计及层内和层间的L形层合板失效的数值研究

民用复合材料飞机中,L形层合板是最常见也是最关键的元件,研究其失效机制对飞机结构安全至关重要。层内基体裂纹扩展和层间分层失效是L形复合材料层合板最关键的两种失效机制,这两种失效机制可能同时发生并且存在耦合作用。本文提出两套数值分析模型,用于描述L形复合材料层合板的失效过程。模型Ⅰ在L形板的弧形区域层间布置零厚度内聚力单元用于模拟分层,同时在90°层内铺设径向零厚度内聚力单元用于模拟基体裂纹。模型Ⅱ采用XFEM方法模拟基体裂纹的萌生和扩展,采用内聚力行为方法模拟分层。通过与试验进行对比,验证了本文方法的可行性。同时,对两套模型在失效模式和关键载荷预测等方面的能力和优缺点进行评价。结果表明,两套模型都能描述基体裂纹和分层的扩展及二者的耦合作用。模拟分析所得到的失效模式与试验结果一致,同时预测的初始失效载荷和最大失效载荷也与试验结果吻合良好。

硅氧烷改性环氧树脂对铝基复合材料制动盘配套闸片摩擦系数的影响

以端羟基聚二甲基硅氧烷(HTPDMS)与环氧树脂(EP)为原料,合成了硅氧烷改性环氧树脂(ES),用其与热固性酚醛(PF)共混(PF/ES)作为黏结剂,与PF、PF与EP共混物(PF/EP)进行比较,研究其耐温性和韧性。并制备了匹配铝基复合材料(AMMC)制动盘的闸片材料,探讨了多种压力和转速条件下黏结剂对刹车片摩擦性能的影响。结果表明,引入HTPDMS提高了EP的耐温性,与PF共混后700℃以上残留物质量较PF提高181.1%;PF/ES具有较高的韧性,其冲击强度较PF和PF/EP分别提高467.1%、270.4%;采用PF/ES制备的闸片在停车制动和高温制动中摩擦系数(COF)稳定、大小适宜、不伤盘;共聚焦显微镜下观察在停车制动阶段出现了不连续的转移膜,主要的磨损形式为黏着磨损、疲劳磨损,高温制动时PF/ES制备的闸片表面存在碳化膜,主要磨损形式为磨粒磨损和氧化磨损。

乳酸菌对果蔬产品的抑菌机理及应用

随着人们对健康饮食的日益重视,果蔬产品作为重要的营养来源备受关注。然而,果蔬的保藏一直是个难题,传统的果蔬保鲜剂往往依赖于化学物质,其在提高保鲜效果的同时却也带来了潜在的风险和不良影响,因此在果蔬生产和分销链中开发绿色有效的抗菌剂成为研究热点。近年来,利用乳酸菌来延缓果蔬腐败进程已引起研究人员的极大兴趣。乳酸菌可以减缓果蔬腐败,且没有重大不良反应,其作为果蔬防腐剂的应用潜力巨大。然而,乳酸菌的抑菌机理不明确,而且获得监管机构批准并可广泛用于商业用途的乳酸菌或其代谢产物数量仍然很少,导致其在果蔬保鲜贮藏中的应用还不够广泛。本文综述乳酸菌的抑菌机理、应用现状以及在抑制腐败菌方面的优势和局限性,总结近年有关乳酸菌作为果蔬产品抑菌剂的研究进展,并对乳酸菌的发展进行展望,为乳酸菌在果蔬保鲜中的应用提供理论依据。

