持续攀升 
2024, 41(9): 1-15.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240307.003
摘要:
为研究碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer，CFRP)加固木柱的轴压损伤性能及破坏机制，对6组不同CFRP缠绕方式的木柱开展了轴向压缩试验并进行了实时声发射(Acoustic emission，AE)监测。分析了不同缠绕层数和不同缠绕角度对CFRP加固木柱破坏形式、力学性能、吸能性能和声发射参数演化规律的影响。结果表明：CFRP的加固能明显改善木材的力学性能，抑制脆性破坏的发生；随着缠绕层数、角度的增大，木柱的极限承载力从112.63 kN提升至161.21 kN，位移延性系数也从1.44提升至1.72；CFRP缠绕层数、角度的增加能够显著提高CFRP加固木柱在轴压损伤过程中的稳定性和吸能能力；根据声发射的振铃计数演化特征可以将CFRP加固木柱的损伤过程分为弹性、压缩屈服和损伤破坏3个阶段；随着缠绕层数、角度的增加，声发射峰值频率逐渐从低频区间(0~80 kHz)向高频区间(160~240 kHz)过渡，损伤形式从大尺度损伤转变为小尺度损伤；不同缠绕方式的木柱声发射能量概率密度均遵循幂律无尺度分布，6种加固方式下，临界指数分别为1.31、1.33、1.36、1.43、1.49、1.57；临界指数随着缠绕层数、角度的增大而增大，CFRP的加固限制了木材内部裂纹的发展，减弱了内部结构的劣化。
为研究碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer，CFRP)加固木柱的轴压损伤性能及破坏机制，对6组不同CFRP缠绕方式的木柱开展了轴向压缩试验并进行了实时声发射(Acoustic emission，AE)监测。分析了不同缠绕层数和不同缠绕角度对CFRP加固木柱破坏形式、力学性能、吸能性能和声发射参数演化规律的影响。结果表明：CFRP的加固能明显改善木材的力学性能，抑制脆性破坏的发生；随着缠绕层数、角度的增大，木柱的极限承载力从112.63 kN提升至161.21 kN，位移延性系数也从1.44提升至1.72；CFRP缠绕层数、角度的增加能够显著提高CFRP加固木柱在轴压损伤过程中的稳定性和吸能能力；根据声发射的振铃计数演化特征可以将CFRP加固木柱的损伤过程分为弹性、压缩屈服和损伤破坏3个阶段；随着缠绕层数、角度的增加，声发射峰值频率逐渐从低频区间(0~80 kHz)向高频区间(160~240 kHz)过渡，损伤形式从大尺度损伤转变为小尺度损伤；不同缠绕方式的木柱声发射能量概率密度均遵循幂律无尺度分布，6种加固方式下，临界指数分别为1.31、1.33、1.36、1.43、1.49、1.57；临界指数随着缠绕层数、角度的增大而增大，CFRP的加固限制了木材内部裂纹的发展，减弱了内部结构的劣化。
2024, 41(9): 4680-4692.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231030.002
摘要:
拉伸工艺是影响芳纶纸蜂窝孔格形态最关键的工序之一。本研究基于纳米压痕法确定了芯条胶粘弹性力学本构关系，建立了芳纶纸蜂窝双边拉伸工艺有限元模型。通过蜂窝拉伸-保载实验验证了该模型的有效性。研究发现，芯条胶的应力松弛行为导致了蜂窝两端孔格内切圆直径增大，使得蜂窝中部孔格内切圆直径减小。同时，在保载过程中纸-胶粘接处孔格粘结圆角半径减小导致蜂窝孔格内角减小。最后，基于该有限元模型探索了涂胶工艺参数对拉伸后蜂窝孔格尺寸的影响规律。研究表明涂胶宽度和涂胶厚度的增加会导致蜂窝孔格内切圆直径的减小，而蜂窝孔格内角仅受涂胶宽度的影响，随涂胶宽度的增加而增大。
