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2018年  第35卷  第8期

柔性吸声隔音降噪纺织复合材料
张春春, 巩继贤, 范晓丹, 李辉芹, 李政, 张健飞
2018, 35(8): 1983-1993. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180410.002
摘要:
柔性吸声隔音降噪纺织复合材料由于能够提供比传统纺织品更宽的吸声域,比传统降噪材料轻薄、柔软、透气和易加工而备受关注。开发基于纺织材料的聚合物复合材料是近年来噪声控制领域的热点研究方向之一。本文从新型纤维、降噪功能填料和柔性降噪纺织复合材料3个方面综述了国内外柔性吸声隔音纺织品的研究进展,并归纳总结了柔性降噪纺织品的制备方法,进一步对柔性吸声隔音降噪纺织品的发展趋势进行了展望。
发泡CaCO3/杜仲胶形状记忆复合材料的制备与表征
王彦, 夏琳, 董月, 辛振祥
2018, 35(8): 1994-2001. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171128.005
摘要:
天然杜仲胶的反式有序性结构使其具有较强的结晶能力,交联程度较低时可用作形状记忆材料。本文以热膨胀物理微球Expancel 920DU40为发泡剂制备了发泡CaCO3/杜仲胶(EUG)形状记忆复合材料,采用SEM、FTIR、DSC、DMA和万能材料试验机等对Expancel 920DU40的组分及受热膨胀特性和不同交联程度的CaCO3/EUG形状记忆复合材料的结晶熔融行为、微观形貌、形状记忆行为及力学性能进行了表征。结果表明,Expancel 920DU40的外壳为丙烯腈均聚物或与其他单体的共聚物,内部为液态烷烃; CaCO3/EUG形状记忆复合材料的力学性能与其交联程度和发泡程度有关;随着交联程度的增加,EUG的结晶和熔融温度降低,形变率、形状固定率和形状回复率均降低,当S用量为0.8 g时形状记忆性能最佳;调控交联程度可以获得具备不同形状记忆能力的CaCO3/EUG形状记忆复合材料。
玄武岩纤维布增强树脂基复合材料约束高温损伤混凝土轴压力学性能
欧阳利军, 许峰, 陆洲导
2018, 35(8): 2002-2013. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170926.002
摘要:
对36个玄武岩纤维布增强树脂基复合材料(BFRP)约束加固的高温损伤混凝土圆柱体和15个不同高温损伤的对比试件进行了轴压试验。试验表明,BFRP侧向约束能显著改变混凝土圆柱体的破坏形态,提高混凝土圆柱体的轴压强度和变形能力。其中二层BFRP包裹的200℃、400℃、600℃和800℃高温损伤混凝土圆柱体的轴压强度分别提高了56%、82%、234%和250%,轴向变形分别提高了328%、198%、232%和136%。采用典型的纤维增强复合材料约束常温未损伤混凝土轴压强度和变形计算模型预测纤维增强复合材料约束高温损伤混凝土轴压极限强度和极限变形时存在较大的偏差。基于本文试验数据,确定了BFRP约束高温损伤混凝土极限应力和极限应变计算模型中与温度相关的参量,建议了适用于预测纤维增强复合材料约束高温损伤混凝土的极限应力计算模型和极限应变计算模型。
复合材料帽形加筋壁板轴压屈曲与后屈曲性能
汪厚冰, 陈昊, 雷安民, 魏宏艳, 陈丽敏, 李新祥
2018, 35(8): 2014-2022. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171120.001
摘要:
针对2种边界条件和3种板元宽度情况,采用几种屈曲方法对轴压载荷作用下的复合材料帽形加筋壁板进行了计算,得到了不同情况下的屈曲载荷,通过对复合材料加筋壁板几种计算方法的计算结果与试验结果的对比,得到一种更简单有效计算复合材料帽形加筋壁板轴压屈曲载荷的方法;依据帽形加筋壁板的结构特点和试验后的破坏模式,提出一种估算复合材料帽形加筋壁板轴压破坏载荷的方法,用该方法在几个项目上的计算结果与试验结果进行比较,发现两者较吻合,验证了复合材料帽形加筋壁板轴压承载能力估算方法的合理性,为结构设计人员在初始设计阶段对复合材料帽形加筋壁板轴压强度评估提供了一种简洁的途径。
玻璃纤维增强聚丙烯复合材料制孔损伤
王福吉, 郭会彬, 贾振元, 马建伟, 成德, 胡海波
2018, 35(8): 2023-2031. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171206.006
摘要:
为抑制玻璃纤维增强聚丙烯复合材料(GF/PP)制孔损伤并提高其制孔效率,本文通过钻削实验获得多种进给速度下的GF/PP复合材料钻削轴向力和出口温度,使用高速摄影设备对刀具钻出过程进行在线观测,研究出口材料去除过程及其损伤成因,分析进给速度对GF/PP复合材料制孔损伤的影响规律。结果表明:GF/PP复合材料的钻削出口温度在低速进给时显著升高,在高速进给时基本趋于稳定;出口撕裂是重要的出口损伤形式,成因是大片毛刺受副切削刃的撞击和撕挤,进给速度过高或过低均会加剧损伤; 0°毛刺在低速进给时较严重,入口撕裂在高速进给时较严重。
