超声检测识别CFRP复合材料PTFE夹杂与富树脂缺陷

针对碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)缺陷试样制作困难且不同夹杂缺陷难识别的问题,采用仿真与试验相结合的方法,开展聚四氟乙烯(PTFE)夹杂与富树脂缺陷超声检测研究。首先建立考虑CFRP层结构弹性各向异性的多向层合板超声反射法有限元模型,对比模拟与试验得到的A扫描时域信号,证明了模型的有效性。在CFRP层合板内部设置宽度6 mm,厚度0.03~0.40 mm的PTFE夹杂和厚度0.03~0.85 mm的富树脂缺陷,模拟得到超声A扫描信号,分析比较两种缺陷厚度变化对超声信号幅值最大值和波形峭度因子的影响。结果显示,随着缺陷厚度增加,PTFE夹杂及富树脂缺陷信号的幅值最大值和峭度因子均呈现先上升后下降最后趋于稳定的趋势,但富树脂缺陷信号幅值最大值低于PTFE夹杂,其峭度因子随厚度变化滞后于PTFE夹杂。

冲蚀角对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)蒙皮涂层去除及重涂附着力的影响

为解决飞机CFRP蒙皮涂层高效去除问题,改善重涂涂层附着力,采用塑性磨料射流加工方法对CFRP蒙皮损伤涂层去除,通过分析单颗磨料的速度和冲击力,研究不同冲蚀角度下磨料对涂层的冲蚀行为,探究塑性磨料射流冲蚀角对表面形貌、去除机制、材料去除率、接触角与表面自由能及重涂涂层的附着力方面的影响。结果表明:塑性磨料对涂层的冲蚀机理为塑性变形去除,在30°~70°冲蚀角下,磨料对涂层的冲蚀模式为滑擦、耕犁和切削。随着冲蚀角的增加,颗粒的切向分力减小,法向分力增加,法向冲蚀的冲蚀模式为剪切和挤压变形去除材料去除率递减。在所选冲蚀角范围内,当冲蚀角为30°时,聚氨酯涂层的材料去除率最大。随着冲蚀角的改变,表面粗糙度、润湿性和表面自由能发生变化,当冲蚀角为70°时,重涂后的涂层附着力较好,较初始涂层附着力提高28%左右。研究成果可为飞机CFRP蒙皮涂层的高效去除及附着力的改善提供参考。

航空用纤维增强树脂基复合材料加筋板的剪切屈曲特性

对纤维增强树脂基复合材料加筋板进行了剪切试验,结合应变-剪切力曲线对加筋板的破坏形式以及屈曲特性进行了研究。结果表明:加筋板的破坏形式主要表现为筋条脱胶、断裂和蒙皮撕裂;蒙皮达到局部屈曲后,加筋板仍具有较大的后屈曲承载能力,其破坏载荷约为屈曲载荷的4.5倍。

酚醛树脂增强杨木单板贴面软木复合材料制备研究

为改善杨木尺寸不稳定、强度低、保温性能较弱等问题,本研究采用酚醛树脂浸渍改性杨木单板,再将其贴面复合软木,制得结构-保温一体化复合材料,以期适用于木地板、墙板等领域。结果表明,酚醛树脂浸渍改性后的杨木单板的弹性模量、静曲强度、抗压强度、耐磨性和尺寸稳定性分别较未处理杨木单板提高了28.91%、47.73%、231.83%、30.20%和39.44%;改性单板贴面软木复合材料的导热系数较未改性纯杨木单板降低了43.33%,呈现了良好的保温性能。本研究为轻质高强-节能保温一体化复合材料的设计应用提供了一定的科学依据。

纤维与基体性能对炭纤维增强树脂基复合材料抗压强度的影响

炭纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的轴向压缩强度显著低于其拉伸强度,这阻碍了其更广泛的应用。CFRP的轴向压缩破坏机理复杂,而目前针对CFRP轴向压缩破坏的研究却较为有限。为了对CFRP轴向压缩破坏机制有更加深入且直观的理解,本文构建了一个二维的微观有限元模型。该模型能够完整揭示CFRP轴向压缩破坏过程,并预测纤维和基体各项性能对CFRP抗压强度的影响规律。结果证明,由纤维初始制造缺陷引起的剪切应力集中使得基体开始发生塑性屈服,并最终形成扭折带,材料结构失效。剪切应力在整个失效过程中扮演着重要角色。此外,本文系统研究了纤维和基体各项性能对CFRP的抗压强度的影响,这些性能包括纤维轴向弹性模量Ef1、纤维径向弹性模量Ef2、纤维剪切模量G f12、基体弹性模量E m、基体比例极限σp、基体屈服强度σs和纤维初始制造缺陷程度。研究发现,性能的变化直接影响着缺陷区域剪切应力的集中状态,从而影响CFRP的抗压强度。研究结果显示,当E f1、Ef2、Gf12、Em、σp、σs提升10%,纤维初始缺陷程度降低10%时,CFRP的抗压强度分别提升了2.33%、0、0.39%、3.38%、1.17%、2.30%、2.52%左右。研究了CFRP抗压强度对各参数的敏感性,结果发现,E m对CFRP的抗压强度影响最大,纤维的初始制造缺陷程度和基体的塑性性能也是不可忽略的因素。