垫衬补偿对含翘曲间隙L型层合板力学性能的影响研究

复合材料结构整体化制造中极易产生由固化变形引起的局部翘曲,该翘曲会显著削弱螺栓装配下复合材料结构的承载能力。通过试验和数值分析开展了垫衬补偿对含翘曲间隙L型层合板极限载荷恢复效率以及失效行为的影响研究。通过微观CT表征了含翘曲间隙L型层合板在螺栓装配后的损伤分布特征,并测试了其极限承载能力;对比分析了垫衬补偿对螺栓装配后含翘曲间隙L型层合板损伤和极限承载能力的影响;并借助数值分析手段定量地研究垫衬补偿对含翘曲间隙L型层合板承载能力恢复的影响机制。结果表明:紧固强制消除翘曲间隙会在螺栓装配区域和拐角处出现一定程度的分层损伤,其中拐角区域的分层损伤可能是促使加载过程分层快速扩展,并导致极限承载能力大幅下降的主要原因;垫衬补偿技术极大的减小了装配损伤的出现,尤其是避免了拐角区域分层损伤的快速扩展,有效提高含翘曲间隙复合材料结构的极限承载能力。

硅磷双改性环氧树脂的合成及阻燃性能

磷改性环氧的极限氧指数高但会降低力学性能且抑烟效果不明显,硅改性环氧具有增韧和耐温的特性但其极限氧指数偏低。为了满足工程应用对环氧树脂防火安全性和力学性能的要求,采用硅磷协同阻燃改性得到综合性能优异的树脂。文中用聚苯基丙基硅氧烷(Z-6018)和10-(2,5-二羟基苯基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO-HQ)作为载体,通过化学接枝将硅磷元素引入到环氧树脂中,制得硅改性环氧树脂(B-30)、磷改性环氧树脂(P-27)和硅磷双改性环氧树脂(B-P),并通过红外光谱确认化学结构。通过拉伸试验、热失重、极限氧指数、锥形量热、扫描电镜和X射线光电子能谱等方法研究了树脂的力学性能、阻燃性能、阻燃机制和抑烟机制。B-P的拉伸强度为75.0 MPa,较E-51,P-27和B-30分别提升15.4%,67.7%和44.2%。而与E-51相比,P-27和B-30拉伸强度降低,这体现了“脆”和“韧”共混时的强度协同作用。通过阻燃性能测试可知B-P各自继承了B-30显著的抑烟性和P-27较高的LOI,对点燃和播焰性没有协同作用。B-P燃烧后残留硅磷元素量显著大于单独改性树脂,且残留物外观综合了硅磷单独改性的特征,形成了一种致密坚硬微观复合结构,体现了成份和结构的协同作用。

民机机轮收起着陆坠撞载荷计算

机轮收起着陆(Wheels-UP Landing)坠撞载荷是飞机结构强度设计的重要部分,对飞机适航认证安全性有重要意义。通过对适航认证条款的解读,结合国外大型民用客机的设计和适航认证的经验,建立了满足机轮收起着陆坠撞载荷适航认证符合性的三种分析计算模型和方法;采用分段模型和方法,以国外某民机为例,完成机轮收起着陆坠撞载荷的计算和分析。结果表明:本文给出的模型和方法能够成功地得到机身、机翼、平尾、垂尾等关键站位的弯矩、剪力、扭矩的瞬态载荷响应。根据该瞬态响应绘制的载荷包线能够有效地应用于飞机适航认证评估。文中建立的模型和方法能为国产大型民用客机的机轮收起着陆坠撞载荷计算提供参考。

基于HVS感知模型与数据压缩的可逆图像水印算法

提出了一种基于人类视觉系统(HVS)感知模型和数据压缩技术可逆图像水印算法。算法首先将原始图像进行分块,每块进行DCT变换,利用JND模型对变换域系数进行处理,得到每个像素最大可提取的有效位并提取。将提取出的有效位串进行压缩,得到压缩位串,将水印信息与压缩位串连接在一起嵌入原始图像,同时记录边信息,包括每个像素点的最大可提取有效位数目以及嵌入位置,提取时可据此边信息完全恢复原始图像,并得到水印信息。容量的大小取决于所使用的压缩算法,使用游程编码进行压缩。同时,运用人类视觉系统的感知模型,保证了嵌入水印后的图像的视觉质量。

