基于主应力轨迹线的连续碳纤维复合材料3D打印路径规划方法

连续碳纤维复合材料3D打印成型零件的力学性能对纤维的铺设方向有需求,传统的路径规划方法基于零件的形状轮廓进行填充,不能满足零件的实际使用性能。针对这一问题,提出基于主应力轨迹线的连续碳纤维复合材料3D打印路径规划方法。基于连续碳纤维复合材料三维模型的有限元分析数据,通过材料力学计算得到相应的主应力轨迹线;通过连续碳纤维复合材料3D打印的打印参数对得到的主应力轨迹线进行调控,保证每一条轨迹线之间的间距契合3D打印要求;通过坐标变换调整有限元分析坐标系以及打印机坐标系;通过以上调控生成用于连续碳纤维复合材料3D打印的G code规划文件。通过路径规划仿真对比和打印拉伸实验,基于主应力轨迹线生成的连续碳纤维复合材料3D打印路径比传统直线碳纤维复合材料3D打印路径性能提高了4.5%,验证了基于主应力轨迹线的连续碳纤维复合材料3D打印路径规划方法的有效性。

Ⅳ型储氢气瓶承载层CFRP基体优选与性能研究

以SW树脂及HY4006树脂为基体树脂,以12K T700碳纤维(HY-1、HY-2、HY-3)为纤维增强体,制备Ⅳ型储氢气瓶承载层用碳纤维增强复合材料(CFRP),从固化特性、耐热性能、流变性能和树脂浇注体的力学性能等方面筛选适合的树脂基体,通过树脂对纤维的浸润性及CFRP的力学性能、微观形貌、孔隙率等筛选出最优的CFRP体系。结果表明:SW树脂的固化温度为109~142℃,固化速率快,固化时间短,黏度增长较慢,而且其浇注体力学性能好,比HY4006树脂更适合于Ⅳ型储氢气瓶的缠绕工艺;SW树脂对HY-2碳纤维的浸润性更好,起始接触角为80.06°,浸润时间仅2.5 s;由SW树脂与HY-2碳纤维制备的CFRP拉伸强度为2650 MPa,剪切强度为64.63 MPa,密度为1.67 g/cm 3,纤维体积分数为63.61%,该CFRP界面结合好,孔隙率低,力学性能优异,是Ⅳ型储氢气瓶缠绕层的理想材料。

内压作用下车载储氢瓶抗典型破片冲击数值模拟研究

针对大质量低速破片对典型车载Ⅲ型储氢瓶的冲击行为,利用LS-DYNA有限元仿真软件建立了典型车载储氢瓶的破片冲击模型,重点研究了在不同内压及破片与瓶体不同夹角下气瓶的冲击响应,并探讨了其损伤数据的变化规律。结果表明:内压与损伤深度及损伤面积都呈现出显著的负相关的关系,总体上呈现先急后缓的趋势,可见内压对于储氢瓶起到了一定的保护作用;当破片与瓶体夹角为90°时,气瓶被穿透,破片着靶角度45°比着靶角度0°对气瓶损伤效果更低;当储氢瓶内压较高时,由于纤维层被破坏,内压会对气瓶造成损伤。由此可见,内压对储氢瓶的防护效果的影响是显著的,但由于碳纤维材料特性,其防护能力较低,建议实际使用时添加外部防护单元。

碳纤维复合芯导线缺陷检测技术现状及进展

碳纤维复合芯导线有着低密度、高强度、高弹性模量、低线损等诸多优点,可以大幅度提升线路的运输容量,但是因为不耐弯折与其他人为因素使得其内部存在各种缺陷,最终导致断线事故的发生,严重危害线路的运行安全。分析了碳纤维复合导线的应用现状,总结了几种碳纤维复合芯导线的常用无损检测技术,针对各种技术的原理和特点进行了分析,简要叙述了相关技术的优点与不足。最后指出碳纤维复合芯导线的无损检测技术依然需要大量的研究工作。

破片侵彻含内衬碳纤维复合材料圆筒损伤机理

为研究含内衬碳纤维复合材料圆筒在破片侵彻下的损伤机理,基于LS-DYNA有限元仿真软件,采用Chang-Chang损伤准则和Cohesive界面单元,建立了考虑分层损伤的含内衬碳纤维复合材料圆筒在破片侵彻下的数值仿真模型。通过仿真计算破片对碳纤维复合材料圆筒的动态侵彻过程,得到了碳纤维层和金属内衬层的应力云图和损伤结果,研究了含内衬复合材料圆筒在破片侵彻作用下的损伤机理、吸能特性和破片初始速度对复合材料圆筒损伤模式的影响。研究结果表明:含内衬复合材料圆筒的损伤状态包括纤维断裂、层间分层、内衬凹陷、内衬破孔和复合材料层与内衬层分离。当破片速度为300 mm/s时,复合材料层的层间分层损伤程度处于较低状态,内衬层凹陷程度最大并形成破孔,复合材料层和内衬层的分离程度最大,内衬层的吸能比达到最大;当破片速度小于300 mm/s时,破片未完全穿透圆筒,复合材料层和内衬层的损伤程度较低,复合材料吸能比大于内衬层吸能比;当破片速度大于300 mm/s时,复合材料层的损伤模式为剪切冲塞,层间分层面积逐渐增大,内衬层凹陷程度逐渐降低,分离程度逐渐降低,内衬层吸能比降低并稳定在0.53左右。