拉伸工艺是影响芳纶纸蜂窝孔格形态最关键的工序之一。本研究基于纳米压痕法确定了芯条胶粘弹性力学本构关系，建立了芳纶纸蜂窝双边拉伸工艺有限元模型。通过蜂窝拉伸-保载实验验证了该模型的有效性。研究发现，芯条胶的应力松弛行为导致了蜂窝两端孔格内切圆直径增大，使得蜂窝中部孔格内切圆直径减小。同时，在保载过程中纸-胶粘接处孔格粘结圆角半径减小导致蜂窝孔格内角减小。最后，基于该有限元模型探索了涂胶工艺参数对拉伸后蜂窝孔格尺寸的影响规律。研究表明涂胶宽度和涂胶厚度的增加会导致蜂窝孔格内切圆直径的减小，而蜂窝孔格内角仅受涂胶宽度的影响，随涂胶宽度的增加而增大。
2024, 41(9): 4693-4705.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240423.003
摘要:
作为一种高夹杂比颗粒增强聚合物基复合材料，固体推进剂的宏观力学性能主要由其细观结构决定。外加载荷下，初始缺陷或细观颗粒团聚均可诱发局部应力集中，导致颗粒-基体细观界面脱粘，材料宏观力学性能劣化。如何构建细观损伤与宏观性能间的映射关系，已成为推进剂细观实验结果合理运用、固体火箭发动机结构灾变准确预报的关键。为此，本文发展了基于连续介质力学框架的人工神经网络，以变形梯度的不变量为输入、自由能为输出，遴选现有自由能函数和损伤增长函数形式为神经网络设计激活函数，使神经网络先验地满足变形连续性、坐标不变性、热力学一致性等要求。基于上述物理相容性，神经网络能在稀疏训练数据条件下快速收敛，还能够自下而上地实现损伤状态的遗传映射。最后，采用有限元分析获取的数据集，验证了该网络模型对不同预损伤下的推进剂在单轴拉伸、等双轴拉伸、纯剪切三种加载条件下的宏观刚度预报能力。
作为一种高夹杂比颗粒增强聚合物基复合材料，固体推进剂的宏观力学性能主要由其细观结构决定。外加载荷下，初始缺陷或细观颗粒团聚均可诱发局部应力集中，导致颗粒-基体细观界面脱粘，材料宏观力学性能劣化。如何构建细观损伤与宏观性能间的映射关系，已成为推进剂细观实验结果合理运用、固体火箭发动机结构灾变准确预报的关键。为此，本文发展了基于连续介质力学框架的人工神经网络，以变形梯度的不变量为输入、自由能为输出，遴选现有自由能函数和损伤增长函数形式为神经网络设计激活函数，使神经网络先验地满足变形连续性、坐标不变性、热力学一致性等要求。基于上述物理相容性，神经网络能在稀疏训练数据条件下快速收敛，还能够自下而上地实现损伤状态的遗传映射。最后，采用有限元分析获取的数据集，验证了该网络模型对不同预损伤下的推进剂在单轴拉伸、等双轴拉伸、纯剪切三种加载条件下的宏观刚度预报能力。
2024, 41(9): 4696-4707.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240205.002
摘要:
柔性压容传感器由于其结构简单、响应速度快、灵敏度高、成本低等优点，在健康监测、机器人、可穿戴设备等领域有非常广泛的应用需求。然而，传统的柔性压容传感器难以兼顾有效应力检测下限和有效应力检测上限，这限制了其在更宽领域范围的应用。本文以糖颗粒(SPs)为造孔剂，羰基铁粉(CIPs)为磁响应填料，碳纳米管(CNTs)为导电填料，通过与硅橡胶复合制得柔性多孔CNT/CIP/硅橡胶复合材料，并以此为介电层材料制备得到柔性压容传感器，其在0~5 Hz频率范围内的有效应力检测范围为0.07~180 kPa，优于大部分文献报道的柔性压容传感器。由于具有宽的有效应力测试范围，长周期服役稳定性和快速响应，该传感器可用于监测人体呼吸、手臂运动、机械臂运动和语音识别等方面，在健康监测、可穿戴电子设备以及智能机器人等领域具有很好的应用前景。
柔性压容传感器由于其结构简单、响应速度快、灵敏度高、成本低等优点，在健康监测、机器人、可穿戴设备等领域有非常广泛的应用需求。然而，传统的柔性压容传感器难以兼顾有效应力检测下限和有效应力检测上限，这限制了其在更宽领域范围的应用。本文以糖颗粒(SPs)为造孔剂，羰基铁粉(CIPs)为磁响应填料，碳纳米管(CNTs)为导电填料，通过与硅橡胶复合制得柔性多孔CNT/CIP/硅橡胶复合材料，并以此为介电层材料制备得到柔性压容传感器，其在0~5 Hz频率范围内的有效应力检测范围为0.07~180 kPa，优于大部分文献报道的柔性压容传感器。由于具有宽的有效应力测试范围，长周期服役稳定性和快速响应，该传感器可用于监测人体呼吸、手臂运动、机械臂运动和语音识别等方面，在健康监测、可穿戴电子设备以及智能机器人等领域具有很好的应用前景。