拉伸载荷下开孔层合板的纤维铺放轨迹研究

采用自动铺放技术可实现纤维增强复合材料层合板内纤维铺设角度的连续变化。通过最小应变能密度和最大Tsai-Wu强度比,从理论上针对开孔变刚度层合板进行优化,提出了以主应力法、网格化法、化曲为直法三法结合,先以各项同性板为模型,确定主应力轨迹,再把复杂连续的曲线铺放路径离散为若干直线段,确定铺放角度,使纤维沿主应力分布状态设计而成的变刚度曲线铺放层合板在有限元分析软件中得以实现。根据开孔层合板单轴拉伸的仿真对比试验,表明了按主应力设计法生成的曲线铺放层合板比直线铺放有更优异的力学性能,最大第一主应力减少了37.6%,平均应变能密度减少了8.19%,Tsai-Wu强度比即安全裕度提高42%。

金属内衬碳纤维全缠绕气瓶的有限元分析

本文通过有限元的分析方法,对具有铝合金内衬的碳纤维全缠绕复合材料气瓶的结构进行了剖析,建立了较为合理的复合材料气瓶有限元模型,对气瓶模型的基本建模分析过程进行了阐述和研究。采用ANSYS参数化编程语言(APDL)对复合材料气瓶进行参数化建模,参考美国制定的DOT-CFFC标准《铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶的基本要求》,对公称工作压力、试验压力和最小爆破压力下的碳纤维缠绕铺层和铝合金内衬的各向应力分布进行了数值模拟和计算,并预测了复合材料气瓶的实际爆破压强。

钛内衬复合材料环形气瓶结构设计与优化

根据微分几何,推导环形气瓶测地线缠绕轨迹以及缠绕角应满足的稳定缠绕条件,并针对不同切点数进行线型轨迹仿真。基于有限元分析,针对钛合金内衬环形气瓶的初始缠绕角及缠绕层数进行优化设计,并评估对比有、无环向补强层的环形气瓶承载能力。结果表明:本文设计的测地线轨迹精确可靠,很好地满足环形气瓶的缠绕工艺性。优化设计的缠绕参数既满足工艺可缠性,又能提高环形气瓶的结构性能。此外,有环向补强层的气瓶爆破强度提高了14%,钛合金内衬屈服强度提高了24.8%。因此,采用环向补强层有利于进一步提高环形气瓶的承载性能。水压实验结果表明本文设计方法预测的变形和爆破压力与实验值吻合良好。

聚硅氧烷改性环氧/酚醛共混物热氧降解残留物的结构及组分演变

硅氧烷改性环氧/酚醛共混体系具有良好耐热性及韧性,研究其受热后结构及组分变化对于拓宽酚醛高温领域应用具有重要意义。以端羟基聚二甲基硅氧烷(HTPDMS)与环氧树脂缩合制得改性环氧(ES),再与酚醛共混改性获得聚硅氧烷改性环氧/酚醛共混物(ES/PF)。通过综合热分析(TGA-DSC)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电镜附加能谱仪(SEM-EDS)、X射线光电子能谱(XPS)等手段研究了ES/PF的热性能和热氧降解残留物的化学结构及组分。热分析结果表明,与纯酚醛相比,ES/PF在空气中800℃残余率提高438%,且最大放热速率从21.98 m W/mg降至14.93 mW/mg,N2中残余率降低了14.3%;结合红外分析,ES/PF在430~600℃时热解形成Si-Ox杂化结构对形成炭层起稳定作用,可提高残碳率;XPS及EDS揭示硅元素在高温下赋存形态发生明显变化,430℃及以上大多转为SiO和SiO·nHO。以上结果说明热氧条件下硅元素提高酚醛残炭量对酚醛热稳定性有积极影响,N2条件下硅元素的上述有益影响受到一定程度抑制;这可能与硅氧烷基团热解具有吸氧机制有关;ES/PF的热解残留物结构及组分有利于提高材料的高温残余强度和耐烧蚀性能。

