损失严重,正应力和层间应力在沿波纹方向发生了显著变化。

氙灯加速老化对聚酯纤维/PVC柔性复合材料力学性能影响的研究

聚酯纤维/PVC柔性复合材料由于多用于户外,易受阳光照射而老化,从而影响材料的力学性能。通过模拟大气环境较好的氙灯耐气候试验箱,考察了氙灯加速老化对聚酯纤维/PVC柔性复合材料顶破性能和撕裂性能的影响。采用CRT材料试验机,研究了聚酯纤维/PVC柔性复合材料的顶破性能和撕裂性能的变化,并比较了两种不同撕裂模式的破坏机理;采用FTIR研究了PVC涂层吸收峰和峰强的变化;采用SEM研究老化前后涂层表面的微观形貌。研究表明:氙灯人工气候老化下,聚酯纤维/PVC柔性复合材料的老化机理主要是羰基化合物和共轭双键的形成;柔性复合材料撕裂性能下降明显;不同撕裂模式对评价柔性复合材料差异较大。

复合材料螺栓连接渐近失效分析

为了研究预紧力和摩擦系数对复合材料螺栓连接强度的混合影响及其机理,使用ANSYS软件建立了复合材料层合板单钉连接的三维有限元模型。采用渗透接触法来模拟螺栓的预紧力,考虑各组件之间的接触摩擦和结构二次弯曲的影响,使用改进后的三维Hashin失效准则和Camanho退化模型,对复合材料单钉连接进行渐进失效分析。数值模拟结果与文献中的实验结果吻合良好。分析结果表明,增大接触面的摩擦系数和施加合适的预紧力均能提高接头强度。摩擦系数小时,通过增加预紧力来提高接头强度的效果不明显,反而使复合材料容易发生基体开裂。在施加预紧力的同时应综合考虑摩擦系数的大小。

风电叶片预埋型螺栓连接性能研究

建立了风电叶片预埋螺栓套螺栓连接模型,通过有限元软件ANSYS研究预埋螺栓套连接螺栓在受拉、受压和不同大小预紧力等工况下的受力形式及其对螺栓连接性能、载荷系数和疲劳寿命的影响。结果表明:在外载为拉力的情况下,当外载荷小于临界载荷时,螺栓载荷随外载荷线性增加,螺栓系数为定值;当外载荷大于临界载荷时,螺栓载荷系数迅速增高,大大降低螺栓的使用寿命;在外载为压力的情况下,螺栓载荷系数为定值;在满足螺栓使用标准的情况下,预紧力越大,螺栓载荷系数越小,螺栓使用寿命越长。