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2010年  第27卷  第4期

导流介质对真空导入模塑工艺树脂流动行为的影响
2010, 27(4): 1-8.
摘要:
采用可视化流动实验方法研究了高渗透率导流介质对真空导入模塑工艺中树脂流动行为的影响。结果表明: 导流介质能较大幅度地减少树脂的充模流动时间, 且充模时间随着导流介质使用比例的增加而呈线性减少的关系; 导流介质的提速作用随着预成型体厚度的增加而逐渐减弱; 预成型体上下表面树脂流动前沿位置差距与预成型体厚度呈良好的线性增加关系, 说明导流介质的影响作用具有明显的厚度效应。厚度效应原理为真空导入模塑工艺过程的参数优化和保证制品质量提供了理论依据。
炭黑碳纤维填充双组分聚合物体系的导电网络及其阻温特性
2010, 27(4): 9-14.
摘要:
以2种不同形态尺寸的导电填料炭黑(CB)、 碳纤维(CF)填充双组分聚合物体系高密度聚乙烯(HDPE)聚丙烯(PP), 制备了四元导电复合材料。研究了导电网络的结构形态及其对材料阻温特性的影响。光学显微镜及SEM 观察表明: 炭黑选择性地分布于HDPE中, 体系中HDPE与PP呈双连续相分布, 形成双渗流导电网络结构。而具有较高长径比的碳纤维在两相基体中均匀分布并贯通多个相区, HDPE导电相区的碳纤维相互桥接形成导电网络。电性能测试结果表明: 体系的体积电阻率与CB/HDPEPP及CBCF/HDPE三元复合体系相比下降了1~5个数量级。同时, 双渗流导电网络的存在也有效抑制了负温度系数(NTC)效应, 提高了循环稳定性。与CBCF/HDPE体系相比, CBCF/HDPEPP体系的NTC效应从2个数量级下降到0.6个数量级, 电阻特征弛豫时间从951s增加到了2370s。
三维针刺碳毡增强碳/氮化硼复合材料的力学和介电性能
2010, 27(4): 15-20.
摘要:
三维针刺碳毡中碳纤维的排布方式有利于电磁波的吸收。采用碳基体和氮化硼(BN)基体与三维针刺碳毡复合, 可望获得耐高温吸波复合材料。本文中采用先驱体浸渗裂解法(PIP)制备多孔三维针刺碳/碳(C/C)复合材料, 再利用化学气相渗透法(CVI)将BN引入C/C复合材料中, 最终获得了C/C--BN复合材料。研究了CVI时间对三维针刺C/C--BN复合材料微结构、 力学性能及介电性能的影响规律。随着CVI时间的增加, C/C--BN的密度增加, 孔隙率降低, 抗弯强度提高, 介电常数增加,介电损耗降低。在CVI时间达160h后, C/C--BN密度为1.43g/cm3, 总气孔率为25%, 抗弯强度达到82MPa。
NiFe2O4/T-ZnOW复合材料的制备及磁性能
2010, 27(4): 21-25.
摘要:
采用化学镀法在四角氧化锌晶须(T-ZnOW)表面包覆NiFe2O4镀层, 制备了NiFe2O4/T-ZnOW复合材料。利用X射线衍射仪、 扫描电镜、 能谱分析仪、 振动样品磁强计对镀覆前后T-ZnOW的结构、 形貌等进行了表征。结果表明, 化学镀覆后, 在T-ZnOW表面包覆了致密的尖晶石型NiFe2O4镀层, T-ZnOW针尖部位生成的镀层厚度比根部薄。NiFe2O4/T-ZnOW复合材料具有软磁特性。随着退火温度的升高, 复合材料的饱和磁化强度和矫顽力逐渐升高, 在800℃达到最高。
新型可降解α-TCP/多元氨基酸共聚物复合材料制备与表征
2010, 27(4): 26-30.
