玄武岩纤维增强复合材料拉挤圆管抗弯性能研究

为使玄武岩纤维增强复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)拉挤圆管在桥梁工程中得到更广泛地应用,对其抗弯性能进行试验及有限元分析。对2根长度为750 mm的BFRP拉挤圆管进行三点抗弯试验;采用LS-DYNA有限元软件对试验过程进行模拟,验证有限元模拟的正确性;在保持BFRP拉挤圆管总厚度不变的条件下,研究内、外层双向纤维布的铺设厚度和角度对抗弯性能的影响。结果表明:试件从加载至破坏分为线弹性阶段、下降阶段和残余阶段,试件破坏后残余强度较大且卸载后迅速回弹恢复几何形状;有限元模拟试件的荷载~滑移曲线、失效现象和试验结果吻合较好,有限元模拟正确;布置适量厚度的内、外层双向纤维布可以提高试件的抗弯承载力;将内、外层双向纤维布铺设方向由90°变为45°后,抗弯承载力进一步提高,随着外层45°纤维布厚度增加,破坏时的挠度下降。建议制作BFRP拉挤圆管时,布置适量厚度的双向纤维布,角度以45°为宜。

桥梁工程中的纤维增强树脂基复合材料应用进展

为满足恶劣环境条件下现代化桥梁工程高质量建造所需材料的力学性能、耐腐蚀性及耐疲劳性等要求,基于纤维增强树脂基复合材料的优异性能,从公路桥、观赏桥、梁式桥以及超大跨度悬索桥等不同工况要求下的桥梁建设出发,总结了纤维增强树脂基复合材料的发展与应用现状。指出纤维增强树脂基复合材料在桥梁工程应用中仍存在应力损失、受风力影响大及回收处理难等弊端,并提出了主要的解决思路。

楔块耦合的碳纤维增强复合材料褶皱缺陷全聚焦成像

褶皱是碳纤维增强复合材料中最主要的缺陷类型之一,当使用超声相控阵对复合材料薄板进行检测时,由于采集系统非线性效应和电子串扰等干扰会引发盲区现象,掩盖了薄板内的褶皱信息。为削弱盲区影响,考虑在相控阵与复合材料薄板(小于10 mm)之间增加楔块,提出楔块耦合的最短路径射线追踪全聚焦方法。基于费马原理与斯涅耳定律,建立楔块耦合的多层介质超声波传播模型;制备含褶皱缺陷的碳纤维增强复合材料试样,搭建超声相控阵数据采集系统,采集全矩阵数据;将楔块耦合的最短路径射线追踪全聚焦方法和传统全聚焦方法的成像效果进行对比。结果表明,基于楔块耦合的最短路径射线追踪全聚焦方法能减小试样表面盲区深度,修正声时偏差,削弱盲区影响,恢复出试样内的褶皱缺陷。相比传统全聚焦方法,纤维褶皱长度、褶皱顶部高度、褶皱角度这3个参数表征的精准程度分别提高了5.9%、4.1%、4.2%。该文为碳纤维增强复合材料薄板褶皱缺陷的检测提供了新思路。

纤维增强复合材料增强胶合木受弯构件研究综述与展望

针对纤维增强复合材料(FRP)增强胶合木受弯构件研究进行综述,系统梳理了现有增强技术,详细阐述了界面黏结性能、抗弯性能、蠕变性能的影响因素与分析方法。研究表明:FRP增强技术能更有效地利用胶合木受弯构件中木材的强度,提高构件抗弯承载力、控制弯曲变形并改善脆性破坏模式。针对FRP增强胶合木受弯构件在工程应用上的制约因素,提出了在预应力增强技术、长期性能、抗火性能和可靠性方面研究中亟需解决的关键问题。

连续纤维增强复合材料结构多尺度拓扑优化设计

连续纤维增强复合材料具有重量轻、比强度和比模量高的特点,日益受到航空航天等高端装备制造领域的青睐,同时连续纤维3D打印技术的发展使具有复杂几何构型和纤维分布的复合材料结构制造成为可能。为发挥复合材料多尺度的可设计性及获得更好的结构性能,本文基于独立连续拓扑变量提出了一种连续纤维复合材料结构多尺度拓扑优化方法。该方法引入基于主应力的纤维方向插值策略,解决纤维取向优化过程中易陷入局部最优的问题,实现连续纤维复合材料结构宏观拓扑、微观纤维方向和纤维疏密的并行优化设计。采用移动渐近算法(MMA)进行优化求解,数值算例证明了提出方法的有效性和稳定性,对连续纤维复合材料结构设计和路径规划具有指导意义。

