轻量化碳纤维夹芯结构复合材料在轨道交通领域研究进展

轨道交通已成为当下最便利的出行方式之一,舒适享受、环保节能已成为轨道交通领域未来发展的刚性需求。碳纤维夹芯结构复合材料是一种经过结构设计所制作出的轻质复合材料。其性能减震降噪强、耐腐蚀高、耐疲劳性强、力学强度高。主要通过对碳纤维夹芯结构复合材料的轻量化、综合性能以及应用现状的加工工艺、设计原则进行分析,为未来复合材料发展提供依据。

轻量化碳纤维夹芯结构复合材料在轨道交通领域研究进展

随着经济社会的快速发展,轨道交通已成为当下最便利的出行方式之一,舒适、节能已经成为轨道交通领域的刚需,而轻量化车体是未来发展的必要趋势。碳纤维夹芯结构复合材料是通过结构等效设计来得到减震降噪强、耐腐蚀高、耐疲劳性强、力学强度高的轻质复合材料。文章主要通过对碳纤维夹芯结构复合材料的轻量化、综合性能以及应用现状的加工工艺、设计原则进行分析,为未来复合材料发展提供依据。

轻量化碳纤维夹芯结构复合材料在轨道交通领域的具体应用分析

随着轨道交通行业的蓬勃发展,“节能、舒适”已逐渐成为轨道交通车辆的刚需,车体轻量化无疑是未来发展的必要趋势。碳纤维夹芯复合材料是一种可以通过结构设计得到较高的力学强度、耐腐蚀、减震降噪、耐疲劳的轻质新型复合材料。本文主要阐述了碳纤维夹芯复合材料的应用现状、各项性能优势、轻量化刚度等效设计原则、主要加工工艺,并展望了复合材料未来发展方向。

轻木夹芯/碳纤维复合材料结构后推构型无人机机身设计与分析

设计了一款后推构型轻木夹芯/碳纤维复合材料结构无人机机身,完成了机身气动外形设计、流场分析和内部结构设计。建立了机身结构有限元模型,完成了结构刚度校核。编写子程序,将3D Hashin失效准则嵌入计算模型,基于三类失效模式构建极限状态函数g(x),对机身结构进行了强度及稳定性校核。采用等步长施加超设计载荷,预测了结构的初始损伤位置及模式。对机身蒙皮铺层方案进行了优化设计,采用g(x)函数对更改铺层方案后的结构性能进行了评估。研究结果表明:着陆工况和最大飞行速度工况的机身蒙皮表面压强最大值均在机头整流罩区域。两种工况的极限状态函数g(x)均大于0,最大位移分别为3.076 mm和2.92 mm,机身结构满足刚度、强度和稳定性要求。对着陆工况施加1.17倍设计载荷时,油料舱下壁板轻木芯材发生压缩分层初始损伤。机身结构失稳发生于侧面蒙皮,提高45°铺层占比可提高蒙皮的稳定性。玻纤蒙皮铺层优化后,在质量不变的条件下,结构稳定性裕度提高了7.2%。

船用碳纤维夹芯复合材料防火隔热结构设计与验证

根据多晶莫来石纤维、金属碰钉和碳纤维双轴向织物的材料特性,进行船用碳纤维夹芯复合材料防火隔热结构设计。在完成材料选择和试样制备后,对设计的船用碳纤维夹芯复合材料防火隔热结构进行耐火试验验证。试验结果表明,试样的完整性和隔热性均合格。

碳纤维/树脂基复合材料曲壁蜂窝夹芯结构的三点弯曲性能

为研究碳纤维复合材料(CFRP)曲壁蜂窝结构在三点弯曲载荷作用下的承载特性与失效模式,对不同芯层高度、面板厚度的结构进行了理论预报、数值模拟及试验.首先,根据夹芯结构的主要失效模式,提出了相应的理论预报公式,并绘制了失效机制图;其次,建立了CFRP曲壁蜂窝夹芯结构的有限元仿真模型,对其在三点弯曲载荷作用下的典型失效行为进行模拟;最后,通过模压成型工艺制备了不同尺寸的CFRP曲壁蜂窝夹芯结构,并将试验结果与理论、模拟结果进行比较.结果表明,蜂窝夹芯结构承载能力与芯层高度、面板厚度密切相关,结构芯层及面板刚度随其尺寸的减小而下降,导致结构失效模式由面芯脱黏失效变为面板压溃失效.