摘要:
通过原位共聚制备了一种新型可降解α-磷酸钙/多元氨基酸共聚物复合材料, 采用FTIR、 XRD、 SEM和模拟体液浸泡法对其性能进行表征。结果表明: 该复合材料由具有聚酰胺结构的氨基酸共聚物和α-磷酸钙组成; 该材料初期降解较快, 浸泡1周后材料失重6.8%, 12周后材料总失重为20.1%; 降解产物无强酸性物质, pH在6.6~7.0范围内; 材料吸水率在11%左右, 浸泡过程中无明显变化。扫描电镜分析表明, 浸泡2周后, 材料表面变得光滑, 并有少量沉积物生成; 随着浸泡时间增加, 表面沉积物逐渐增加, 12周时大量的沉积物几乎覆盖了样品全部表面。XRD分析表明沉积物为羟基磷灰石, 这说明材料具有良好的生物活性; 浸泡12周后, 去除样品表面沉积物, 用XRD分析其直接接触液体的表面和未接触液体的内部表面, 发现材料表面的两相结晶峰宽化, 而材料内部无显著变化, 表明该复合材料可能是一种表面腐蚀降解材料。该新型复合材料可望在骨修复和组织工程方面得到广泛应用。
SiC-ZrO2纳米颗粒协同强韧化MoSi2陶瓷的组织与性能
2010, 27(4): 31-37.
摘要:
通过热压烧结制备SiC-ZrO2/MoSi2复相陶瓷以及对比试样MoSi2、ZrO2/MoSi2、SiC/MoSi2陶瓷, 利用X射线衍射仪、 透射电镜以及力学性能测试仪器等对材料组织和力学性能进行了研究。结果表明: 纳米ZrO2、 SiC颗粒的加入可以有效细化MoSi2基体晶粒, 纳米ZrO2、SiC颗粒协同作用更有利于提高MoSi2基陶瓷的抗弯强度和断裂韧性, 协同相中纳米SiC颗粒细化和强化MoSi2基体的效果要好于纳米ZrO2颗粒; 20vol%SiC+10vol%ZrO2+MoSi2复相陶瓷抗弯强度是MoSi2的3.8倍, 断裂韧度是MoSi2的2.4倍; 在复相陶瓷基体以及粒子周围存在不同特征的位错组态, ZrO2可以依靠自身相变的体积效应向基体泵入或输送位错, 钉扎位错的第二相粒子包括SiC粒子和未相变的ZrO2小粒子, 弥散相特别是晶内型SiC和ZrO2粒子对复相陶瓷位错的钉扎作用明显。
不同配系自反应喷射成形复相陶瓷坯件的组织与性能
2010, 27(4): 38-44.
摘要:
以化学反应摩尔比配制的Ti-B4C-C(以蔗糖为前驱体)为基础体系, 再分别添加5wt%Al、 5wt%Al+20wt%Al-Ni、 5wt%Al+20wt%Cu-Ni组成4种反应体系, 进行自反应喷射成形Ti(C,N)-TiB2基复相陶瓷坯件试验, 研究比较4种反应体系喷射沉积坯件的组织与性能特点。研究发现, 4种坯件的组织结构均表现为以Ti(Cx, Ny)-TiB2为主相, 以其它产物为副相的特点, 且微/纳米尺度的TiB2棒晶弥散分布在Ti(Cx, Ny)基体相内, 其它副相则不规则地散布于整个坯件之中, 此外坯件内部均不同程度地存在孔隙。Ti-B4C-C-Al体系的喷射沉积坯件硬度最高, 这与其主相所占比重较大并存在Al2O3等硬质相有关; Ti-B4C-C-Al+Cu-Ni体系的喷射沉积坯件的致密度和弯曲强度最低, 这与喷射过程中碳的氧化损失严重, 碳氮化钛中氮含量与其它副产物相增多有关; Ti-B4C-C-Al+Al-Ni体系的喷射沉积坯件的致密度、弯曲强度和断裂韧性最高, 这是由于该坯件内除存在裂纹偏转与裂纹被钉扎外, 还出现了微裂纹增韧机制。
原位聚合法制备纳米凹凸棒土/聚乳酸复合材料
2010, 27(4): 45-51.
摘要:
将凹凸棒土(AT)进行提纯和有机改性后, 采用原位聚合法制备了OAT质量分数为1%、 3%、 5%的纳米凹凸棒土/聚乳酸复合材料(OAT/PLA-x)。采用红外、 扫描电镜、 X射线衍射等对复合材料进行了表征, SEM结果表明, 凹凸棒土粒子在复合材料中实现了均匀稳定分散。复合材料的力学性能和综合热性能测试表明: OAT/PLA-3复合材料的拉伸强度、 弹性模量分别比纯PLA增加98.6%和130.0%; 复合材料的热稳定性明显提高。同时, 复合材料的溶液降解速率也明显加快。
碳纤维/双马树脂预浸料固化过程动态力学性能
2010, 27(4): 52-58.