纤维增强树脂基复合材料在船舶领域的应用综述

纤维增强树脂基复合材料(fiber reinforced polymer,FRP)因其具有耐化学腐蚀和耐候性好等优异性能,其大面积使用能够实现船舶的高航速、低排放、远续航,进而成为现代造船的理想材料之一.文中主要从成型工艺、应用现状及其发展趋势三个方面对FRP在船舶领域的应用前景进行概述与分析.首先,基于对多类型船用FRP复杂制备工艺的概述,统计了最常用的船舶FRP性能参数及分析了各类型FRP的应用优势;然后,根据FRP在船舶上的不同应用场景,对其在船体制造的应用现状进行了详细概述.最后,依据现代船舶装备发展需求,从船舶制造技术发展方向、应用场景及结构化发展等方面对船舶FRP应用发展趋势进行了全面分析.

碳纤维增强复合材料黏结型锚固体系弯拉性能试验研究

为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)黏结型锚固体系的弯拉性能,对设计的锚固体系试件进行了10组轴向拉伸试验与12组弯拉试验。在锚固体系优化基础上研究了CFRP筋直径、弯曲半径改变下试件的极限承载力、破坏模式、锚固效率及CFRP筋荷载‒应变关系。结果表明,锚固体系的弯拉承载力折减量系数随CFRP筋弯曲半径的增大而减小,CFRP筋直径越大试件承载力折减量系数越大,并且CFRP筋横向约束有利于弯拉极限承载力的提高。此外,CFRP筋荷载‒应变曲线的非线性变化是试件失效前的典型特征。弯曲半径和CFRP筋直径的比值与锚固效率系数为线性关系,比值在2.4‰以下时试件的弯拉锚固效率系数小于80%,试件呈不均匀断裂和剪切的破坏形式。

纤维增强热塑性复合材料/金属连接界面调控研究进展

综述了纤维增强热塑性复合材料/金属界面连接机制和界面调控的国内外研究动态,涵盖粘附和机械结合两种机制。简要概述了粘附机制的主要结合力类型,探讨了粘附机制下连接界面轻度较差的原因;重点关注了机械方法、化学方法、金属表面增材处理和激光加工4类机械结合界面调控方法,其中化学方法的使用会对环境造成一定危害,且难以精确控制微结构的形貌尺寸。而金属表面增材制备微观结构的方法目前还存在难以实现完全锚固且易变形造成应力集中的问题。利用高能量密度激光对金属表面进行粗化、清洗以及引入化学基团,可以在毫米、微米和纳米等不同尺度下调控微结构形貌,对接头强度的改善效果远高于喷砂、喷丸、砂纸打磨、铣削加工等机械方法。同时,超快脉冲激光与材料相互作用时间极短,热影响小,能加工出跨尺度复合结构,相比于其他金属表面处理方式,超快激光表面处理能更大程度上提高接头强度。

纤维增强热塑性复合材料与金属连接技术的研究进展

纤维增强热塑性复合材料(FRTP)与金属的连接技术是多材料异质结构的关键制造技术。总结了纤维增强热塑性树脂基复合材料相对于传统金属材料的性能优势,分析了FRTP与金属连接技术的重要性和必要性,系统回顾了胶接、机械连接、混合连接和焊接四大类FRTP/金属连接技术的特点和发展,最后对未来FRTP/金属异质结构连接技术的发展、接头性能的改善提出了展望。

纤维增强热固性树脂基复合材料成型过程数值模拟研究进展

纤维增强热固性树脂基复合材料在高端制造领域应用广泛,其固化过程涉及树脂流动、固化反应发生、残余应力引发固化变形等多个步骤。数值模拟纤维增强热固性树脂基复合材料的工艺成型过程是一个多场耦合的复杂问题,建立完善的数值模拟方法用来预测其成型过程中的固化行为对于工艺类型选择、工艺参数设计和复合材料构件性能优化具有重要的理论与实践意义。本文归纳了数值模拟纤维增强热固性树脂基复合材料成型过程的主要研究进展,并讨论了不同数值模型的适用条件,通过分析同一问题不同模型的适用条件可以为复合材料固化工艺及参数设计的选择提供指导。提升精度和降低成本是数值模型迭代优化的主要研究方向。在此基础上,本文对数值模拟纤维增强热固性树脂基复合材料成型过程进行了总结,并认为未来可以从复合材料的树脂流动多尺度建模、机器学习与材料基因组方法在复合材料的构件优化设计中的应用和残余应力对复合材料的性能及使用寿命的影响等方面开展研究。