70 MPa车载Ⅳ型储氢气瓶关键技术及标准化研究

随着燃料电池汽车产业的发展,大容积70 MPa车载Ⅳ型储氢瓶已成为现阶段氢能应用的重要任务之一。本文通过对国内外70MPa车载Ⅳ型储氢气瓶研发和应用现状的调研,系统地描述了车载Ⅳ型储氢瓶各项关键技术的研制进展,对比分析国内外车载Ⅳ型瓶标准化现状及检验检测技术要求,为70MPa车载Ⅳ型储氢气瓶国产化研制、标准制定提供参考。

碳复合纤维储氧瓶的设计及可靠性研究

针对现有矿用自救器质量重、抗疲劳性能差等问题,将氧气瓶与碳复合纤维材料相结合,设计了一种碳复合纤维储氧瓶。通过竞品分析、试验测试和数值模拟等方法,开展了碳复合纤维储氧瓶可靠性研究,获取了关键技术参数,分析不同工况下碳纤维缠绕储氧瓶内胆的应力分布。结果表明:碳纤维缠绕储氧瓶与钢制气瓶相比,瓶重减小了25.7%,工作压力提高了15.0%,氧气储气量提高了30.0%;碳复合纤维材料的最小拉伸强度和弯曲强度分别为760和822 MPa;30 MPa工作压力、爆破压力以及300 N冲击载荷作用下,碳纤维缠绕储氧瓶内胆的最大应力分别为343.6、1168、8.7 MPa,均满足规范要求。

碳纤维缠绕复合材料储氢气瓶的研制与应用进展

氢能是21世纪最有潜力的新型能源,具有高能、环保、可再生等优点,但氢气的储运技术滞后严重限制了其大规模应用。碳纤维缠绕复合材料氢气瓶因具有质量轻、韧性强、耐疲劳性好等优点,在储氢领域具有广阔的应用前景。本文综述国内外高压气态储氢技术研究现状,并结合国产碳纤维复合材料应用现实,论述了碳纤维缠绕储氢气瓶制备的技术要点、标准规范以及成型设备等方面的最新进展,展望了碳纤维缠绕储氢气瓶的产业前景。

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。

碳纤维膜多层复合结构吸波体的宽化设计与制备

依据电磁吸收传输线理论,利用碳纤维/环氧树脂复合,设计制备了一种结构吸波一体化复合吸波涂层。研究表明,通过调整碳纤维膜等效方阻,可实现吸波结构的宽化设计。采用3层膜结构复合设计,可实现4.8~18GHz频带吸收量都在-8dB以下,在5~7.8,13~18GHz频带吸收量都在-10dB以下,实现了超宽频吸收效果。

一种全复合材料卫星天线承力筒的研制

针对卫星天线承力筒轻质、高轴向模量、低轴向热膨胀的需求，文章开展了承力筒总体成型方案设计、材料基础热力学性能测试及产品试制等工作，并通过了实验考核。结果表明：对于材料的热力学性能，按经纬向比例1︰2编织的M40J炭布层压板在常温下纬向拉伸模量为118GPa，纬向拉伸强度为771MPa；在（-190～150）℃范围内，纬向热膨胀系数为（0.3～1.4）×10-6℃-1，经向热膨胀系数为（0.3～5.3）×10-6℃-1。该复合材料承力筒比铝质承力筒质量减少40%以上。复合材料承力筒经过（-170～120）℃/24h、6.5个循环的高低温循环实验考核，产品无残余变形，内部未出现开裂、分层等现象。

环境温度对架空导线用碳纤维复合芯成型工艺及性能的影响

研究了两种不同树脂体系黏度与环境温度、凝胶化时间与温度的关系,确定了用于拉挤工艺的树脂体系。采用该树脂体系制备了架空导线用碳纤维复合芯,分析了环境温度对碳纤维复合芯制品成型工艺和拉伸强度的影响,采用扫描电子显微镜分析了碳纤维复合芯的拉伸断裂机理。结果表明,环境温度对碳纤维复合芯的拉伸强度及表观性能影响较大,当环境温度变化较大时如不及时调整成型工艺参数,复合芯制品会出现堵模、白粉、沟痕等缺陷;当环境温度为30℃时复合芯制品拉伸强度最高。