基于变环肋间距的碳纤维/环氧树脂复合材料格栅加筋截顶圆锥壳体稳定性
石姗姗, 陈秉智, 孙直, 陈浩然
2018, 35(8): 2032-2038. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171027.003
摘要:
研究均布外压作用下具有非均匀特征的碳纤维/环氧树脂复合材料格栅加筋(AGS)圆锥壳体构型优化。首先,充分考虑复合材料格栅圆锥壳体中格栅非均匀分布造成结构小端材料利用不充分问题,提出变环肋铺设间距的优化分布方式,使格栅在截顶圆锥壳体结构上小端疏大端密。之后,基于考虑格栅非均匀分布及变环肋间距铺设特征的等效刚度模型,并采用最小势能原理得到环肋铺设优化后的AGS圆锥壳体临界载荷值解析式。针对典型锥壳的有限元验证表明解析算法的误差在1%左右,证实了本文提出的分析方法的可靠性和有效性。最后,通过对环肋间距优化圆锥壳体的参数分析,发现优化环肋分布方式可以使AGS锥壳结构的外压稳定性大幅上升。本文研究内容为碳纤维/环氧树脂复合材料AGS圆锥壳体的优化设计提供了一种具有较高承载力的构型,并为此类结构的计算提供了解析算法。
刚性卵形头弹撞击角度对编织复合材料层合板侵彻特性的影响
邓云飞, 袁家俊, 徐建新
2018, 35(8): 2039-2045. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170829.004
摘要:
利用一级气炮发射卵形头弹撞击2 mm厚度的编织复合材料层合板,撞击角度分别为0°、30°和45°,通过高速相机记录弹靶撞击过程,并获得弹体速度数据。基于拟合公式处理试验数据,计算获取弹道极限,分析撞击角度对弹道极限、靶板能量吸收率及其失效模式的影响规律及机制。结果表明:弹体撞击角度为45°时,靶板弹道极限最高,其次为0°,撞击角度为30°时最小。随着冲击角度增加,层合板损伤形状从菱形逐渐转变为椭球形,损伤面积随冲击速度增加而增大,且45°冲击时层合板损伤面积最大,0°和30°冲击时损伤面积近似相等。弹体初始撞击角度对靶体失效模式存在影响,弹体撞击角度为0°时,纤维断口主要是剪切应力导致的横截面。撞击角度为30°时,纤维断口主要是剪切应力和拉伸应力导致的斜截面。45°斜撞击时,纤维断口主要是拉伸应力导致的横截面。
高压静电场对玻璃纤维增强聚丙烯复合材料预浸料浸渍和断裂的影响
任峰, 谢兴阳, 曹敏华, 李莹, 信春玲, 何亚东
2018, 35(8): 2046-2054. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171027.002
摘要:
采用熔融浸渍工艺生产连续纤维增强热塑性树脂基复合材料,纤维预分散至关重要。结合现有机械分散装置,根据纤维束在高压静电场受静电场力的原理,设计并引入高压静电场分丝装置,对纤维束进行二次分散。结果显示,经过高压静电场分丝,促进了纤维束分散和纤维单丝之间的均匀性,改善了连续玻璃纤维增强聚丙烯(GF/PP)复合材料预浸料纤维和聚合物表面结合,降低了纤维分丝过程中的磨损和断裂,使通过此法制得的GF/PP复合材料预浸料的力学性能得到显著提升。实验表明,当静电场上下极板之间距离为20 cm、高压静电场电压30 kV时,GF/PP复合材料预浸料力学性能最优。
盐溶液干湿循环对CFRP-混凝土界面粘结性能的影响
王吉忠, 杨俊龙, 崔文佳
2018, 35(8): 2055-2064. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170829.003
摘要:
为了考察盐溶液干湿循环条件对碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)-混凝土界面粘结性能的影响,本文采用5%的NaCl溶液来模拟海水环境,经过不同次数的干湿循环后,利用单面剪切试验对48个试件界面性能的变化情况进行了研究,分析了上述环境对界面破坏形式、界面承载力及界面剪应力等参数的影响。结果表明:在盐溶液干湿循环作用下,界面粘结性能发生显著地退化,具体表现为,随着干湿循环次数的增加,界面承载力会不断降低,且下降程度与混凝土强度和CFRP的粘贴尺寸有关,界面剪应力在不同环境下的分布具有相似性,即荷载的不断增加会使剪应力逐渐由加载端向自由端传递,但在传递过程中,有效传递区域的长度不会发生改变。
星载蜂窝夹层结构固面天线反射器的热变形
周涛, 叶周军, 史耀辉, 梁燕民, 郝旭峰, 钱元
2018, 35(8): 2065-2073. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171020.001
摘要:
针对固面天线反射器在轨运行时自身结构因素受环境温度变化引起热变形的问题,以一口径为1.2 m的星载蜂窝夹层结构固面反射器为研究对象,首先采用有限元仿真软件详细分析了温度由20℃降到-80℃时,不同蒙皮材料、胶层厚度、蜂窝刚度和蜂窝的热膨胀系数(CTE)对反射器热变形型面精度均方根(RMS)的影响规律,其次采用热压罐成型工艺制备了M55J和T300蒙皮材料的两种典型蜂窝夹层结构反射器对仿真结果进行试验验证。结果表明:M55J蒙皮材料发射器的热变形比T300蒙皮材料反射器的小,同时发现发射器的热变形与胶层的厚度基本呈线性关系,胶层厚度越薄,反射器的热变形越小,且当胶层厚度一定时,蜂窝的热变形占主导因素,其刚度变化值提升2倍时影响趋势突变,此时蒙皮刚度对蜂窝热变形的抑制作用明显,当蜂窝的CTE改变11倍时,反射器热变形RMS改变值大于80%。经试验测得环境温度由20℃降到-80℃时两种典型反射器的热变形的RMS值和仿真计算差值分别为15.7%和15.2%,证明仿真结果可靠,可通过优化相应的结构参数为星载天线反射器的设计提供参考。
基于涡流成像的碳纤维增强树脂基复合材料细观结构可视化
程军, 杨继全, 裘进浩, 季宏丽, 高木敏行
2018, 35(8): 2074-2083. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170927.001
摘要:
对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的细观结构成像方法进行了研究,利用涡流成像技术实现了CFRP层合板中纤维方向及纤维缺失、褶皱和空隙过大等缺陷的可视化。首先通过有限元仿真和电路理论分析了CFRP板中涡流的生成机制和分布特性,阐述了基于涡流法的CFRP细观结构成像机制。然后介绍了用于扫描成像的高频涡流检测(HF-ECT)实验系统并确定了涡流探头的形式及其参数。最后利用涡流成像技术分别对单层板、正交层合板和四方向斜交层合板进行了检测,绘制了涡流检测(ECT)信号的三维伪彩图并得到了清晰的纤维纹路分布。通过引入滤波去噪技术和二维快速傅里叶变换(2D-FFT)对图像进行进一步处理,提高了图像分辨率并完成了不同方向上纤维纹路的分离,从而实现对层合板每单向层中缺陷的精确定位。
一种自适应抽样的代理模型构建及其在复材结构优化中的应用
郭述臻, 昂海松, 蔡红明
2018, 35(8): 2084-2094. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170904.003
摘要:
提出了基于一种自适应抽样和增强径向基插值的自适应代理模型方法,这种自适应抽样方法以确定适量的样本点数量和提高代理模型自适应能力为目的,使新增样本点位于设计空间的稀疏区域并确保所有的样本点均匀分布于设计空间以提高代理模型精度。标准误差用来判断代理模型的精度大小并决定是否对代理模型进行更新。一种条件随机抽样被用来对比本文的自适应抽样方法。经过对比验证发现,采用自适应抽样方法的代理模型精度比条件随机抽样方法的代理模型精度高。这种自适应代理模型结合多岛遗传算法被用来优化旋翼臂的碳纤维增强环氧树脂复合材料铺层角度使得旋翼臂的一阶模态频率最大。优化结果表明,不同的碳纤维增强环氧树脂复合材料铺层角度对旋翼臂的一阶模态频率值影响较大,优化结果获取了最优铺层角度,旋翼臂的一阶模态频率值被提高以远离激励频率而避免旋翼飞机的共振。
基于树脂流动的变截面复合材料结构固化过程热-流-固多场强耦合数值仿真
李树健, 湛利华, 白海明, 蒲永伟
2018, 35(8): 2095-2102. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170915.001
摘要:
在考虑树脂流动对固化温度场影响的基础上,将树脂流动引入经典热-化学模型,并在考虑了固化过程材料性能时变特性条件下,建立了复合材料热-流-固多场强耦合有限元模型。通过对比文献中未考虑树脂流动对温度场的影响,本文所建模型温度场较实际结果的最大温差更低,厚度密实精度更高,模型可靠性更好。基于所建热-流-固强耦合有限元模型,对变截面复合材料结构固化过程进行数值仿真。研究发现,变截面复合材料结构较厚区域存在明显温度场、固化度场及树脂流场分布梯度,纤维体积分数分布不均性较大,这与结构不同区域的厚度、固化过程温度传递滞后及局部树脂流动受固化效应不同步产生的影响有关。变截面复合材料结构厚度由3.52 mm增加至42.24 mm,截面最大温差由0.3℃增加到34.3℃,纤维体积分数分布不均匀性由0.1%增加到1.3%。
加捻植物纤维增强树脂基复合材料偏轴拉伸非线性多层次角度融合建模
李永平, 李岩
2018, 35(8): 2103-2109. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171206.002
摘要:
针对加捻植物纤维增强树脂基复合材料偏轴拉伸非线性力学行为,以宏、细观相结合的思路,建立了融合植物纤维微纤丝角、纱线加捻表面捻转角和复合材料偏轴拉伸角的多层次角度融合本构模型,在实际计算时,由于微纤丝角的随机性、难于测量和对复合材料偏轴拉伸性能相对表面捻转角和偏轴拉伸角的较小影响,假定微纤丝角是常量,计算时仅考虑表面捻转角和偏轴拉伸角,适当简化。最后,利用单向亚麻纤维织物增强环氧树脂基复合材料拉伸实验数据和文献数据验证模型的有效性,模型计算结果与实验结果吻合较好。