基于数据库的玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度计算方法

玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度试验主要研究弯折半径与直径之比对弯拉强度的影响,直线段抗拉强度对弯拉强度的影响研究较少。本文基于ACI 440.3R-12中B.5试验方法,开展3组(9个弯拉试件)不同直线段抗拉强度的玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度试验研究。3组试件直线段抗拉强度分别为530(A组)、850(B组)和1100 MPa(C组),弯折半径与箍筋直径之比均为3。试验结果表明:所有试件均发生玻璃纤维增强复合材料箍筋弯折段被拉断的破坏模式;A、B、C组试件弯拉强度分别为325、445和530 MPa。本文系统收集了国内外已有93个弯拉试件,并结合本文9个弯拉试件建立了玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度试验数据库。基于数据库统计分析,提出了保证率不小于95%的玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度计算方法。

纤维增强复合材料在土建结构加固工程中的应用

纤维增强复合材料(FRP)具有施工方便、力学性能高和耐候性好等优势,在土建结构加固中具有广泛应用前景。在介绍FRP基本概念和应用特点的基础上,从混凝土结构加固、钢结构加固及桥梁加固等方面综述其在土建结构加固中的具体应用,并对FRP在土建结构加固应用中的研究进行了展望,以期为FRP在土建结构加固中的应用提供参考。

钢-PVA混杂纤维增强水泥基复合材料永久模板叠合RC单向板短期刚度计算方法

钢-PVA混杂纤维增强水泥基复合材料(HFRCC)具有良好的受拉韧性和耐久性能,是永久模板的理想材料。首先探究了PVA纤维掺量对HFRCC工作性能和抗折强度的影响,随着PVA纤维掺量增加,HFRCC的工作性能显著减弱,抗折强度先增大再减小,最终选用含有1.5%钢纤维和0.25%PVA纤维的HFRCC来制作永久模板。随后对六个HFRCC永久模板叠合RC单向板和一个RC单向板进行了四点受弯试验,探究了HFRCC-RC界面处理方式和配筋率对叠合板受弯性能的影响。试验结果表明:抹平、等距凹槽和钢钉拉毛三种界面处理方式对叠合板受弯性能的影响可以忽略;HFRCC模板能够有效限制裂缝发展,减小裂缝宽度和间距,叠合板的开裂弯矩相比于普通混凝土板提高了20.1%~31.7%。分别采用刚度解析法和有效惯性矩法建立了HFRCC-RC叠合板短期刚度计算方法,两种方法均有较高的计算精度且离散性较小。

考虑切削能耗和表面质量的碳纤维增强树脂基复合材料加工工艺参数优化决策

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)二次加工能耗与质量的影响要素相比于传统材料加工更为复杂,导致现有相关经验公式难以适用。基于此,以CFRP二次加工的切削力分析为切入点,对考虑能耗和质量的CFRP加工工艺参数优化决策问题开展研究。首先分析纤维方向角对CFRP加工形式的影响,推导了切削力模型;然后建立了以切削三要素和纤维方向角为变量,以切削能耗和表面粗糙度为目标的多目标优化模型,并提出了多样化突变驱动的粒子群优化算法(DM-PSO)与层次分析法(AHP)集成的工艺参数优化决策方法;最后通过铣削试验设计验证了上述模型和方法的可行性和优越性。

连续纤维增强高孔隙复合材料的抗侵彻性能研究

为开展连续纤维增强高孔隙复合材料的侵彻防护性能,首先,用二级轻气炮发射Q235钢质弹丸,对连续纤维增强高孔隙复合材料开展弹道侵彻实验,计算了弹道极限,归纳和分析了其损伤的形态和模式,并将这种复合材料的侵彻防护性能与其他材料进行了比较;然后,对弹道侵彻连续纤维增强高孔隙复合材料进行了数值模拟,比较了剩余速度、损伤的形态和范围,模拟结果与实验结果吻合较好;进而通过观察有限元模拟的弹孔形态、应力分布和损伤分布等方式,对侵彻过程的损伤机理进行了分析。研究结果可为复合材料在防热、冲击防护与承受外载荷等多功能一体化的应用提供参考依据。