摘要:
采用动态力学分析法(DMA)对碳纤维/双马树脂预浸料恒温、升温过程中动态力学性能的变化进行了研究, 结合DSC、偏光显微镜确定了碳纤维/双马树脂预浸料的软化、熔融、凝胶、玻璃化转变及反应始终点的表征方法, 考察了预浸料各转变点随升温速率、温度、频率的变化规律以及预浸料的反应规律。结果表明, DMA能很好地表征碳纤维/双马树脂预浸料加热固化中的多种物理化学转变。由于双马树脂基体在180 ℃以上的反应机制与在180 ℃以下的不同, 这2个温度范围内碳纤维/双马树脂预浸料恒温固化终点的反应程度、力学转变率随恒温温度的变化规律不同。
高性能有机纤维单丝复合体系界面粘结性能实验研究
2010, 27(4): 59-63.
摘要:
采用单丝复合体系多次断裂法, 通过对纤维单丝断点数的统计及其断点形貌的分析, 考察了PBO纤维、 芳纶Twaron纤维、 超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)3种高性能有机纤维与韧性环氧基体的界面剪切强度; 并对比考察了界面剪切强度与对应复合材料单向板层间剪切强度之间的关系; 结合XPS、 SEM等手段分析了有机纤维表面物理化学特性对界面剪切强度的影响。结果表明, Twaron/环氧的界面剪切强度高于PBO/环氧, UHMWPE/环氧的界面粘结弱, 该方法不能测试; 上述体系界面剪切强度与对应的复合材料单向板层间剪切强度变化趋势是一致的; 表面化学活性高的纤维对应的界面剪切强度高。
高能量超声波改性MWCNTs/环氧树脂特性分析
2010, 27(4): 64-69.
摘要:
采用高能量超声波与低能量超声波对一种多壁碳纳米管(MWCNTs)/环氧树脂体系进行改性处理, 结合流变仪、 DSC、 FTIR、 XPS、 XRD、 TEM等测试手段, 分析了不同超声波处理条件下MWCNTs物理化学特性的变化及其对MWCNTs在环氧树脂中的分散性和相容性的影响, 并进一步考察了MWCNTs/环氧树脂体系的耐热性和弯曲性能。实验结果表明: 超声波能量不同, MWCNTs的改性效果不同, 高能量超声波对MWCNTs有更好的分散效果和分散效率, 并能使MWCNTs表面活性增强, 而低能量超声波则不明显; 添加少量高能量超声波改性的MWCNTs, 可以提高环氧树脂的弯曲模量和玻璃化转变温度, 表明MWCNTs与基体之间形成了较强的结合界面。
复合材料构件热压罐成型工艺质量的群子理论分析
2010, 27(4): 70-74.
摘要:
基于热压罐成型复合材料构件的无损检测数据, 利用群子统计理论分析了复合材料构件结构形式与成型质量的关联性, 建立了分层面积的群子模型, 获得了反映分层面积倾向性的群子参数, 对热压罐成型复合材料构件的工艺质量进行了评价。结果表明, 在所统计的航空复合材料构件中, 构件的分层面积分布以小分层为主, 构形复杂(如工形件)、过薄(1~2 mm)或过厚(>5 mm)的复合材料构件产生大分层的倾向性增大, 同时分层面积分布的分散性也增大, 成型质量不易控制。
聚芳基乙炔树脂基复合材料固化缺陷的产生机制
2010, 27(4): 75-80.
摘要:
针对石英纤维增强聚芳基乙炔(PAA)树脂基复合材料固化微裂纹缺陷问题, 采用差示扫描量热、 红外光谱、 顶杆示差、 三点弯曲及金相分析等方法, 通过PAA树脂的固化反应、 收缩特性分析, 研究了树脂浇注体力学性能、 增强体结构形式、 纤维体积分数对裂纹缺陷产生的影响。结果表明, PAA树脂固化收缩率大、 树脂脆性是PAA复合材料中裂纹缺陷产生的主要原因, 提高纤维含量、 减少富树脂区有助于抑制裂纹缺陷, 并且采用酚醛树脂对PAA进行改性后, 亦可有效减少裂纹的产生。
三维夹芯层连织物复合材料真空辅助成型工艺影响因素
2010, 27(4): 81-86.