复合材料拐角的抗冲击性能实验研究

由于树脂基复合材料层合板对冲击作用比较敏感,因此,在使用过程中受到低能冲击时,极易产生不可见损伤,造成复合材料在强度和刚度上的损失,严重威胁结构的安全使用性。本文借助四点弯曲实验分别对五种不同铺层的乙烯基树脂/玻纤复合材料拐角在不同能量冲击后的弯曲刚度衰减进行了测试,讨论了不同铺层和冲击能量对复合材料拐角抗冲性能的影响。研究结果表明,随着冲击能量的增加,冲击损伤越明显,剩余弯曲刚度越低,各种铺层冲击破坏面积与刚度下降呈现基本一致的趋势;相邻铺层的铺层角相差越小,复合材料拐角的弯曲刚度越大,冲击后弯曲刚度损耗越小,[45°/0°/-45°/90°]铺层的冲击后刚度损失率最低,正交铺层的试样组抗冲击性能最差。

缺陷对风电叶片螺栓连接性能影响研究

针对分段式风电叶片中的预埋螺栓套螺栓连接构型,考虑几何非线性和接触非线性,采用有限元方法分析螺栓连接部位的轴向应力分布,同时研究法兰结构、法兰缺陷以及螺栓套伸出长度对螺栓连接载荷系数以及螺栓疲劳寿命的影响。结果表明:法兰表面微小斜度或螺栓套伸出微小长度均会导致载荷系数迅速升高,进而大大降低螺栓的疲劳寿命;法兰缺口对螺栓连接载荷系数的影响分为2个阶段,当缺口面积不超过法兰两侧边界时,载荷系数由0.205缓慢增加到0.224,当超过两侧边界,载荷系数由0.224迅速增大到0.308。

玻璃纤维/树脂基复合材料性能参数的确定及影响因素研究

与传统金属材料不同,玻璃纤维/树脂基复合材料的结构性能参数离散度较大,直接选用结构测试的平均值作为计算参数的可靠度不高。因此,复合材料结构特性研究在设计中的应用越来越重要,设计时必须使用经统计处理后的强度性能。本文概述了复合材料A/B基准值的计算方法,比较了两种方法计算复合材料A/B基准值的精确度;分析了玻璃纤维/树脂基复合材料结构性能参数的影响因素。结果表明,随着样本容量的增大,复合材料A/B基准值的准确度越高,采用正态分布比采用Weibull分布更容易获得较高的B基准值。样本离散性越大,B基准值保持率越小。

大张力缠绕碳纤维复合材料高速飞轮转子研究

碳纤维复合材料由于其较高的比强度、比刚度以及不产生高频涡流损耗等特点,日益广泛地被用来制造高速飞轮转子护套。另外,大张力缠绕相比压装等工艺更适用于施加碳纤维复合材料层与金属轮毂间的过盈配合。研究了大张力缠绕复合材料飞轮转子护套的设计与成型工艺,建立了复合材料护套的三维有限元模型,采用温差法模拟纤维缠绕张力,采用单元生死法模拟逐层缠绕及固化过程。在30000 RPM的转速及不同工作温度下,分析了缠绕张力及轮毂和转轴间过盈量对转子各材料界面处压应力的影响规律。此外,采用大张力缠绕工艺制备了高速飞轮转子碳纤维护套样件,测试了样件护套对金属轮毂的径向压应力以及轮毂径向应变。结果表明,基于仿真模型的计算值与样件测试值吻合良好,获得了飞轮转子的最佳几何外形和制备工艺参数,使转子的最大工作外缘线速度达697 m/s,最大储能密度为44.5 Wh/kg。研究成果对复合材料高速飞轮转子护套的设计与制造具有重要的意义。