全碳纤维复合材料太阳能无人机机翼结构优化设计

针对大展弦比太阳能无人机的性能要求,开展碳纤维复合材料太阳能无人机机翼的优化设计。选用NACA4412为基准翼型,利用xfoil软件作为气动计算软件,基于NSGA-Ⅱ优化算法进行翼型优化。在此基础上对机翼进行三维建模,采用CFD软件进行气动特性分析,并利用ANSYS Workbench静力学模块对机翼进行流固耦合分析。结果表明:翼型优化后,升力系数提高4.20%,阻力系数降低8.74%,升阻比提高14.18%;在气动载荷作用下,从翼根向翼尖方向压力逐渐增大,翼尖处最大压力相对外界大气压力为242 Pa;在外载荷作用下,最大应力显示在翼根附近,为61.397 MPa,翼变形的最大值为40.262 mm,整体满足太阳能无人机的允许变形量在5%以内即翼尖变形不得大于半翼展长度值的5%的刚度要求。研究结果可为碳纤维复合材料太阳能无人机设计和研制提供理论参考。

复合材料夹芯结构低速冲击性能研究

复合材料夹芯结构为电子设备与外层蒙皮提供了一体化设计的思路,可以大幅降低飞行器的结构重量。通过低速冲击试验和ABAQUS仿真研究了5 J和10 J冲击能量下某飞行器复合材料机翼蒙皮典型夹芯区域在低速冲击下的性能。随着冲击能量的增加,复合材料泡沫夹芯结构的能量吸收率由5 J的72.0%提升至10 J的76.0%。由仿真结果可知,当冲击能量达到10 J时,出现了纤维损伤,且损伤沿表层铺层角度扩展,基体压缩损伤主要出现在冲击正面,基体拉伸损伤主要出现在冲击背面,损伤随冲击能量的增加而变大。当冲击能量达到10 J时,上面板与泡沫芯体粘接处也产生了较大的损伤。

复合材料蜂窝夹芯结构低速冲击后压缩强度的可靠性与灵敏度分析

建立了一种复合材料蜂窝夹芯结构低速冲击后压缩强度的可靠性与灵敏度分析方法。利用ABAQUS有限元分析软件和VUMAT子程序建立了蜂窝夹芯结构冲击后压缩渐进损伤失效分析模型,并通过试验验证模型的有效性;在此基础上,利用Python语言对模型中材料力学性能和面板厚度、蜂窝芯子厚度进行参数化;采用径向基神经网络代理模型替代渐进损伤失效分析模型;基于蒙特卡洛法进行冲击后压缩强度的可靠性分析;分别采用基于方差和基于失效概率的方法进行参数的灵敏度分析,并研究参数的变异系数对结构可靠性的影响。结果表明:在外载荷低于10000 N,结构失效概率小于0.00017的情况下,当外载荷达到12700 N时,结构失效概率达到0.9;面板的力学性能、面板厚度、蜂窝芯厚度对冲击后压缩强度的影响较大;冲击后压缩强度的变异系数随着参数变异系数的增大而增大。