摘要:
三维夹芯层连织物复合材料是由纤维连续织造呈空芯结构的织物作为增强体制备而成的新型轻质复合材料, 本文中以三维夹芯层连织物复合材料为研究对象, 发展了适用于酚醛树脂的真空辅助成型工艺方法, 重点考察了影响复合材料制造质量的关键因素。结果表明, 芯柱高度对织物的抗压缩能力与厚度回复率影响显著, 热处理有利于织物的厚度回复; 注射过程中, 树脂沿织物平面纬向渗透速率大于经向, 使用高渗透率介质层、 降低树脂黏度有助于提高树脂在层连织物中的分布均匀性。
斜缝与Z-pin混合增强泡沫夹层复合材料力学性能实验研究
2010, 27(4): 87-93.
摘要:
结合斜缝合增强和Z-pin增强2种方法, 采用混合增强方法制备泡沫夹层结构, 并对这种结构材料的平压、 平拉和剪切力学性能进行了实验研究, 考察了不同混合比例对其力学性能和破坏模式的影响。结果表明, 夹层结构中, 随着Z-pin比例的增加, 压缩强度和模量增大; 随着斜缝合比例的增加, 拉伸强度、模量以及剪切强度增大; 但不同混合增强试样的剪切模量差别不大。
热压罐零吸胶工艺树脂压力在线测试及其变化规律
2010, 27(4): 94-99.
摘要:
针对碳纤维缎纹布/环氧914预浸料热压罐零吸胶工艺, 采用热压成型过程树脂压力在线测试系统监测树脂压力的大小与分布, 分析了真空、外加气压对树脂压力的作用规律, 通过显微观察研究了真空及外加气压对孔隙缺陷的影响。实验结果表明, 所采用的在线测试系统可以定量分析真空在铺层内的作用程度和树脂压力的变化; 零吸胶工艺树脂承担了大部分外压且沿层板厚度及面内方向分布均匀; 真空通过铺层内的气路通道排出夹杂空气, 其作用程度受到树脂黏流状态和铺层密实程度的影响; 不同压力条件下复合材料层板孔隙状况与树脂压力的测试结果相吻合。
改性酚醛树脂处理剂对石英纤维增强芳基乙炔复合材料性能的影响
2010, 27(4): 100-105.
摘要:
采用改性酚醛树脂作为石英纤维表面处理剂来提高石英纤维增强芳基乙炔复合材料(SF/PAA)界面性能。通过性能测试, 研究处理剂对力学性能和介电性能的影响。通过XPS和SEM分析方法, 研究了酚醛树脂表面处理剂对复合材料界面官能团变化和微观形貌的影响。性能测试结果表明改性酚醛树脂处理剂可以显著提高PAA复合材料的力学性能和介电性能。XPS分析结果表明酚醛树脂处理后的石英纤维表面与酚醛树脂发生了化学反应, SEM研究表明酚醛树脂处理后的复合材料界面粘结性能得到显著提高。
氨丙基倍半硅氧烷/有机硅杂化涂层抗原子氧侵蚀
2010, 27(4): 106-110.
摘要:
为了提高航天器用有机硅涂层的抗原子氧侵蚀性能, 用氨丙基倍半硅氧烷交联固化环氧有机硅树脂, 在聚酰亚胺基材上制备出杂化涂层, 并对杂化涂层进行了地面原子氧暴露试验, 分析了试验前后杂化涂层表面形貌、 化学成分和化学结构的变化。结果表明, 氨丙基倍半硅氧烷阻止了有机硅涂层中微裂纹的产生, 避免了“淘蚀”现象, 材料质量损失明显下降。在原子氧暴露过程中, APOSS分子中的O和Si从低的结合能态慢慢向高的结合能态(氧化态)转变, 在表面生成了SiO2保护层, 阻止了原子氧对底层材料的进一步侵蚀。
界面对ABS/PA6共混体系脆韧转变及断裂行为的影响
2010, 27(4): 111-117.