复合材料球形气瓶非测地线缠绕线型设计和强度分析

碳纤维复合材料球形气瓶因其较高的比强度、比刚度和抗疲劳性,被广泛应用于航空航天及民用工业领域。基于微分几何理论,推导出满足球形气瓶缠绕基本原理的落纱点轨迹方程,给出缠绕线型轨迹和缠绕角应该满足的稳定缠绕条件,并对缠绕轨迹进行仿真。考虑球壳的变曲率特点,针对球形气瓶缠绕层进行变厚度、变角度的精细化有限元建模,对工作压力下的气瓶内衬和缠绕层各向应力分布进行数值模拟和分析,并预测了气瓶的爆破压强。结果表明,优化设计得到的缠绕线型参数既能满足缠绕工艺的基本要求,又有效提高了球形气瓶的结构力学性能。研究成果对复合材料球形压力容器的设计制造具有重要的意义。

纤维缠绕复合材料方管设计研究

作为典型非轴对称回转体构件,复合材料方管在缠绕过程中要求满足稳定缠绕和均匀布满两个工艺条件。基于解析几何,分析方管缠绕丝嘴与芯模的空间关系,推导丝嘴运动轨迹方程,提出基于不滑线理论的方管小角度测地线缠绕设计方法;建立方管测地线周期缠绕理论,分析从不同起始点缠绕的实际误差;设计方管缠绕线型,并应用于实际缠绕,得到其小角度缠绕的一般绕线方程。结果表明,本文提出的方管小角度测地线缠绕理论正确,线型设计方法可靠,得到的丝嘴运动方程合理、精确,能很好地满足复合材料方管缠绕的基本原理和工艺要求。

一种实时监测环氧树脂固化过程中化学收缩的方法

树脂固化过程中的化学收缩会使复合材料产生缺陷,而这些缺陷会极大降低复合材料的性能。本文在选用传统毛细管膨胀计的基础上通过添加一个对照瓶以及选用PE袋的做法,找到了一种快捷、高效、高精度、高适用性的化学收缩测试方法。通过建立化学收缩与固化度之间的联系,证实了化学收缩独立于温度和时间,仅与固化度呈现一种双线性关系。总体来看在固化度0.28(初步凝胶点)左右直线斜率发生变化,直线前半段斜率约为42.54,后半段斜率约为64.63,树脂完全固化时总的化学收缩率为7.55%。研究表明,上纬2511-1A/BS树脂体系凝胶后化学收缩率远大于凝胶前的化学收缩率。

变刚度复合材料层合板的纤维铺放路径设计及屈曲分析

与传统纤维直线铺放的复合材料层合板相比,变刚度层合板可以更好地实现材料的可设计性,并通过铺放路径的优化设计提高层合板的屈曲载荷。首先,对铺放角随坐标轴线性变化的铺放路径进行扩展,提出多种铺放角非线性变化的曲线线型,并以此作为基准轨迹重新设计了四种纤维变角度铺放方式。其次,利用ANSYS软件对上述五种不同铺放路径的变刚度层合板进行建模运算,在单轴和双轴载荷下,对其进行屈曲载荷计算分析并与定角度铺放的层合板对比。计算结果表明,铺放路径优化下的变刚度层合板与纤维直线铺放的层合板相比,其屈曲载荷得以显著提高。

应变片在复合材料低能量冲击定位中的应用

针对应用在航空结构中的碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced plastics,简称CFRP)的冲击与振动检测的需求,提出了利用电阻式应变片实现冲击定位的方法。通过应变片获取动态应变信号,运用小波变换提取信号的波达时间,采用Mindlin板理论计算波速,最后使用笔者提出的定位算法计算冲击源的位置。在一个尺寸为400mm×400mm×2mm的CFRP层合板样板上进行实验,结果显示误差小于10mm,证明所提出的方法可用于碳纤维增强树脂基复合材料层合板的冲击定位,为航空结构的结构健康监控提供了一定的依据。