基于Fibersim的碳纤维复合材料油底壳设计

在汽车轻量化背景下,对金属油底壳进行碳纤维复合材料轻量化设计。首先从轻量化程度、设计性和安全性三个方面出发确定油底壳构件碳纤维复合材料化的可行性;其次,通过Catia软件对原金属油底壳进行结构简化处理,根据复合材料结构设计的规范,去除相关后期机加工结构。通过等刚度替换原理初步确定碳纤维复合材料油底壳的总体厚度为3 mm。依据结构优化、工艺设计和铺层结构等方面的设计规范,利用Fibersim软件进行油底壳结构的铺层设计,探讨盒类复杂件的铺层裁剪方案。分别对碳纤维复合材料油底壳结构的0°,90°,–45°和45°的铺层进行铺覆可行性分析,对不满足铺覆可行性的铺层分别使用剪口和分块方案并评估,最终依据不合格率和完整度两项指标确定剪口方案为最佳方案。

低速冲击载荷下CFRP-Al多胞薄壁管的耐撞性

为了研究低速冲击载荷下碳纤维复合材料-铝(CFRP-Al)多胞薄壁管的吸能特性,进行了单胞混合管的落锤冲击实验及有限元可靠性验证,提出了多胞混合管的模型设计方案。探讨了肋板数目、CFRP缠绕角度、胞元壁厚和CFRP层数对多胞混合管轴向抗冲击性能的影响规律。结果表明,加入肋板结构后,多胞混合管的最大压溃距离较单胞混合管下降了44.2%,抗变形能力明显提高。缠绕角度为[60°/-60°/90°]的多胞混合管表现出最佳的综合耐撞性能。当CFRP与Al管厚度比t C∶t Al为3∶4~9∶4时,比值越大,抗变形能力越强,比值越小,吸能性越好。运用灰色关联方法计算了不同权重方案下的灰色关联度,对各多胞混合管的综合耐撞性进行了排序及评价。评价结果表明,肋板数目越多,胞元壁厚越小,多胞混合管的耐撞性越好。

碳纤维-氧化石墨烯/环氧树脂复合材料的制备及表征

采用改进的Hummers法制备了五种具有不同氧化程度的氧化石墨烯(GO)。借助元素分析、X射线光电子能谱及FTIR红外光谱测试对所制备GO的组成及结构衍变进行了表征。利用光学显微镜对不同GO在固化剂异佛尔酮二胺(IPDA)中的分散状态进行观察,并将分散效果最佳的GO试样用于改性碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料。结果表明,随着氧化剂用量及反应时间的增加,GO的氧化程度也随之增加。在氧化程度较低时,GO表面官能团主要以羰基、羧基和酚羟基为主。随着氧化程度的不断提高,GO表面官能团主要为醚、环氧和醇羟基结构。GO在IPDA中的分散状态与其氧化程度密切相关,氧化程度最低和最高的GO均出现明显的聚集现象。另外,GO表面在分散过程中可被IPDA化学改性。在EP基体中加入分散效果最佳的GO(0.2wt%)后,与CF/EP复合材料相比,CF-GO/EP复合材料的弯曲强度、层间剪切强度和II型层间断裂韧性分别提高了14%、17%和14%。

CF/PPS热塑复材试片感应焊接工艺初步研究

通过热电偶在位监控,研究了CF/PPS热塑复材试片感应焊接过程中的温度变化过程及温度分布情况。在此基础上探索了试片感应焊接工艺,重点研究了风冷、加压两种工艺方法对感应焊接效果的影响。观察了焊接试片形貌,分析了焊接工艺参数、方法对焊接试片形貌的影响。测试了感应焊接试片的单搭接强度,并与模压制造的单搭接试片性能进行了对比,提出了对工艺方法进一步改进的设想。

准静态轴压载荷下Al-CFRP梯度混合管的多目标优化设计

依据功能梯度结构设计原理,采用变厚度碳纤维复合材料层缠绕金属铝管的方式制备了Al-CFRP梯度混合样管,采用准静态轴向压缩实验对比了纯Al管、等厚度混合管以及梯度混合管的压溃与吸能特性,验证了梯度管的力学性能优势。在以上分析的基础上建立了梯度混合管有限元模型,通过对比压溃过程中具有典型压溃特征的6个压溃瞬时,发现有限元模型的压溃特性与变形模式均与实验结果具有较高的吻合度。分析了不同梯度系数下Al管壁厚和纤维缠绕角度对梯度混合管压溃性能的影响。结果表明,Al管壁厚对结构压溃性能影响显著,梯度系数对结构的峰值载荷和压溃力效率影响较大,碳纤维复合材料缠绕角度对结构压溃性能影响较小。为获取最优梯度混合管设计方案,采用基于响应面的多目标映射优化方法获得了吸能特性提升显著的梯度混合管结构形式。