利用外方内圆模型预测单向连续纤维增强树脂基复合材料的横向弹性模量
李艳茹, 程忠庆, 姜海波
2018, 35(8): 2110-2115. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170920.003
摘要:
为了对连续纤维增强树脂基复合材料的横向弹性模量进行较高精度的解析计算,利用代表性体积单元横截面为正方形基体包裹圆形纤维的外方内圆模型,采用先并联后串联和先串联后并联的两种计算方式进行公式推导,借助于Mathematica软件进行符号积分运算,获得了横向弹性模量的2组解析解,将其中间值作为预测值,给出了预测值的近似公式,并与一组实验数据进行了比较。研究表明,外方内圆模型能较好地反映客观实际,利用Mathematica软件可以解决计算困难的问题;将解析解的中间值作为横向弹性模量的预测值,与一组实验数据比较,显示解析计算的相对误差基本在10%以内;给出的近似公式形式简单,且其曲线能较好地吻合中间值曲线,在纤维体积分数小于75%的范围内,近似公式与中间值公式计算结果之间的最大误差不超过7%。
雾化溅射干燥法制备氧化石墨烯-SiO2/天然橡胶复合材料
汪传生, 刘洁, 宋凤鹏, 边慧光, 胡亚菲, 梁栋
2018, 35(8): 2116-2123. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171205.001
摘要:
将天然胶乳(NRL)、氧化石墨烯(GO)分散液与SiO2悬浮液3种液体通过机械搅拌充分混合,在高压气相雾化作用下,混合液先被打散成微小液滴,形成一次破碎;该液滴后经高温金属板表面溅射爆破,形成二次破碎,达到分散效果,然后液滴被瞬间脱水干燥获得GO-SiO2/天然橡胶(NR)母胶。GO与SiO2在雾化、溅射和爆破作用下,在NR中达到微观分散效果。结果表明,与普通絮凝湿法混炼工艺相比,雾化溅射干燥工艺可以使GO和SiO2在NR基体中分散更均匀。Payne效应结果表明:雾化溅射工艺减弱了GO片层与SiO2间的相互作用。雾化溅射干燥工艺制备的GO-SiO2/NR硫化胶的拉伸强度提高了13.6%,撕裂强度提高了31.5%,耐磨性能提高了16.7%;动态力学性能结果表明,用该工艺制备的GO-SiO2/NR复合材料在60℃左右损耗因子更低。
硫铝酸盐水泥基复合相变储能砂浆的制备及其性能
桑国臣, 曹艳洲, 樊敏, 朱轶韵, 赵钦
2018, 35(8): 2124-2131. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170925.001
摘要:
采用熔融共混法制备“低密度聚乙烯(LDPE)-石蜡-石墨”复合定形相变材料(SSPCM),并以硫铝酸盐水泥作为胶凝材料,制备了硫铝酸盐水泥基复合相变储能砂浆(TESCCM)。利用SEM、激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)、DSC和TGA分析了SSPCM和TESCCM的微观形貌、蓄热能力和热稳定性。通过测试TESCCM的抗压和抗折强度,分析了SSPCM含量对TESCCM力学性能的影响,并利用自制热性能测试箱评价了TESCCM的热调节性能。结果表明:LDPE能够形成多层次网状结构,可实现对相变石蜡的有效包裹,所制备的SSPCM热焓值可达88.02 J/g; SSPCM与水泥基体结合良好; TESCCM具有热稳定性好、强度增长快、早期强度高及调温性能显著等特点。SSPCM含量增加会使TESCCM的强度降低,但对材料的韧性却有所改善。对于SSPCM与水泥质量比为50%的TESCCM,1天和3天抗压强度分别为5.58 MPa和6.51 MPa,28天压折比为2.7。
氧化石墨烯增强水泥基复合材料的力学性能及微观结构
彭晖, 戈娅萍, 杨振天, 刘扬, 吕毅刚
2018, 35(8): 2132-2139. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170919.001
摘要:
本文采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)悬浮液,通过FTIR、XRD和AFM等测试技术对GO晶体结构和尺寸形态进行了表征,考察了GO掺量和水灰比的变化对GO增强水泥基复合材料力学性能和微观结构的影响。结果表明:GO增强水泥基复合材料抗折抗压强度随GO掺量增加而先提高后降低,且对于抗折强度增强效果远超过抗压强度,当GO掺量为0.03%时,抗折强度达到最大值13.72 MPa;高水灰比条件下掺入GO对水泥胶砂强度的提高更显著;通过SEM对GO增强水泥基复合材料微观结构进行表征,发现GO能够优化水泥水化产物的微观结构形态,细化晶体尺寸,形成更加致密均匀的网络结构,从而改善水泥基复合材料的宏观性能。
基于分数阶黏弹性模型的温拌改性沥青低温性能
宋云连, 张扬, 吕鹏
2018, 35(8): 2140-2148. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171108.002
摘要:
基于分数阶黏弹性模型,通过低温弯曲梁流变试验(BBR)分析RH和Evotherm温拌剂对苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青低温性能的影响。结果表明:利用BBR试验数据拟合出的分数阶黏弹性模型参数可较好地预估温拌改性沥青的蠕变柔量和蠕变速率; RH温拌剂可以提高SBS改性沥青的阻尼比和耗散能比,但Evotherm温拌剂在低于-18℃时不能够提高;因7种沥青按照阻尼比和耗散能比排序相同,故也可以将阻尼比作为温拌改性沥青低温性能的一种评价指标; RH可以改善沥青的蠕变柔量,提高黏性流动柔量,且掺量越高改善效果越好,但不能提高黏弹性比,故不能用黏弹性比评价温拌SBS改性沥青的低温性能,而Evotherm温拌剂的规律性不强;两种温拌剂都在低于-24℃时对SBS改性沥青的低温性能改善不佳。
复合多聚磷酸改性沥青混合料疲劳性能
李超, 王岚
2018, 35(8): 2149-2157. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170925.003
摘要:
采用四点小梁弯曲疲劳试验方法,考虑不同试验温度和不同应变水平等因素的影响,研究多聚磷酸(PPA)-苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)复合改性沥青混合料疲劳性能的变化规律,并与SBS改性沥青混合料进行对比。结果表明:相同条件下,PPA-SBS改性沥青混合料比SBS改性沥青混合料残留劲度模量比大,损伤因子小,稳定阶段耗散能变化率的平均值小,疲劳损伤演变小,抗疲劳性能好;同一温度下,应变水平越大,残留劲度模量比越小,损伤因子越大,耗散能变化率维持稳定阶段的平均值越大,疲劳损伤演变越剧烈,抗疲劳性能越差;同一应变水平下,15℃时沥青混合料试件的抗疲劳性能优于10℃时。
沥青砂浆多次损伤自愈合性能
崔亚楠, 于庆年, 韩吉伟, 张淑艳, 陈瑞璞
2018, 35(8): 2158-2165. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171206.007
摘要:
沥青砂浆由沥青、细骨料及填料三部分组成,对沥青混合料的性能具有重要影响。为对比分析自愈温度、自愈时间、老化程度及损伤程度对两种沥青砂浆愈合性能的影响,采用四因素三水平正交试验方法设计沥青砂浆小梁弯曲损伤愈合试验,选出最显著影响因素,进行多次间歇期的损伤自愈合试验。利用J积分理论对沥青砂浆的愈合程度进行价评,将断裂韧性Jc作为沥青砂浆损伤愈合的评价指标。试验结果表明:断裂韧性Jc能够表征沥青砂浆内部能量释放过程,可以很好的评价沥青砂浆的愈合能力;老化程度是影响沥青砂浆愈合性能的主要因素,与基质沥青砂浆相比,苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)改性沥青砂浆在多次损伤自愈合后的愈合性能更好;随着损伤次数的增大两种沥青砂浆的愈合度都显著下降。试验结果可为沥青混合料性能研究及路面养护提供参考依据。
新颖圆形多胞复合填充结构的耐撞性
闫晓刚, 张勇, 林继铭, 徐翔, 赖雄鸣
2018, 35(8): 2166-2176. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170906.001
摘要:
提出一种新颖的圆形多胞复合填充结构,该结构采用蜂窝和泡沫两类材料的交错复合填充。采用实验验证与数值研究相结合的方法,系统地研究了蜂窝和泡沫材料在全填充、部分填充及交互填充结构中的耐撞性。研究结果表明,针对单一材料填充的多胞圆管,部分填充结构比全填充结构具有更好的耐撞性能,其中,环形蜂窝填充结构(H40)和中心泡沫填充结构(F01)具有更优异的能量吸收特性。针对双材料复合填充的多胞圆管,则是中心泡沫填充与环形蜂窝填充的复合结构(F01H40)具有最佳的耐撞吸能性。最后,进一步结合Kriging近似技术与粒子群数值优化方法,对复合填充结构进行多目标优化设计,探索其最优耐撞性与最优参数匹配。结果表明,环形蜂窝部分填充结构(H40)、中心泡沫填充与环形蜂窝填充的复合全填充结构(F01H40)具有最优的耐撞性能。
芳纶纤维对炭黑/丁苯橡胶复合材料疲劳行为的影响
周宗淘, 罗筑, 钟金成, 刘春利, 李鹏
2018, 35(8): 2177-2184. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171023.001
摘要:
使用短芳纶纤维(AF)增强炭黑/丁苯橡胶(CB/SBR)复合材料,研究AF对复合材料疲劳行为的影响。在应力控制条件下,少量AF的加入使缺口试样的疲劳寿命提高了25.5倍;疲劳使试样的储能模量(G')降低,AF的加入使疲劳后试样的Payne效应降低,G0'/G100'值降低10.5%;复数模量随疲劳周期增加而降低,但少量纤维能使复合材料的复数模量保持在较高的水平,30 000周疲劳下AF-CB/SBR的复数模量仍为CB/SBR的1.73倍;疲劳后AF-CB/SBR复合材料的100%和300%定伸应力随疲劳变形量的增加而先增大后降低,断裂伸长率有所下降。试样疲劳后相对于拉伸变形量,纤维的增强作用产生滞后效应,相对界面滑脱能随疲劳应变幅度的增加而降低; SEM结果显示,疲劳后橡胶基体出现一定的剥离,纤维与橡胶界面受到损伤。