2024, 41(9): 4706-4718.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240722.003
摘要:
高低温交变是航空航天领域复合材料紧固件的典型服役环境，而紧固件的力学性能与服役环境温度密切相关。为了研究温度环境对不同紧固件拉脱力学性能的影响，设计了一种适用于高低温环境的新型拉脱试验夹具，并开展了碳纤维增强双马来酰亚胺树脂复合材料面外拉脱试验。通过声发射(AE)技术、光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)对拉脱失效机制进行多维度表征，揭示了服役温度对两种典型复合材料紧固件面外拉脱失效机制的影响规律。研究表明，随着温度升高，凸头紧固件的拉脱强度会逐步降低，而沉头紧固件的拉脱强度先升高后降低。温度会影响紧固件拉脱过程中的损伤模式，并在高温环境下观测到基体失效呈现“河流”模式，证实了高温环境中层间裂纹扩展过程存在基体塑性变形，这为沉头紧固件拉脱强度随温度上升的现象提供了合理的解释。
高低温交变是航空航天领域复合材料紧固件的典型服役环境，而紧固件的力学性能与服役环境温度密切相关。为了研究温度环境对不同紧固件拉脱力学性能的影响，设计了一种适用于高低温环境的新型拉脱试验夹具，并开展了碳纤维增强双马来酰亚胺树脂复合材料面外拉脱试验。通过声发射(AE)技术、光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)对拉脱失效机制进行多维度表征，揭示了服役温度对两种典型复合材料紧固件面外拉脱失效机制的影响规律。研究表明，随着温度升高，凸头紧固件的拉脱强度会逐步降低，而沉头紧固件的拉脱强度先升高后降低。温度会影响紧固件拉脱过程中的损伤模式，并在高温环境下观测到基体失效呈现“河流”模式，证实了高温环境中层间裂纹扩展过程存在基体塑性变形，这为沉头紧固件拉脱强度随温度上升的现象提供了合理的解释。
2024, 41(9): 4730-4743.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240418.002
摘要:
基于超轻质石英/酚醛复合材料的烧蚀防热机制，建立了包含二氧化硅相变的复合材料烧蚀多物理场模型，预测了超轻质石英/酚醛复合材料的表背面温度、热解度、不同层厚度及孔隙压力分布。数值模拟通过计算获得了表面二氧化硅液态层厚度变化规律，模型预测的温度结果与烧蚀实验中测量结果吻合。根据各项传热模式的热流分析结果可见，对防/隔热机制影响最主要的是热辐射、热阻塞和二氧化硅气化。针对超轻质石英/酚醛复合材料的典型服役工况，采用0.5~2.5 MW/m2之间热流密度作为环境输入参数，研究了不同热流密度条件下超轻质石英/酚醛复合材料的烧蚀行为，结果表明：超轻质石英/酚醛复合材料表面烧蚀后退量随热流密度的增加而增加；热流密度小于1.5 MW/m2时表面液态层厚度随热流密度的增加而增加，热流密度大于1.5 MW/m2时表面液态层厚度基本保持不变。该模型为深入研究超轻质石英/酚醛复合材料的烧蚀机理提供一定的指导。
基于超轻质石英/酚醛复合材料的烧蚀防热机制，建立了包含二氧化硅相变的复合材料烧蚀多物理场模型，预测了超轻质石英/酚醛复合材料的表背面温度、热解度、不同层厚度及孔隙压力分布。数值模拟通过计算获得了表面二氧化硅液态层厚度变化规律，模型预测的温度结果与烧蚀实验中测量结果吻合。根据各项传热模式的热流分析结果可见，对防/隔热机制影响最主要的是热辐射、热阻塞和二氧化硅气化。针对超轻质石英/酚醛复合材料的典型服役工况，采用0.5~2.5 MW/m2之间热流密度作为环境输入参数，研究了不同热流密度条件下超轻质石英/酚醛复合材料的烧蚀行为，结果表明：超轻质石英/酚醛复合材料表面烧蚀后退量随热流密度的增加而增加；热流密度小于1.5 MW/m2时表面液态层厚度随热流密度的增加而增加，热流密度大于1.5 MW/m2时表面液态层厚度基本保持不变。该模型为深入研究超轻质石英/酚醛复合材料的烧蚀机理提供一定的指导。