摘要:
合成了反应性核壳结构增韧剂ABS-g-MA和ABS-g-AA增韧PA6, 2种增韧剂的唯一差别在于壳层接枝的反应性单体不同, 从而在与PA6共混过程中相界面存在差异, 研究在其他参数都相同的条件下, 界面性质对ABS/PA6共混体系脆韧转变及断裂行为的影响。Molau试验与扭矩试验证实ABS-g-MA/PA6共混物具有更佳的界面强度。TEM结果表明2种增韧剂在PA6中均匀分散, 然而力学测试结果表明ABS-g-MA/PA6共混物在分散相质量分数为25%~30%时发生脆韧转变,冲击强度可以达到900 J/m以上, ABS-g-AA/PA6共混物在分散相质量分数为30%~35%时发生脆韧转变。SEM结果表明ABS-g-MA/PA6共混物断面发生显著的塑性形变。TEM表明ABS-g-MA/PA6共混物的形变机制为橡胶粒子的空洞化与塑料基体的剪切屈服, 而ABS-g-AA/PA6体系没有空洞化现象, 基体剪切屈服不明显。Vu---Khanh方法测试表明, 由于ABS-g-MA/PA6共混物更高的界面强度, 共混物具有更高的Gi值, 因此冲击韧性极佳。
聚氨酯/环氧树脂互穿网络半硬泡沫的力学性能及吸能特性
2010, 27(4): 118-123.
摘要:
采用同步法制备了聚氨酯/环氧树脂互穿聚合物网络(IPN)半硬泡沫。通过压缩和拉伸试验研究了泡沫材料密度对力学性能的影响。研究表明, 在所研究的密度范围内, 泡沫的压缩模量和屈服强度均与密度成指数关系。泡沫的拉伸模量和断裂强度与密度也存在类似的关系。利用这些方程可以很好地预测泡沫力学性能随密度的变化关系。IPN泡沫兼有较好的韧性和较高的拉伸强度。相同形变下, 相同密度IPN半硬泡沫拉伸过程的单位体积吸能大于压缩过程的单位体积吸能。
含裂纹功能梯度Euler-Bernoulli梁和Timoshenko梁的屈曲载荷计算与分析
2010, 27(4): 124-130.
摘要:
含裂纹构件的屈曲载荷是结构是否安全的判定准则之一, 其计算与分析也是结构健康监测和安全评价中关注的重要问题。基于Euler-Bernoulli梁理论和Timoshenko梁理论, 建立了一种求解含裂纹功能梯度材料梁的屈曲载荷计算方法。首先裂纹导致的构件截面转角不连续性由转动弹簧模型进行模拟, 再根据功能梯度材料Euler-Bernoulli梁和Timoshenko梁的屈曲控制方程及其闭合解, 由传递矩阵法建立了求解含裂纹功能梯度材料梁在多种边界条件下屈曲载荷的循环递推公式和特征行列式, 使问题通过降阶的方法得到快速准确的解答。数值算例研究了剪切变形、 裂纹的不同数目及位置、 材料参数变化、 长细比和不同边界约束条件等对含裂纹功能梯度材料梁屈曲载荷的影响。结果表明该方法可以简单、 方便和准确地计算不同数目裂纹和任意边界条件下功能梯度材料梁的屈曲问题。
超薄金属内衬复合材料压力容器的结构分析
2010, 27(4): 131-138.
摘要:
采用有限元方法对超薄金属内衬复合材料压力容器结构进行分析。在分析中, 几何模型中的封头段考虑了复合材料铺放角度和厚度沿平行圆半径变化, 材料模型中的复合材料层和内衬层分别选用复合材料层合板理论和弹塑性理论进行分析, 二者之间的界面变形协调性及不可贯入性引入接触分析进行考虑。数值结果表明:在工作压力下, 容器复合材料层纵向应变均为拉应变, 环向存在部分压应变, 内衬层发生塑性变形; 卸载后, 容器的复合材料层处在拉应力状态, 内衬层处在压应力状态。在此基础上, 利用容器的简化模型, 根据内衬层最大变形点荷载位移曲线实现了容器内衬层局部屈曲模拟。容器水压应变测试和内衬局部屈曲观测结果与数值模拟结果吻合较好, 验证了本文中分析的可靠性。
混杂CFRP/GFRP筋HPC梁的非线性梁壳组合单元研究
2010, 27(4): 137-146.