纤维增强树脂基复合材料阻尼特性的数值模拟

应用基于应变能的有限元方法研究了纤维增强复合材料的阻尼特性,此方法从单向复合材料的阻尼性能参数出发,通过有限元模态分析得到复合材料结构的模态损耗因子,与已有的理论分析和试验结果相比吻合较好,从而验证了该方法的合理性。该方法还可以比较三维应力分量对阻尼的贡献。本文将该方法应用于一种复合材料等间距正交网格加筋板的阻尼特性分析,考察了加筋对复合材料层合板阻尼特性的影响。

高强玻纤增强环氧树脂复合材料试验研究

玻璃纤维增强复合材料强度高、质量轻,具有减震性、抗疲劳性、耐化学品腐蚀性等优点,是目前研究比较成熟、应用最广的一种复合材料。本文,笔者以环氧树脂为基体,高强玻璃纤维为增强相,通过手糊成型工艺制备而成具有优良力学性能的复合材料板,研究复合材料的力学性能。一、实验部分1.主要原料。主要原料为环氧树脂E-44、高强玻璃纤维、乙二胺和丙酮。2.环氧胶液的配制。

复合材料汽车板簧与车桥壳的联接研究

本文描述了复合材料汽车板簧与车桥壳联接处的损伤原因。提出了该联接夹座的技术性能要求和结构设计方案。经过八十万次台架疲劳试验和 4 8万多km的实地道路试验证明夹座的联接方式能基本满足设计要求 。

CFRP加固受损再生混凝土板的抗弯性能试验研究

为了探究CFRP加固受损再生混凝土板的抗弯性能,制作了4块再生混凝土板(再生粗骨料取代率为50%),考虑预损伤等级及加载循环次数对试件加固性能的影响。通过试验与数值模拟研究,分析了试件的破坏模式、荷载-位移曲线及承载能力,并对规范中的承载力计算公式进行了修正。结果表明:CFRP加固再生混凝土板的破坏模式为CFRP脱落;当预损伤等级<0.4P_(m)(极限承载力)时,加固后的试件承载力变化不大;当预损伤等级≥0.4P_(m)时,加固后的试件承载力随预损伤等级的提升而降低;当预损伤等级<0.9P_(m)时,加载循环次数对试件的承载力影响很小;当预损伤等级≥0.9P_(m)时,试件承载力随加载循环次数的增大而显著降低;试件承载力随着CFRP加固层数的增加而增大;修正后的承载力计算公式具有较高的计算精度。

碳纤维增强树脂基复合材料层合板胶螺混合连接失效机制

为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板单搭接双螺栓胶螺混合连接失效机制,采用基于断裂能断裂准则的连续渐进退化方式,仿真CFRP层合板刚度退化,采用基于能量的B-K准则仿真胶层的损伤演化,建立胶螺混合连接结构渐进损伤三维有限元模型,有限元模型预测的最大失效载荷与实验结果吻合较好。搭接长度L_(a)为影响胶螺混合接头刚度和强度的重要几何参数,螺栓的位置不会明显影响接头的刚度,粘结面积越大,强度越大。胶螺混合接头在拉伸载荷作用下,由于二次弯曲效应的影响,螺栓向左倾斜,搭接区域的胶层损伤起始于搭接区域胶层外侧,并由外侧向内部扩展到钉孔附近,当胶层损伤扩展到钉孔附近时,螺栓承载增加,胶层和螺栓共同承载,此时CFRP层合板开始出现损伤;最终,左侧钉孔处的上层合板和右侧钉孔处的下层合板产生分层损伤并发生断裂。