基于碳纤维复合材料轻木夹芯结构的起重机副臂架设计

针对汽车起重机臂架轻量化设计需求,设计了一种碳纤维复合材料轻木夹芯结构的汽车起重机副臂架。碳纤维复合材料密度低,比强度和比模量高,力学性能优异。应用有限元软件ABAQUS对碳纤维复合材料轻木夹芯结构的汽车起重机副臂架进行了结构设计和仿真分析。研究结果表明:碳纤维复合材料轻木夹芯结构副臂架中碳纤维复合材料上、下面板厚度分别为10 mm和8 mm,上、下面板铺层分别为[0/±45/02]10和[0/±45/02]8,其强度相比于碳纤维复合材料副臂架的安全裕量更大,同时刚度也满足使用需求,此时复合材料副臂架质量为251.4 kg,质量减轻达到了40%,具有良好的轻量化效果。

轻质复合材料仿生夹芯结构研究进展

轻质复合材料夹芯结构由薄而强的面板和轻质多孔的芯子组成,其芯子结构的多样性推动着夹芯结构的发展。在自然界中,各类生物在长期的进化过程中形成了最适宜其生存和繁衍的生物结构,其中高强度结构启发了科研人员对夹芯结构芯子进行仿生设计。本文对水中动物、陆地动物、飞行动物以及植物果实、根茎、叶脉的仿生夹芯结构研究现状进行了综述,阐述了仿生复合材料夹芯结构芯子及拓扑结构的设计理念。介绍了复合材料仿生夹芯结构对力学性能的改进和在相关工程中的应用。最后,基于仿生复合材料夹芯结构的发展现状,提出了科学挑战,并进行了展望。

热塑性复合材料夹芯结构研究进展

从热塑性复合材料夹芯结构的设计、材料和制备等3个方面分析总结了国内外热塑性复合材料夹芯结构的研究现状,夹芯结构因为其高强度、轻量化以及功能集成等特点在承载和吸能等领域内广泛应用,展望了热塑性复合材料夹芯结构的未来发展趋势和前景。

高模量碳纤维复合材料管件高低温交变环境结构稳定性研究

针对高模量碳纤维复合材料管件高低温交变环境下截面变形、分层问题,基于纤维混杂思路,在其大角度差铺层之间增设单层超薄(0.02 mm)无碱玻璃纤维平纹布,仿真分析表明,该玻璃纤维平纹布的加入,有效缓解了碳纤维大角度铺层之间的热膨胀失配,降低了层间应力。高低温交变试验结果印证了仿真分析的正确性,经过液氮温度(-196℃)至+150℃共六个高低温交变循环后,层间设置玻璃纤维平纹布的管件试件截面结构保持完整,几何尺寸未发生变化。单向板弯曲对比试验表明,超薄玻璃纤维平纹布的加入不仅起到了层间增韧效果,且对结构的弯曲性能无明显影响,这得益于超薄玻璃纤维平纹布的低模量与极小的厚度占比(1.6%)。

低能冲击下复合材料蜂窝夹芯结构表面损伤分析

基于低能量冲击探究复合材料蜂窝夹芯结构表面的损伤模式,分析低能量冲击对结构表面环氧树脂膜的裂纹扩展模式、损伤面积、裂纹长度和数量的影响,通过三点弯曲试验研究了低能冲击后碳纤维增强复合材料层合板的弯曲性能以及损伤极限值。研究结果表明,冲击能量会影响表面环氧树脂膜的损伤扩展模式,裂纹均以冲击落点为中心,向周围不规则地扩展,所形成的损伤面积随冲击能量递增,裂纹扩展长度与冲击能量成正相关,层合板的层间损伤模式以分层和纤维弯曲为主;低能量冲击试验证明了表面环氧树脂膜的裂纹扩展模式、损伤面积等与夹芯结构层合板内部的冲击损伤程度之间具备特定的联系,因此可为设计一种新的无损检测方法用于快速表征结构内部的冲击损伤提供可能性。