摘要:
对于混杂CFRP/GFRP筋高性能混凝土(HPC)梁, 研究一种新的三维非线性梁壳组合单元, 对HPC梁进行了全过程分析。引入实体退化壳单元理论, 利用空间梁单元模拟预应力CFRP筋, 并根据CFRP筋单元节点线位移和转角位移的协调性, 推导CFRP筋单元对梁壳组合单元刚度矩阵的贡献, 同时对GFRP筋和HPC梁采用分层壳单元模拟。并运用Jiang屈服准则、 Madrid强化准则等描述混凝土的材料非线性, 提出一种新的非线性梁壳组合单元, 研制相应的三维非线性计算程序。计算结果与试验数据吻合良好, 说明本文构造的非线性梁壳组合单元的正确性和研制程序的可靠性, 以及混凝土材料非线性描述的合理性; 采用组合单元能准确模拟CFRP筋的几何构形, 能综合考虑其拉压弯剪性能, 利于全面地反映配筋对结构的增强作用。
纤维聚合物复合材料的有效湿扩散系数
2010, 27(4): 147-151.
摘要:
根据纤维聚合物复合材料的微观结构, 建立了基于复合材料单胞模型的湿扩散计算方法, 研究了不同温度和不同体积分数下纤维聚合物复合材料的湿扩散性能。假设纤维是不可渗透的, 并在聚合物基体中均匀分布, 计算了不同温度不同体积分数下复合材料的有效湿扩散系数。结果表明: 复合材料的有效湿扩散系数随温度的升高而增大, 随纤维体积分数的增大而减小; 在相同温度、 相同体积分数下, 正六边形排列的纤维复合材料的湿扩散系数比正方形的略大。计算结果及经验公式与Gueribiz曲线基本一致, 说明用单胞模型计算复合材料的湿扩散性能是非常有效的, 有助于理解纤维复合材料的湿扩散机制和性能。
对流换热边界条件的多孔材料主动散热性能
2010, 27(4): 152-159.
摘要:
通过推导2种不同换热边界条件下平板夹层多孔材料的散热指标, 研究了考虑对流换热因素的平板夹层多孔材料主动散热性能, 得到了影响材料散热性能的因素。分析了在确定的相对厚度下, 不同构型多孔材料的相对密度与散热指标的关系, 并得出正六边形构型的散热指数最大。随着相对厚度的增大, 最大散热指标和最优相对密度增大较快, 当相对厚度大于20时, 最大散热指标和最优相对密度变化较小并最终趋于定值。由上述结果可以得到相对应的最小质量, 随着最小质量的增大, 最大散热指标增大并最终趋于定值。在相同的最大散热指标下, 随着表面换热系数比值的增大, 最小质量逐渐减小。最后考虑承载因素对结构进行了优化分析, 正六边形构型的多孔材料具有明显的综合性能优势。
矩形组合截面四步法二次三维编织及其空间模型可视化
2010, 27(4): 160-167.
摘要:
针对矩形组合截面1×1三维编织, 根据其主体纱和边纱的特点, 在四步法和分组编织的基础上, 通过对2组编织纱线依次进行四步法移动, 实现了矩形组合截面四步法二次三维编织算法。根据此算法, 利用Python脚本语言和GUI工具Tkinter编写了纱线运动模拟程序, 分析了纱线运动规律。对纱线中心线控制点做了3次Beta-Splines样条插值, 利用VTK构建了三维编织物的空间可视化模型, 并允许对该模型进行直观的人机交互操作。
复合材料圆柱壳中心受横向集中载荷作用的渐进破坏非线性有限元分析
2010, 27(4): 168-173.
摘要:
旨在建立能够正确预计复合材料圆柱壳的屈曲和后屈曲渐进破坏行为的模拟策略。采用有限元方法和Hashin失效准则进行模拟, 基于该失效准则编写了用户材料子程序, 然后插入到商用有限元软件ABAQUS中。分析了中心受横向集中载荷作用复合材料圆柱壳板, 壳板的2条直边弹性支持, 2条曲边自由。为了探讨弹性边界条件和集中载荷作用点应力集中的影响, 将有限元分析结果与文献中的试验结果进行了比较, 提出了一种合理的弹性边界选取依据。研究结果表明, 在建模中考虑了弹性边界和集中载荷作用点处存在的应力集中后, 本文中模拟的结果与文献中的试验结果比较接近, 模拟精度明显高于文献中报道的结果。这也验证了本文中建立的模拟策略的合理性。
用变分渐近法进行复合材料层合板仿真及三维场重构
2010, 27(4): 174-179.