2024, 41(9): 4747-4757.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231019.003
摘要:
针对现有飞机复合材料蒙皮设计难以兼顾承载性能和吸波性能的问题，凭借碳纤维预浸料独特的力电特性，基于阻抗渐变原理设计了具有优异吸波性能的梯度碳纤维阵列，赋予结构吸波性能；利用碳纤维底板优异的承载性能，进行力学性能的增强设计。通过玻璃纤维层合结构(Glass fiber laminated structure，GFLS)电磁和承载性能的双增强设计，构造了吸波/承载一体化层合结构(Integrated laminated structure，ILS)。电磁仿真和试验结果表明：结构实现了薄厚度下(<5 mm)宽频段(5~18 GHz)、大角度(0°~70°)、高强度(平均吸收率>94%)的吸波效果。通过吸波机制研究发现了结构的谐振频率与碳纤维宽度成反比，碳纤维宽度逐层渐变的设计使结构在较宽频段范围内产生多个相近的强吸收频点，从而实现了宽频高强吸波。弯曲性能试验结果表明，一体化层合结构的比弯曲强度和比刚度相较同尺寸的玻璃纤维层合结构分别提升了86.8%和76.3%。本文通过在玻璃纤维预浸料铺层中引入碳纤维预浸料并进行结构构型设计，可实现结构吸波性能和承载性能的大幅增强，为飞机蒙皮的轻质隐身承载一体化设计提供了一种新的解决方案。
针对现有飞机复合材料蒙皮设计难以兼顾承载性能和吸波性能的问题，凭借碳纤维预浸料独特的力电特性，基于阻抗渐变原理设计了具有优异吸波性能的梯度碳纤维阵列，赋予结构吸波性能；利用碳纤维底板优异的承载性能，进行力学性能的增强设计。通过玻璃纤维层合结构(Glass fiber laminated structure，GFLS)电磁和承载性能的双增强设计，构造了吸波/承载一体化层合结构(Integrated laminated structure，ILS)。电磁仿真和试验结果表明：结构实现了薄厚度下(<5 mm)宽频段(5~18 GHz)、大角度(0°~70°)、高强度(平均吸收率>94%)的吸波效果。通过吸波机制研究发现了结构的谐振频率与碳纤维宽度成反比，碳纤维宽度逐层渐变的设计使结构在较宽频段范围内产生多个相近的强吸收频点，从而实现了宽频高强吸波。弯曲性能试验结果表明，一体化层合结构的比弯曲强度和比刚度相较同尺寸的玻璃纤维层合结构分别提升了86.8%和76.3%。本文通过在玻璃纤维预浸料铺层中引入碳纤维预浸料并进行结构构型设计，可实现结构吸波性能和承载性能的大幅增强，为飞机蒙皮的轻质隐身承载一体化设计提供了一种新的解决方案。
2024, 41(9): 4752-4762.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240417.001
摘要:
短纤维增强聚合物基复合材料(Short fiber reinforced polymer composites，SFRPC)具有复杂的细观结构，掌握纤维取向分布(Fiber orientation distribution，FOD)规律是短纤维复合材料力学建模的前提。然而，由于纤维取向统计需要收集大量的纤维信息，通过传统手动标注读取显微图像的方式人工成本高且耗时长，统计效率与精度均难以保证。本文利用图像分析算法捕获纤维截面几何特征，发展了相应的纤维取向分布图像处理技术，实现了FOD信息的快速统计。探究了图像分析算法中关键参数的合理取值范围，并针对挤出注塑成型工艺制备的短玻纤增强和短碳纤增强聚醚酰亚胺复合材料(SGF/PEI 和SCF/PEI)进行微观结构表征，将统计的纤维状态信息传递至类层合板(Laminate analogy approach，LAA)与Fu-Lauke模型框架，进而预测了不同体积分数下两种复合材料的模量与强度，预测结果与有限元模拟结果、拉伸试验测试结果均吻合良好。本文将纤维取向分布图像处理技术与复合材料力学性能预测方法相结合，有助于更高效准确地理解短纤维增强复合材料的构效关系，对于复合材料结构设计具有较高的指导作用。