碳纤维承力筒一体化结构设计及试验验证

为了减小卫星结构质量并保持良好的力学传递性能,文章在不改变原中心承力筒构型和外部接口的情况下,对碳纤维T800H树脂基复合材料的桁条加筋承力筒进行了锥柱一体化的结构设计,包括:采用可行方向法优化了承力筒的尺寸,确定了蒙皮单层铺层厚度和铺层方式,对端框进行了一体化的设计,以及各部件采用胶接的方式。优化后的承力筒结构质量减小约52.4%。对该承力筒在整星状态下进行相应的力学分析,完成了承力筒静力试验和整星的振动试验,结果表明,该承力筒的结构性能满足使用要求。

ACCC在输电线路改造中应用的技术经济分析

结合我国220 kV改造线路的典型参数,分析了应用型线同心绞碳纤维复合材料芯软铝绞线(ACCC,JLRX/T)的技术经济性及其优点,并调研了其在国内外的应用情况。分析结果表明:ACCC的应用从技术上讲是可行的,从经济上讲是合理的;ACCC的出现为解决线路增容和减少输电走廊等问题提供了一种新的途径。

特高压直流输电线路碳纤维六分裂导线提线钩的研制与应用

针对带电更换特高压直线塔绝缘子串六线提线钩重量大,导致作业人员劳动强度大、危险系数高、工作效率低的问题,通过结构优化、碳纤维预浸料铺层工艺设计以及固化工艺探索,设计研制碳纤维六线提线钩。通过力学仿真对提线钩上主体和副钩分别进行受力特性分析,计算发现提线钩上主体受力薄弱部位位于顶端螺栓连接孔处,当施加3倍额定荷载(240 k N)时,最大变形位移为0.51 mm,最大应力为1.9×10~8 Pa;副钩受力薄弱部位位于副钩螺栓连接处,当施加3倍额定荷载(40 k N)时,最大位移为0.91 mm,最大应力为1.7×10~8 Pa。经力学试验测试,该提线钩最大破坏力为260 k N,满足240 k N的设计要求。碳纤维六线提线钩的成功研制,为碳纤维复合材料在特高压带电作业中的应用奠定基础。

大型碳纤维复合材料气瓶在压缩天然气储运领域中的研制与应用进展

采用碳纤维缠绕成型技术制造的大型压缩天然气(CNG)气瓶,具有质量轻、强度高、疲劳强度好,耐腐蚀等特点,可以满足海洋油田天然气开发及天然气的陆上储运等领域的应用需求。本文综述了国际上大型碳纤维复合材料CNG气瓶的研制及应用现状,结合国内天然气开发及储运和国产碳纤维复合材料应用的现实,提出了研制大型CNG复合材料气瓶应突破的关键技术、标准规范以及成型装备等。

碳纤维复合材料在食品处理用高压设备上的应用研究

本文首先介绍了食品处理用超高压技术的应用及发展情况,以及超高压设备的基本分类和主要结构等。然后从设计要求、技术指标和制造工艺等方面重点论述了碳纤维复合材料在超高压设备上的高压筒体和承压框架上的应用可行性。最后,展望了超高压设备的应用前景以及复合材料在超高压设备上的应用潜力。

PCCP复式碳纤维加固1∶1模型试验研究

针对PCCP的预应力钢丝断裂数目增多给PCCP运行带来的安全隐患问题,提出了PCCP复式碳纤维加固技术。在原型PCCP内壁进行了现场测试,证实了PCCP复式碳纤维加固技术的可行性。试验采用电阻应变片和光纤两种测量手段,监测了1∶1模型在内水压力作用下断丝对PCCP内壁混凝土及碳纤维的影响。试验结果表明:与传统碳纤维加固方案相比,对4 m管径的PCCP采用内壁复式碳纤维加固方案可提高碳纤维的拉应力水平约4~5倍。

碳纤维复合材料气瓶的CT检测实验研究

目前国内碳纤维复合材料气瓶的定期检验对于内部缺陷还没有成熟的无损检测方法,射线检测可以对内部缺陷进行定性检测,CT检测技术可实现缺陷的精确定位和定量。针对某型号呼吸器用碳纤维复合材料气瓶的结构特点,依据有关定期检验标准,制作各种缺陷,开展CT检测实验研究。结果表明该技术对表面缺陷和纤维层内部缺陷都有很好的检出效果。以厚度2 mm的铝内胆为基础,对缺陷的位置和深度进行了估算。

三种T700级碳纤维及其复合材料性能比较

对MT700、T700-A及T700-B三种碳纤维拉伸性能、表面形貌、单向板力学性能及网格加筋圆筒轴压稳定性进行逐级对比研究。结果表明:MT700碳纤维拉伸性能达到同级别进口碳纤维水平且具有高模量特征;MT700碳纤维表面均布沟槽的结构特点使得MT700/603复合材料体系表现出良好的界面性能和拉伸-压缩匹配性,单向板压缩强度、层剪强度及弯曲强度均明显高于T700-A/603和T700-B/603;MT700/603网格加筋圆筒轴压破坏强度及模量分别达到870 k N和108.2 GPa,相比于T700-B/603分别提高11.5%和33.1%。MT700碳纤维更适用于制备航天领域结构复杂承力构件。