纳米CaCO3对水泥-石灰石粉浆体流变作用
肖佳, 周书会, 王大富, 彭扬轩, 范波
2018, 35(8): 2185-2190. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171124.001
摘要:
试验采用Rheolab QC型旋转黏度计测试了掺纳米CaCO3的水泥-石灰石粉浆体的流变曲线,应用Herschel-Bulkley流变模型对其剪切应力-速度(τ-γ)曲线进行拟合,得到浆体的动态屈服应力、稠度系数和流变指数,并用触变环面积表征浆体的触变性。结果表明:随石灰石粉掺量的增加,水泥-石灰石粉浆体的动态屈服应力逐渐减小,稠度系数增大,触变性先增大后减小;纳米CaCO3未改变水泥-石灰石粉浆体的流变类型都呈现出剪切稀化行为;随纳米CaCO3掺量的增加,水泥-石灰石粉浆体动态屈服应力和稠度逐渐增大,触变性减小,纳米CaCO3使水泥-石灰石粉浆体流变性能变差,但使其稳定性增强。
碱侵蚀对玄武岩纤维/沥青流变性能的影响
李理, 刘朝晖, 柳力, 李盛, 刘靖宇
2018, 35(8): 2191-2198. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170824.004
摘要:
为增强玄武岩纤维(BF)/沥青流变性能,采用1.0 mol/L及2.5 mol/L NaOH溶液对BF进行侵蚀,通过ESEM试验和FTIR试验对其表面细观形貌进行了细观观测及分析。结果表明:原样BF表面光滑,NaOH侵蚀后的BF呈现明显的NaOH产物包裹BF现象,且随着NaOH的浓度及侵蚀时间的增加,BF的—OH含量增加;通过ESEM试验、动态剪切流变仪(DSR)试验及低温弯曲流变仪(BBR)试验,研究了BF/沥青的拉拔断口形貌及流变性能。结果表明:随着BF的侵蚀程度越严重,沥青与BF粘结性能和BF/沥青流变性能越好,且得到了NaOH对BF侵蚀的最佳侵蚀时间和浓度分别为45 min和2.5 mol/L。
橡胶颗粒-钢纤维混掺对碾压混凝土抗冻性及抗冲击性能的影响
龚升, 张武满, 张劲松
2018, 35(8): 2199-2207. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170920.002
摘要:
本文研究了在质量分数为25%的醋酸钾(KAc)为冻融介质的环境中,橡胶颗粒(RP)-钢纤维(SF)混掺对碾压混凝土(RCC)抗冻性及抗冲击性能的影响,获得了冻融过程中RCC的抗弯冲击性能、相对动弹性模量、质量损失、微观形貌及孔结构变化等参数。结果表明:RCC累计质量损失随冻融次数增加而增大,RP对质量损失的影响较小,而SF能较明显控制质量损失快速增长,300次冻融循环后累计质量损失仅83.94 g/m2; RP能降低RCC的总孔隙率约0.6%,而SF能有效降低总孔隙率,但冻融后期锈蚀作用会导致总孔隙率迅速增长; SF能极大RCC提高抗弯冲击性能,试验条件下抗冲击次数从3~5次水平提升至140~170次水平,而RP对冲击性能并无明显影响,冻融结束掺有SF试验组RCC初、终裂次数降幅超过70%,但终裂次数仍达到30~40次的水平,绝对韧性均随冻融次数增加逐渐降低; RCC相对动弹模量均表现出先降低后缓慢回升的规律,掺有SF试验组下降阶段相对更短且幅度更小,最大仅8%,而RP影响并不明显,但4组降低程度均在10%内。
空气浴条件下三水醋酸钠相变材料的储热性能实验
赵亮, 邢玉明, 芮州峰, 王泽, 刘鑫
2018, 35(8): 2208-2215. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170926.003
摘要:
三水醋酸钠(CH3COONa3H2O)作为一种无机相变储能材料,具有潜热值高、导热性能好等优点,但是其在凝固过程中过冷度大制约了CH3COONa3H2O的应用。为了调节CH3COONa3H2O在空气浴条件下的过冷度,本文选用Na2HPO412H2O、Na2CO310H2O、Na4P2O710H2O、Na3PO412H2O、Na2SiO39H2O、Na2S2O39H2O和Na2B4O710H2O这7种无机水合盐材料作为成核剂,采用步冷曲线法在高低温试验箱中进行过冷度调节实验和热循环实验。结果表明:在空气浴条件下,质量分数为96% CH3COONa3H2O+2% Na2HPO412H2O+2%羧甲基纤维素的复合相变材料过冷度最小,为5.6℃;将复合相变材料进行25、50和75次热循环后,其相变点温度几乎维持不变,过冷度随循环次数增加而逐渐增大,相变潜热值随循环次数的增加逐渐减小。本研究丰富了CH3COONa3H2O相变材料的过冷度调节方案,为其工程化应用提供了参考。
CFRP布端绕双杆自锁加固混凝土窄梁抗弯试验
周朝阳, 于亚男, 熊造, 贺学军
2018, 35(8): 2216-2221. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171115.002