摘要:
为有效模拟和准确重构复合材料层合板三维应力/应变/变形场, 基于变分渐近方法构建单斜对称的复合材料层合板渐近修正理论和重构关系。主要内容包括: 基于旋转张量分解概念用一维广义应变和翘曲表示板的三维应变场, 以考虑包括板翘曲变形在内的所有变形; 基于变分渐近法将原三维问题分析严格拆分为非线性二维板分析(等效单层板模型)和沿法线方向的一维线性分析; 通过层合板厚跨比和二维应变量阶数2个较小参数将应变能渐近修正到第二阶, 并转换为Reissner形式以便于实际应用; 利用生成的二维板变形和翘曲函数精确重构三维场。通过一具有20层复合层合板的柱形弯曲算例表明: 基于该理论和重构过程开发的渐近变分程序VAPAS重构生成的三维应力场精确性较一阶剪切变形理论和古典层合理论更好, 与三维有限元精确解相一致。
Z-pin增强复合材料层合板断裂韧性试验研究
2010, 27(4): 180-188.
摘要:
针对Z-pin增强复合材料层合板, 开展了断裂韧性的试验研究。研究选取了3种Z-pin直径(0.28、 0.52、 0.80mm)且每种直径下分别以3种分布形式(5×5、 8×8、 10×10)排布Z---pin的增强方式, 为了确定比较基准, 试验中同时测试了不含Z-pin的复合材料层合板试样。通过Z-pin拔出试验测试了3种直径Z-pin从基体拔出过程中的载荷位移关系。利用双悬臂梁试验和端部开口弯曲试验分别测试了不含Z-pin和含Z-pin试样的Ⅰ型断裂应变能释放率GⅠC、 Ⅱ型断裂应变能释放率GⅡC。试验结果表明:  与不含Z-pin的结构相比, Z-pin增强试样的Ⅰ型断裂应变能释放率GⅠC增大了83%~1110%, Ⅱ型断裂应变能释放率GⅡC增大了23%~438%; 在相同Z-pin体积含量下, 与增大Z-pin直径相比, 增大Z-pin分布密度能更有效地提高复合材料层合板的断裂韧性。
空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料力学性能
2010, 27(4): 189-194.
摘要:
对不同填充质量比的改性空心玻璃微珠(HGB)/环氧树脂复合材料进行了拉伸、压缩准静态实验。研究了改性空心玻璃微珠不同填充量对复合材料密度、弹性模量、拉伸强度和压缩强度的影响, 并分析其应力松弛。实验发现, 材料的各项数据随填充比增加均有所降低。空心玻璃微珠的填入使材料表现出脆性破坏, 但破坏前有较大的变形, 破坏后回弹率大, 说明玻璃微珠的填充增强了材料的弹性。HGB/环氧树脂复合材料具有明显的应力松弛现象, 且填充比越高, 应力松弛速率越大, 可见HGB/环氧树脂复合材料具有明显的黏弹性。
含孔天然纤维织物复合材料力学性能
2010, 27(4): 195-199.
摘要:
研究了含孔天然苎麻纤维织物/异氰酸酯复合板在双轴向拉伸载荷下的力学行为。对0.5、1.0、2.0、4.0mm 4种孔径板进行了单向和双轴向载荷拉伸试验, 同时采用数字散斑相关方法对全场位移及孔径大小对应变的影响进行了表征。结果表明: 当载荷线性变化时孔周围的位移场分布较为均匀; 随着载荷接近破坏值, 位移场呈非线性分布并出现高应变值点, 破坏以极快的速度沿孔边在这些点首先发生。随着孔径的增大, 在1000~2000N双轴向载荷下孔周围相同面积内x、y方向正应变的平均值减小, 应变值波动小但范围增大。材料在单向和双轴向拉伸时表现出不同的力学特征: 双轴向载荷下失效强度要比单向拉伸时低, 降低比例为14%~27%, 且随着孔径的增加而增加。