碳纤维复合材料雷电注入试验研究

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)因为其优异的结构性能而被广泛应用于航空领域。但CFRP材料的电导率显著低于传统金属材料,更易在雷电冲击作用下受到损伤。因而,为满足飞机在雷电环境下的防护设计要求,需要开展试验来测试碳纤维复合材料的损伤特性。采用组合模拟雷电流分量A、B和C*,对复合材料试验件采用火焰喷涂铝和敷设铜网两种防护方式,然后对试验件进行雷电直接注入试验研究,试验后通过采用超声扫描得到试验件的损伤情况,并进行对比分析。试验结果表明采用火焰喷涂铝防护方式的复合材料层合板损伤面积均值为13 680 mm^2,小于采用敷设铜网防护方式的雷电损伤面积均值17 958 mm^2。两者损伤深度占总厚度比为2/5~3/5,试验件没有被击穿。

超声冲击共振法检测复合材料内部缺陷及缺陷分布绘制

为实现大尺寸CFRP材料内部缺陷的检测,利用超声冲击共振法简单易操作的特点,使用搭载于桌面的超声共振法检测设备,对蜂窝夹层结构复合材料预置缺陷件进行了检测,并实时记录了检测位置和缺陷状况,验证超声共振法的可行性与准确度.搭建大尺寸复合材料构件缺陷检测平台,使用超声检测设备在试样表面匀速运动与检测,实时记录并分析实验结果,利用开发的定位记录软件得到了缺陷分布云图.实验结果表明:基于超声冲击共振法检测材料缺陷的方法操作简便、成本低廉、易上手、结果准确,可以用于大尺寸复合材料内部缺陷的检测.

金属-碳纤维增强树脂复合材料复合型柱壳屈曲特性试验及数值

为开展金属-碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)复合型柱壳屈曲特性试验及数值研究,制作2组金属-CFRP复合型柱壳及金属柱壳,并对其几何误差检测,试验研究了金属-CFRP复合型柱壳屈曲特性。其次,基于真实几何缺陷,开展了复合型和金属柱壳线性屈曲及非线性屈曲分析,数值与试验具有良好一致性。最后,讨论了CFRP铺层角度、层数对复合型柱壳非线性屈曲载荷影响。结果表明:复合型及金属柱壳试验载荷误差分别为8.29%和6.77%,试验重复性良好;CFRP层可使金属柱壳获得70%的极限载荷增益,并可减弱金属层破坏强度;随着铺设层数增加,复合型柱壳受外压下的铺设角度相应减小,最佳铺设角度为65°~85°,且该范围内,铺设层数影响较小,相同铺设层数下载荷值最大相差7.56%,最小相差为0.57%。

电阻法预报CFRP层板疲劳损伤演变过程

通过类比方式,以电阻变化作为复合材料的损伤参数,建立了用电阻损伤参数预报CFRP层板疲劳损伤的数学模型,通过拉-拉疲劳试验,对CFRP层板的疲劳损伤与疲劳寿命预报进行研究,建立了累积损伤中电阻与疲劳损伤状态之间的关系.研究表明,在疲劳损伤过程中,电阻损伤参数的变化同材料的疲劳损伤过程密切相关,电阻损伤规律可分为下降阶段、平稳阶段和破坏阶段;碳纤维材料的电阻变化能够反映纤维的损伤程度和破坏形式,可以作为表征复合材料纤维损伤的有效参数.

CFRP层板疲劳累积损伤理论的建立及应用

碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)是高性能结构的先进材料。通过试验,对纤维增强树脂复合材料(FRP)损伤理论的定义进行了研究,论述了用于CFRP层合板疲劳累积损伤的剩余强度模型和剩余刚度模型。通过理论预测与实验数据比较,证明所建模型物理意义清晰,数据吻合较好,最后对两种模型进行了分析和比较。

高精度碳纤维增强树脂复合材料夹层天线面板热变形影响参数仿真与实验

为满足亚毫米波、太赫兹波段等高频天线反射面的应用需求,采用附加树脂修型技术制得1米级、面形精度优于10μm均方差(RMS)的碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料天线面板。主要开展了针对高精度CFRP复合材料面板在极端低温环境下的热变形机制研究。根据基础材料性能测试数据,建立面板的有限元仿真模型,预测大温差工况下多结构参数面板的热变形残差,分析了影响面板热变形特性的主要因素。比较了铝蜂窝和碳管阵列夹芯两种面板结构热变形特性的差异。结果表明,碳管夹芯结构面板具备更高的比刚度和热稳定性。通过仿真结构优化给出了面板的结构设计参数,并重新试制了原型面板。采用基于高精度数字摄影测量的实验方法,对铝蜂窝和碳管阵列两种夹芯结构原型面板在低温环境下的热变形误差进行了测量,通过分析实验与仿真结果的误差来源,讨论了有限元预测方法的可行性,给出了针对高精度CFRP复合材料面板设计及工艺方法的指导意见。