碳纤维/PMI泡沫夹芯复合材料的弯曲特性分析

通过三点弯曲实验研究,得到了碳纤维/PMI泡沫夹芯复合材料的弯曲性能以及破坏机理。并采用逐渐累积损伤方法对泡沫夹芯结构弯曲载荷进行了预测,结果发现:模拟与试验结果较吻合,弯曲载荷误差为6.31%。研究结果表明:有限元数值模拟能够准确地得到泡沫夹芯复合材料在压缩过程中的损伤扩展,并最终预测碳纤维/PMI泡沫夹芯复合材料的最大破坏载荷和破坏趋势。

碳纤维复合材料蜂窝夹层结构的无损检测方法研究

本文介绍了碳纤维复合材料蜂窝夹层结构常见的内部缺陷,这些缺陷的存在将直接影响蜂窝结构的机械性能和工作性能,必须对其进行无损检测。利用超声脉冲反射法对其内部缺陷进行检测作了详细介绍,分别对复合材料蒙皮可能出现的分层、疏松和高空隙率缺陷及蒙皮与蜂窝夹芯之间界面的脱粘缺陷进行检测,对出现的波形进行分析,并判断波形产生的原因,认为超声脉冲反射法对碳纤维复合材料蜂窝夹层结构内部缺陷检测是一种行之有效的方法。

碳纤维增强复合材料方形蜂窝夹层结构水中冲击波作用下的能量特性数值模拟

基于Abaqus有限元仿真软件,建立了不同夹芯相对密度的碳纤维增强复合材料方形蜂窝夹层结构在水中爆炸冲击波载荷作用下的仿真模型,研究了该结构在响应过程中的能量特性;分析了该结构的冲量传入特性、能量吸收过程、结构中不同组分的能量吸收情况,以及夹层结构与等质量层合结构的能量吸收效率。结果表明:碳纤维增强复合材料夹层结构的能量吸收与其变形情况、失效模式和损伤程度相关,且其在冲量传入特性及能量吸收效率方面的表现均优于等质量层合结构。

高低温老化对碳纤维复合材料芯棒结构性能的影响

采用拉挤工艺制备了碳纤维增强环氧树脂基复合材料芯棒,并对其进行高低温人工加速老化试验,以及对老化前后碳纤维复合材料芯棒的横截面、外观颜色和密度进行了测试和分析。结果表明,高低温老化使芯棒颜色加深,主要对芯棒的外层产生一定的影响,内部结构没有明显变化;老化后芯棒的密度比老化前减小约2.5%,并且不同老化周期对芯棒的密度基本不变。

行人头部碰撞碳纤维夹芯复合材料引擎盖的有限元分析

利用ABAQUS的Explicit模块建立了行人头部碰撞碳纤维夹芯复合材料的有限元模型,并使用DIAdem工程分析软件计算了头部损伤指标HIC值。通过钢球碰撞试验验证了模型的有效性,分析了碳纤维复合材料层数,硬质泡沫厚度,蒙皮的铺层方式对HIC值和最大侵入量的影响。结果表明,加入硬质泡沫可以大量减少碳纤维复材使用量,并且不会增加HIC值和最大侵入量;硬质泡沫厚度不宜太大也不宜太小,有最优值;各向同性明显的铺层方式有利于减小HIC值。

碳纤维增强复合材料杉木夹芯梁受弯性能试验

提出一种以碳纤维增强复合材料(CFRP)为面层,杉木为芯材的碳纤维增强复合材料杉木夹芯梁构件。采用手糊工艺制备了12根不同设计参数的夹芯梁试件,对其进行四点弯曲试验,探讨不同设计参数(包括纵向全包裹碳纤维铺设层数、纯弯段是否环向加箍、箍条间距)对构件弯曲破坏模式和承载性能的影响,并提出构件抗弯承载力分阶段简化计算方法。结果表明:纵向碳纤维铺设层数对构件极限承载力和延性系数影响最大;纯弯段环向加箍可以在一定程度上提高构件极限承载力并且箍条间距越小,提高幅度越大;抗弯承载力分阶段简化计算结果与试验结果较吻合。