泡沫填充碳纤维增强复合材料方形蜂窝夹芯准静态压缩特性

提出了一种碳纤维增强复合材料(CFRP)方形蜂窝中内嵌聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫材料的新型轻质夹芯结构并实现了夹芯结构的制备。通过准静态压缩试验和数值模拟研究了不同几何参数夹芯的准静态压缩性能,结果表明:当夹芯栅格间距较小时,夹芯中方形蜂窝的破坏模式主要为脆性断裂破坏,随着栅格间距的不断增大,夹芯结构稳定性逐渐降低,因此夹芯失效模式转变为屈曲失稳。内嵌PMI泡沫后,方形蜂窝夹芯的压缩特性得到了显著改善,其压缩强度增大,能量吸收效率提高;随着内嵌泡沫密度的增大,夹芯的压缩强度和比能量吸收量均呈现出增大的趋势。研究结果可以为抗冲击类夹层结构夹芯的创新性设计提供思路和参考。

纤维增强复合材料-金属混合连接接头疲劳性能研究进展

纤维增强复合材料由于其优异的力学性能已被广泛应用于各种轻量化场合。通常情况下,复合材料在实际应用中需要和金属等异质材料进行连接,其中混合连接接头相比胶接、传统机械连接具有更优异的力学性能。疲劳寿命是影响纤维增强复合材料-金属混合连接接头服役性能的关键,本文对混合连接接头各部分材料的疲劳性能进行了分析,探讨了混合连接接头疲劳寿命预测方法,分析了影响混合连接接头疲劳性能的重要因素,并对其发展趋势进行了总结和展望。

基于非接触光声成像的碳纤维增强复合材料冲击损伤检测方法

为了探究碳纤维增强复合材料(CFRP)的损伤机制并对其制造过程进行质量监控,对CFRP的冲击损伤区域进行了高分辨无损检测。构建了全光式非接触光声显微(AONC-PAM)成像系统,利用自主开发的光学吸收结合背向散射的双对比度成像模式,对CFRP在不同冲击能量下的损伤区域进行高分辨率无损检测。实验结果显示,AONC-PAM系统的空间分辨率为2.9±0.5μm;双对比度成像策略能以2 s/帧的速率同时获得基于光学吸收和表面散射特性的图像及两者叠加的双对比度图像;AONC-PAM系统显示了比通用明场显微镜系统更多的成像细节,包括碳纤维分布和其他微观缺陷如纤维断裂、错位、缺束和褶皱,可检测的微观缺陷尺寸达10~20μm,并实现了损伤区域的精准量化。

变温域纤维增强复合材料的损伤定位研究

纤维增强复合材料因其轻质高强、易成型和可设计性强等优异性能,成为众多工程结构用材首选,然而其结构易产生多种形式损伤,降低了材料的可靠性和安全性,故对复合材料进行实时健康监测及损伤定位研究具有重要意义。声发射(Acoustic emission,AE)技术可以有效地检测复合材料中的微小损伤,基于光纤光栅声发射监测系统不受电磁干扰,可在多点同时测量多个物理量,但实现高精度损伤定位仍需进一步研究。为此,构建了一种四通道温度自适应光纤布拉格光栅(Fiber Bragg gratings,FBG)声发射监测系统,可以快速追踪、及时反馈、实时监测FBG的中心波长变化,提高定位精度,在变温域内对碳纤维增强复合材料的损伤定位进行监测,研究结果表明,该系统平均损伤定位误差为12%。

聚吡咯共轭结构对碳纤维增强树脂基复合材料热循环稳定性能的影响

为解决碳纤维增强树脂基复合材料(CFRPs)存在的碳纤维与基体间界面黏结性较弱和在热循环过程中因热膨胀系数不匹配而产生界面破坏的问题,通过低温聚合得到含有较多共轭结构的聚吡咯(PPy)对预处理后碳纤维(CF)进行表面改性,分别在0、30、60℃下制得碳纤维/聚吡咯复合纤维(PPy/CF),并研究了不同聚合温度下制备的CFRPs的界面结合性能、热膨胀性能和热循环稳定性能。结果表明:PPy/CF-0纤维的表面粗糙度与CF相比增加了2.09倍,这有利于树脂锚定在碳纤维表面,从而提高界面结合性能;并且PPy/CF-0纤维表面的聚吡咯层具有较完善的共轭结构,整体表现为负热膨胀系数,使得复合材料的层间剪切强度和界面剪切强度分别达到了CF的1.56倍和1.70倍;此外还使得CFRPs的热循环稳定性有了较明显的提升,经100次热循环实验后,其剪切强度仍能保持在初始数值的70%以上。