摘要:
为了抵抗粘贴碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)加固钢筋混凝土结构中常见的剥离破坏,发明了将CFRP布端部以特定方式绕平行双杆实现自锁的方法。鉴于窄梁截面宽度有限,提出将CFRP布贴梁受拉底面布置后,用安装在梁侧面的双L形端锚装置固定双杆,形成侧锚底贴加固方案。完成了5根混凝土强度较低的矩形截面梁四点弯曲试验,其中4根采用上述锚固方式抗弯加固,检验了锚固效果,考察了CFRP布宽度及其沿全长与梁底面是否粘结对加固效果的影响。试验结果表明,采用本文方法进行加固后,端部剥离得以避免,中部剥离即使发生,或在无粘结加固梁受力后期,CFRP布仍能承担较大拉力,因此,极限荷载较对比梁有明显提高。比较而言,CFRP布与梁底有粘结时加固效果更好,CFRP布宽度加大也对提高承载力有益。
结构用橡胶集料混凝土受压全曲线试验及其本构模型
赵秋红, 王菲, 朱涵
2018, 35(8): 2222-2234. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171109.001
摘要:
针对结构用橡胶集料混凝土(CRC)应保证与普通混凝土等强,而此类CRC单轴受压全曲线试验研究有限,尚无较成熟单轴受压本构模型的情况,分别进行了3组粒径为1~2 mm、掺量为0~100 kgm-3的CRC立方体试块单轴受压试验及棱柱体试块受压应力-应变全曲线试验。结果表明:通过综合采用NaOH碱溶液处理橡胶颗粒及配合比优化设计的方法,可以精确控制CRC与普通混凝土等强,且峰值应变及极限应变明显增加,试块破坏过程温和缓慢,破坏时完整性较好。同时,现有的普通CRC单轴受压本构模型不适用于此类结构用CRC,而普通混凝土单轴受压Carreira-Chu本构模型虽与试验曲线吻合尚可,但其对CRC的适用条件有待考证。最后,通过曲线拟合试验数据,得到以过镇海模型为基础的结构用CRC本构模型参数的建议取值,以用于此类结构构件的分析与设计。
飞机典型薄壁复合材料夹层结构整体屈曲
万玉敏, 张发, 刘长喜, 成强, 孔德拴, 张博明
2018, 35(8): 2235-2245. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180402.006
摘要:
为了研究飞机机身无筋无框复合材料典型薄壁夹层结构在型号上应用的可行性,本文采用解析方法、有限元方法和试验方法对蜂窝夹层复合材料结构的面内压缩和剪切整体屈曲开展系统研究。基于经典层合板理论和工程解析方法推导蜂窝夹层复合材料的压缩和剪切屈曲载荷随试验件尺寸的变化规律。依据某型飞机机身典型结构分别设计压缩和剪切试验件尺寸大小、边界条件和加载方式。利用有限元商用软件ABAQUS对试验设计建立虚拟试验分析,对比验证解析方法和有限元方法的一致性。最后通过真实试验方法确定解析方法和有限元方法的有效性,并验证典型薄壁夹层结构的承载能力和破坏模式。结果显示,压缩试验结果失效模式与理论预测一致,故3种方法得到的结构整体失稳载荷相近,验证了理论方法的有效性;剪切试验结果发生局部破坏,故试验结果偏低,但有限元方法与解析方法所得结果一致,解析方法相对保守。
基于FTIR和RBF网络的二元脂肪酸/SiO2相变储湿复合材料热湿性能优选预测
宗志芳, 陈德鹏, 卜双双
2018, 35(8): 2246-2251. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171026.003
摘要:
采用溶胶-凝胶法制备二元脂肪酸(BFA)/SiO2相变储湿复合材料,既具有相变调温性能,又具有储湿调湿性能,还能满足无机材料的相容性。研究溶液pH值、超声波功率、去离子水用量、无水酒精用量及BFA用量对BFA/SiO2相变储湿复合材料结构的影响规律,通过FTIR分析BFA/SiO2相变储湿复合材料的嵌合机制。通过RBF网络,研究BFA/SiO2相变储湿复合材料的结构参数与热湿性能优选预测模型。结果表明:BFA/SiO2相变储湿复合材料中BFA与SiO2仅仅是物理嵌合。最优热湿性能的BFA/SiO2相变储湿复合材料制备工艺参数:pH值为3.64、超声波功率为120 W、去离子水用量为1.45 mol、无水乙醇用量为0.78 mol和BFA用量为0.079 mol。预测结果:30%相对湿度(RH)~90% RH湿容量为0.1676 g/g、相变焓为41.89 J/g。测试结果:30% RH~90% RH湿容量为0.1653 g/g、相变焓为41.22 J/g。
基于修正剪滞模型的竹纤维/基体界面应力理论
李红波, 申胜平, 郭建刚
2018, 35(8): 2252-2259. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171025.001
摘要:
竹维管束鞘中竹纤维/基体界面力学问题对分析竹维管束在微观尺度下的力学行为起着重要作用。本文针对竹纤维排布方式,并结合竹纤维锥形尖端几何特征,提出了适用于对竹维管束鞘做分析的修正剪滞理论模型,推导出了纤维轴向应力及纤维/基体界面位置处剪应力计算公式,在此基础上讨论了竹纤维长径比和纤维锥形尖端对复合材料内部应力分布的影响。分析发现,竹纤维较大长径比和细长锥形尖端可以实现纤维/基体界面间应力的有效传递。
橡胶沥青性能测试技术的应用
胡松山, 覃润浦, 李辉, 许志鸿, 熊剑平
2018, 35(8): 2260-2273. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170905.002
摘要:
本文通过调查研究国内外评价橡胶沥青的常规技术指标体系,室内采用8种不同基质沥青制备橡胶沥青,基于国内外规范中的针入度、锥入度、延度、软化点、弹性恢复、回弹恢复、Brookfield旋转黏度及剪切流变(DSR)试验等对橡胶沥青性能进行了评价,重点分析基质沥青四组分与各检测指标之间的相关性。研究表明:橡胶粉的溶胀作用不充分会导致针入度和延度的试验结果误差较大,针入度和延度指标评价橡胶沥青缺乏科学性;小锥小皿试验数据稳定性较强,能够有效评价橡胶沥青抗剪切流变性能;回弹恢复能够有效评价橡胶沥青在较小变形范围内的弹性恢复能力;橡胶沥青线弹性范围确定为20%~30%;基于DSR试验进行的应变扫描试验、温度扫描试验、频率扫描试验和滞回环试验等够显著区分橡胶粉与基质沥青的配伍性,由重复蠕变试验测得的零剪切黏度(ZSV)能够合理评价橡胶沥青高温性能;采用多变量回归分析和灰色关联分别评价基质沥青四组分与各项性能指标间的相关性,其中沥青质和饱和分关联程度较高; 60℃车辙因子与基质沥青四组分的相关系数达0.900,60℃复数弹性模量和ZSV与基质沥青四组分的相关系数高达0.9999和1.0。
石墨纳米片/聚乙烯复合物分子动力学模拟
高俊国, 孙伟峰, 李明, 房权生, 张晓虹
2018, 35(8): 2274-2285. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171108.001
摘要:
通过分子动力学模拟对石墨纳米片(GNP)/聚乙烯(PE)复合物的结构、力学和气体输运性质进行计算研究,分析其随模拟温度和GNP填充量的变化规律,探讨纳米界面形成、复合机制及结构与特性的关系。GNP/PE复合物呈现二维结构,GNP趋向于平面取向排列并通过范德华力和纳米石墨片层表面上的碳氢-π键使周围几个原子尺度内的PE分子固化为有序原子层,而PE基体仍然为各向同性的无定形结构。GNP/PE界面上纳米复合作用使体系能量降低,与PE体系相比,GNP/PE的杨氏模量和泊松比分别显著增高和降低。GNP平面取向导致GNP/PE的力学特性表现出二维各向异性的弹性常数张量,在石墨纳米片层平面方向上的杨氏模量明显增高,并且随温度的降低和GNP填充量的提高而增大,填充GNP有效改善了GNP/PE的力学性质。GNP/PE复合物的气体输运性质明显受到填充GNP的气体阻隔和取向的影响并且对3种气体渗透没有明显的选择性。GNP与基体的纳米复合导致N2、O2和CO2的分子输运呈现二维各向异性,随着石墨纳米颗粒填充量的增加,取向GNP层面方向的扩散系数比垂直方向高5~8倍,可用于气体分子屏障与渗流控制。
Ti/Al3Ti金属间化合物基层状复合材料抗侵彻性能数值模拟
史明东, 原梅妮, 何小晶, 陈贺贺
2018, 35(8): 2286-2292. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171206.003
摘要:
采用LS-DYNA非线性有限元软件对Ti/Al3Ti金属间化合物基层状(MIL)复合材料靶板的弹道侵彻过程进行了数值模拟。考察了等厚度下Ti体积分数、层数和材料梯度分布对复合材料抗侵彻性能的影响。结果表明,Ti体积分数约为20%时,靶板的抗侵彻性能最好。随着层数的增加,复合材料靶板的抗侵彻性能逐渐增强;但超过25层后,靶板的抗侵彻性能逐渐趋于稳定。不同铺层结构功能梯度板的抗侵彻性能相差较大,正向铺层梯度板的抗侵彻性能明显优于等厚均质复合材料靶板。
单向碳/碳复合材料拉-拉疲劳寿命及剩余强度预测模型
朱元林, 温卫东, 刘礼华, 周佳琪, 黄盛彬
2018, 35(8): 2293-2301. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171115.004
摘要:
基于预测单向复合材料纵向拉伸强度的随机核模型,引入纤维单丝剩余强度二参数Weibull模型及纤维单丝与基体界面剩余强度模型,研究建立了单向复合材料纵向拉-拉疲劳寿命及剩余强度的预测模型。对经过一定次数拉-拉疲劳载荷循环后的纤维束抽取其纤维单丝进行剩余强度拉伸试验,建立了纤维单丝剩余强度的二参数Weibull模型,测试单向碳/碳(C/C)复合材料的纤维与基体界面强度。通过单向C/C复合材料算例分析表明,92.5%、90.6%和87.5%应力水平下对数预测寿命与对数试验寿命比值分别为0.79、1.00和1.11,表明所建立的寿命预测模型用于预测单向C/C复合材料疲劳寿命是可行的;纵向拉伸剩余强度预测值与试验值误差在10%以内,吻合较好,表明所提出的剩余强度预测模型具有较高的精度。