碳纤维增强树脂基复合材料切削机理研究

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)在细观尺度上由纤维、树脂及界面不同相组成,在宏观尺度上呈层叠特征,具有非均质性和各向异性。CFRP切削过程的实质是在切削力、热共同作用下同时去除高强度纤维和低强度树脂的复杂过程,极易出现加工损伤。抑制加工损伤的前提是准确揭示CFRP切削机理,而揭示其切削机理的关键是分析材料去除过程。由于纤维是复合材料内部承受主要载荷的组成相,材料的去除过程主要由纤维的断裂过程决定。因此,通过分析切削过程中纤维的受力状态,以双参数弹性地基梁理论为基础,建立了虑及纤维所受法向及切向约束,且兼虑树脂及界面温变特性的单纤维切削模型,可准确表征纤维实际受力状态,实现纤维断裂过程的准确求解。研究发现:切削深度和纤维角度影响纤维变形深度,即切深越大,纤维变形深度越大,更易产生加工损伤;随着纤维角度增加,纤维变形深度减小。同时,为解决单纤维切削模型难以直接验证的难题,利用其求解得到宏观切削力理论值,通过与试验值对比,间接验证了单纤维切削模型的正确性。同时与未考虑被切削纤维所受切向约束和树脂及界面温变特性时相比,同时考虑这两个因素可使CFRP宏观切削力计算精度平均提升20%。所建立的单纤维切削模型不仅能够从细观尺度准确揭示CFRP去除机理,而且可为后续有关损伤抑制的研究提供理论依据。

高温环境下碳纤维增强树脂复合材料的层间力学性能老化行为与失效预测

为了研究碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料层间力学性能在高温环境中的老化失效行为,设计了CFRP复合材料层间拉伸和层间剪切实验,在高温(80℃)环境中进行0(未老化)、 120 h、 240 h、 360 h、 480 h、 600 h和720 h的老化测试,分析CFRP层间失效强度和失效形式随老化时间的变化规律,得到随高温老化的二次应力准则响应面。建立CFRP复合材料层间力学性能预测模型,得到不同老化衰减系数下的退化模型,并通过CFRP复合材料层间仿真模型进行了验证。结果表明:随着高温老化时间的增加,层间拉伸和层间剪切强度总体上都发生了一定程度的退化,层间拉伸时更容易发生碳纤维丝剥离,层间剪切发生局部的树脂剥离,纤维之间的分层更加明显,高温老化使树脂与纤维丝的界面结合力显著下降。通过CFRP复合材料层间力学性能随高温老化的二次应力准则,计算不同老化时间后的内聚力模型参数,预测CFRP复合材料在高温老化条件下的层间强度,发现仿真与实验误差小于10%,说明了CFRP复合材料层间失效预测模型的准确性。

融合经验模态分解与模糊熵的薄板结构损伤识别

针对薄板结构中损伤兰姆波信号提取及表征困难两大问题,提出了一种融合经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)与模糊熵(fuzzy entropy, FEn)的薄板结构损伤识别新方法。该方法首先基于EMD从复杂的兰姆波信号中提取并分离与结构损伤相关的信号;再利用提取出的损伤信号的归一化模糊熵作为损伤指数对结构损伤大小进行定量表征,从而实现薄板结构的损伤识别。设计的三组碳纤维增强复合材料板(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)划痕损伤识别试验验证了该方法的可行性,试验结果表明:归一化后的模糊熵与CFRP板划痕损伤大小呈现较好的线性增加的关系,利用该线性关系可以对CFRP板划痕大小进行识别;与基于奇异谱-模糊熵的结构损伤识别方法相比,该研究所提方法识别效果更佳。

冷却润滑方式对CFRP/钛合金叠层制孔刀具磨损的影响

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)和钛合金组成的叠层结构由于其优良的机械性能在航空航天领域得到了广泛的应用。为了延长刀具寿命,本文在CFRP/钛合金叠层低频振动钻削试验中采用中心吹气、微量润滑技术(Minimum quantity lubrication,MQL)、水基冷却液和液氮冷却方法,研究冷却润滑方式对钻削温度、轴向力与刀具磨损的影响。试验结果表明,使用中心吹气时加工温度最高,使用液氮时加工温度最低,液氮冷却时轴向力最大,而使用水基冷却液时轴向力最小。水基冷却液对延长刀具寿命的效果最好,达到了66个孔,而液氮冷却时最差,只有12个孔。刀具主要的磨损形式为粘结磨损和磨粒磨损。