短纤维增强聚合物基复合材料(Short fiber reinforced polymer composites，SFRPC)具有复杂的细观结构，掌握纤维取向分布(Fiber orientation distribution，FOD)规律是短纤维复合材料力学建模的前提。然而，由于纤维取向统计需要收集大量的纤维信息，通过传统手动标注读取显微图像的方式人工成本高且耗时长，统计效率与精度均难以保证。本文利用图像分析算法捕获纤维截面几何特征，发展了相应的纤维取向分布图像处理技术，实现了FOD信息的快速统计。探究了图像分析算法中关键参数的合理取值范围，并针对挤出注塑成型工艺制备的短玻纤增强和短碳纤增强聚醚酰亚胺复合材料(SGF/PEI 和SCF/PEI)进行微观结构表征，将统计的纤维状态信息传递至类层合板(Laminate analogy approach，LAA)与Fu-Lauke模型框架，进而预测了不同体积分数下两种复合材料的模量与强度，预测结果与有限元模拟结果、拉伸试验测试结果均吻合良好。本文将纤维取向分布图像处理技术与复合材料力学性能预测方法相结合，有助于更高效准确地理解短纤维增强复合材料的构效关系，对于复合材料结构设计具有较高的指导作用。
2024, 41(9): 4763-4777.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231027.002
摘要:
本研究旨在深入探讨温度和孔隙率对不同纤维体积分数单向碳纤维增强环氧树脂基复合材料横向拉伸方面的力学行为的影响。为此，本文发展了基于最大偏置方法的代表性体积单元(RVE)生成算法，构建了一系列不同纤维体积分数和孔隙率的高保真的单向复合材料RVE模型。为解决损伤模型的局部化以及克服传统有限元(FEM)方法低效率的弊端，本文提出了一种耦合非局部损伤模型的快速傅里叶变换(FFT)方法计算框架，基于该计算框架通过对已报道的模型和结果进行对比分析，验证了本文所提出的计算框架具有很好的准确性和可靠性。在此基础上，深入研究了温度、孔隙率和纤维体积分数对复合材料在横向拉伸性能方面的影响规律。具体而言，随着温度的升高，复合材料的横向拉伸强度和模量呈现出下降的趋势，随着孔隙率的增加，复合材料的横向拉伸强度和模量均呈现出显著降低的趋势。此外，随着纤维体积分数的增加，复合材料的横向模量显著增加，而拉伸强度则基本保持一致。本研究提出的计算框架和研究结果有望在复合材料的设计和制造中发挥重要的指导作用，以提升材料的性能和可靠性。
本研究旨在深入探讨温度和孔隙率对不同纤维体积分数单向碳纤维增强环氧树脂基复合材料横向拉伸方面的力学行为的影响。为此，本文发展了基于最大偏置方法的代表性体积单元(RVE)生成算法，构建了一系列不同纤维体积分数和孔隙率的高保真的单向复合材料RVE模型。为解决损伤模型的局部化以及克服传统有限元(FEM)方法低效率的弊端，本文提出了一种耦合非局部损伤模型的快速傅里叶变换(FFT)方法计算框架，基于该计算框架通过对已报道的模型和结果进行对比分析，验证了本文所提出的计算框架具有很好的准确性和可靠性。在此基础上，深入研究了温度、孔隙率和纤维体积分数对复合材料在横向拉伸性能方面的影响规律。具体而言，随着温度的升高，复合材料的横向拉伸强度和模量呈现出下降的趋势，随着孔隙率的增加，复合材料的横向拉伸强度和模量均呈现出显著降低的趋势。此外，随着纤维体积分数的增加，复合材料的横向模量显著增加，而拉伸强度则基本保持一致。本研究提出的计算框架和研究结果有望在复合材料的设计和制造中发挥重要的指导作用，以提升材料的性能和可靠性。
2024, 41(9): 4771-4781.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240228.001
摘要:
利用4D X射线CT原位拉伸试验和深度学习技术，表征拉伸作用下准各向同性铺层缎纹C/SiC的损伤失效过程，揭示(0°/90°)铺层拉伸和(±45°)铺层剪切耦合作用的材料损伤演化机理。基于深度学习图像分割方法对载荷作用下基体裂纹、分层等损伤进行智能识别，提取损伤特征开展定量分析，结合断口形貌探究损伤与失效机理。研究发现：基体裂纹中±45°斜裂纹占主要部分，演化过程为初期裂纹不断扩展；横向裂纹虽然少于斜裂纹，但其长度和裂纹张开位移发展快；基体裂纹沿层间界面偏转诱发分层。(0°/90°)缎纹铺层组织点区90°纤维束出现横向开裂，浮长区伴随纤维束弯曲；组织点区0°纤维束发生断裂，浮长区伴随纤维束纵向劈裂。(±45°)缎纹铺层发生−45°(或+45°)纤维束斜向劈裂和相对错动，同层+45°(或−45°)纤维束则发生纤维束断裂，伴随纤维桥连弯曲。
利用4D X射线CT原位拉伸试验和深度学习技术，表征拉伸作用下准各向同性铺层缎纹C/SiC的损伤失效过程，揭示(0°/90°)铺层拉伸和(±45°)铺层剪切耦合作用的材料损伤演化机理。基于深度学习图像分割方法对载荷作用下基体裂纹、分层等损伤进行智能识别，提取损伤特征开展定量分析，结合断口形貌探究损伤与失效机理。研究发现：基体裂纹中±45°斜裂纹占主要部分，演化过程为初期裂纹不断扩展；横向裂纹虽然少于斜裂纹，但其长度和裂纹张开位移发展快；基体裂纹沿层间界面偏转诱发分层。(0°/90°)缎纹铺层组织点区90°纤维束出现横向开裂，浮长区伴随纤维束弯曲；组织点区0°纤维束发生断裂，浮长区伴随纤维束纵向劈裂。(±45°)缎纹铺层发生−45°(或+45°)纤维束斜向劈裂和相对错动，同层+45°(或−45°)纤维束则发生纤维束断裂，伴随纤维桥连弯曲。
2024, 41(9): 4772-4780.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240307.002
摘要:
设计了3种不同经纱路径的三维机织复合材料(3D woven composites，3DWC)，利用试验研究、有限元分析、SEM形貌分析相结合的方法，研究了3DWC弯曲性能、损伤机制、断裂形貌特征。研究表明，经纱路径对3DWC弯曲性能有显著影响，相对于衬经平纹机织复合材料(Stuffer plain woven composites，SPWC)，随着经纱浮纱长度增加，衬经斜纹和衬经缎纹机织复合材料(Stuffer twill woven composites，STWC和Stuffer satin woven composites，SSWC)弯曲强度分别增加了54.64%和127.61%，弯曲模量分别增加了44.11%和47.11%。SPWC破坏模式为经纱和衬经纱断裂，STWC和SSWC失效模式以纱线断裂和界面脱粘为主。在弯曲载荷加载过程中衬经纱起主要的承载作用，而经纱路径的差异导致3种3DWC应力传递、裂纹扩展、弯曲性能和失效模式发生变化。
设计了3种不同经纱路径的三维机织复合材料(3D woven composites，3DWC)，利用试验研究、有限元分析、SEM形貌分析相结合的方法，研究了3DWC弯曲性能、损伤机制、断裂形貌特征。研究表明，经纱路径对3DWC弯曲性能有显著影响，相对于衬经平纹机织复合材料(Stuffer plain woven composites，SPWC)，随着经纱浮纱长度增加，衬经斜纹和衬经缎纹机织复合材料(Stuffer twill woven composites，STWC和Stuffer satin woven composites，SSWC)弯曲强度分别增加了54.64%和127.61%，弯曲模量分别增加了44.11%和47.11%。SPWC破坏模式为经纱和衬经纱断裂，STWC和SSWC失效模式以纱线断裂和界面脱粘为主。在弯曲载荷加载过程中衬经纱起主要的承载作用，而经纱路径的差异导致3种3DWC应力传递、裂纹扩展、弯曲性能和失效模式发生变化。
2024, 41(9): 4789-4800.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240612.005
摘要:
连续碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料(SiCf/SiC)因其轻质、耐高温和高损伤容限的优点而成为下一代航空发动机的重要热结构材料。然而，疲劳实验周期长、成本高的缺点严重制约了对复杂细观结构SiCf/SiC的深入理解及其工程应用。为充分发挥SiCf/SiC的优势与可调性，实现对结构载荷响应预测并进行优化设计，本文采用疲劳迟滞模型和渐进损伤理论分别对单向、正交和二维编织SiCf/SiC的疲劳寿命曲线进行了分析。通过对界面剪应力(±20%)、纤维强度(±5%)、纤维威布尔模量(±1%)和纤维体积分数(±5%)进行偏值处理实现了对SiCf/SiC疲劳寿命的敏感性评价，得到的疲劳寿命曲线上下限能够包络主要实验结果。根据上述分析结果，验证了以损伤参数控制危险估计和保守估计的疲劳寿命曲线拟合方法，并以SiCf/SiC涡轮叶片模拟结构为例现实了该方法用于实际工程评价分析的可行性。
连续碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料(SiCf/SiC)因其轻质、耐高温和高损伤容限的优点而成为下一代航空发动机的重要热结构材料。然而，疲劳实验周期长、成本高的缺点严重制约了对复杂细观结构SiCf/SiC的深入理解及其工程应用。为充分发挥SiCf/SiC的优势与可调性，实现对结构载荷响应预测并进行优化设计，本文采用疲劳迟滞模型和渐进损伤理论分别对单向、正交和二维编织SiCf/SiC的疲劳寿命曲线进行了分析。通过对界面剪应力(±20%)、纤维强度(±5%)、纤维威布尔模量(±1%)和纤维体积分数(±5%)进行偏值处理实现了对SiCf/SiC疲劳寿命的敏感性评价，得到的疲劳寿命曲线上下限能够包络主要实验结果。根据上述分析结果，验证了以损伤参数控制危险估计和保守估计的疲劳寿命曲线拟合方法，并以SiCf/SiC涡轮叶片模拟结构为例现实了该方法用于实际工程评价分析的可行性。
2024, 41(9): 4801-4813.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240402.003
摘要:
加筋壁板是飞机机翼、尾翼和机身结构上普遍采用的典型结构形式，当机翼、尾翼结构受气动载荷作用时，机翼上翼面加筋壁板处于受压状态，受压壁板易发生屈曲甚至破坏。本文基于前期复合材料加筋壁板轴压稳定性工程算法研究，并借鉴已在工程上成熟应用的金属加筋壁板轴压稳定性工程方法，提出了一种能够合理预测复合材料加筋壁板轴压屈曲载荷的工程算法。通过选取2类加强筋形式，其中3种Y型及2种J型，共5种复合材料加筋壁板为算例，对5种复合材料加筋壁板的轴压屈曲载荷进行了计算，并开展了有限元数值模拟与试验验证。此工程算法的计算结果与试验值对比，相对误差均在10%以内。与有限元计算结果对比，除一种Y型长桁加筋壁板计算结果在10%，其余构型相对误差均在5%，满足工程要求，证明此种方法的有效性，此种工程算法已经在型号飞机研制中得以应用。此外，发现对加筋壁板长桁缘条的削弱会降低复合材料加筋壁板的屈曲载荷，而Y型加筋壁板削弱中间两长桁，可以使长桁与蒙皮刚度更加匹配，提升Y型长桁加筋壁板的破坏应变水平。
加筋壁板是飞机机翼、尾翼和机身结构上普遍采用的典型结构形式，当机翼、尾翼结构受气动载荷作用时，机翼上翼面加筋壁板处于受压状态，受压壁板易发生屈曲甚至破坏。本文基于前期复合材料加筋壁板轴压稳定性工程算法研究，并借鉴已在工程上成熟应用的金属加筋壁板轴压稳定性工程方法，提出了一种能够合理预测复合材料加筋壁板轴压屈曲载荷的工程算法。通过选取2类加强筋形式，其中3种Y型及2种J型，共5种复合材料加筋壁板为算例，对5种复合材料加筋壁板的轴压屈曲载荷进行了计算，并开展了有限元数值模拟与试验验证。此工程算法的计算结果与试验值对比，相对误差均在10%以内。与有限元计算结果对比，除一种Y型长桁加筋壁板计算结果在10%，其余构型相对误差均在5%，满足工程要求，证明此种方法的有效性，此种工程算法已经在型号飞机研制中得以应用。此外，发现对加筋壁板长桁缘条的削弱会降低复合材料加筋壁板的屈曲载荷，而Y型加筋壁板削弱中间两长桁，可以使长桁与蒙皮刚度更加匹配，提升Y型长桁加筋壁板的破坏应变水平。
2024, 41(9): 4814-4822.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231219.001
摘要:
为了揭示织物结构和开孔位置对三维机织复合材料开孔连接性能与失效机制的影响，设计并制备了3种不同结构的三维机织复合材料，对不同开孔位置连接结构的承载性能和损伤模式进行了研究。研究表明，端径比(E/D)对不同结构参数的复合材料的影响存在差异，当E/D从3减小到2时，3种结构复合材料极限挤压强度分别下降5.3%、9.9%和5.9%；E/D从2减小到1时，极限挤压强度分别下降73.3%、68.9%和69.8%。E/D从3减小到1时，复合材料的损伤模式由挤压损伤转变为界面脱粘及试样端部纱线脱粘，结构中各纱线层的损伤演化呈现明显角度特征。
为了揭示织物结构和开孔位置对三维机织复合材料开孔连接性能与失效机制的影响，设计并制备了3种不同结构的三维机织复合材料，对不同开孔位置连接结构的承载性能和损伤模式进行了研究。研究表明，端径比(E/D)对不同结构参数的复合材料的影响存在差异，当E/D从3减小到2时，3种结构复合材料极限挤压强度分别下降5.3%、9.9%和5.9%；E/D从2减小到1时，极限挤压强度分别下降73.3%、68.9%和69.8%。E/D从3减小到1时，复合材料的损伤模式由挤压损伤转变为界面脱粘及试样端部纱线脱粘，结构中各纱线层的损伤演化呈现明显角度特征。
2024, 41(9): 4823-4834.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240019.003
摘要:
复合材料结构应变特征随着疲劳加载发生变化，因此本文尝试实时监测疲劳周期内复合材料结构的应变特征信号，通过应变信号评估结构疲劳寿命。然而已有研究表明，电阻式应变片在长时间动态测试中经常出现提前疲劳失效，不适合疲劳全周期内应变信号采集。为此，具有高耐疲劳性的新型聚偏氟乙烯压电薄膜(polyvinylidene fluoride piezoelectric film，PVDF)被用于采集复合材料结构疲劳特征信号。通过在碳纤维增强树脂基复合材料(T700/9A16)层合板表面粘贴PVDF薄膜，获取层合板疲劳过程中的压电信号。基于压电效应，将表征疲劳损伤状态的应变信息转化为PVDF压电信号输出。基于试验生成的压电信号数据库，采用随机森林回归算法高效地建立压电信号与复合材料层合板疲劳循环次数之间的关联。通过不同循环次数下的PVDF压电信号可以准确预测试验件的实际疲劳加载次数，实现了对复合材料结构疲劳状态的有效评估。
复合材料结构应变特征随着疲劳加载发生变化，因此本文尝试实时监测疲劳周期内复合材料结构的应变特征信号，通过应变信号评估结构疲劳寿命。然而已有研究表明，电阻式应变片在长时间动态测试中经常出现提前疲劳失效，不适合疲劳全周期内应变信号采集。为此，具有高耐疲劳性的新型聚偏氟乙烯压电薄膜(polyvinylidene fluoride piezoelectric film，PVDF)被用于采集复合材料结构疲劳特征信号。通过在碳纤维增强树脂基复合材料(T700/9A16)层合板表面粘贴PVDF薄膜，获取层合板疲劳过程中的压电信号。基于压电效应，将表征疲劳损伤状态的应变信息转化为PVDF压电信号输出。基于试验生成的压电信号数据库，采用随机森林回归算法高效地建立压电信号与复合材料层合板疲劳循环次数之间的关联。通过不同循环次数下的PVDF压电信号可以准确预测试验件的实际疲劳加载次数，实现了对复合材料结构疲劳状态的有效评估。
2024, 41(9): 4835-4844.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240521.005
摘要:
快速衰减应力波的冲击防护复合材料在民防、装甲、舰船等许多工业领域有着巨大的需求。受蜻蜓翅膀的启发，本文提出了基于颗粒局域共振原理的仿生微结构防护复合材料设计。研究发现：(1)当入射波频率接近局域共振单元的固有频率时，局域共振机制被最大程度激发，大量的入射应力波能量转化为颗粒的机械能；(2)单元固有频率随重芯直径、密度、软涂层厚度增大而减小，随软涂层弹性模量增大而增大；(3)在复合材料中引入不同固有频率单元的混杂设计，可以实现对宽频域入射应力波的高效衰减。本研究对于利用局域共振原理和仿生微结构开发设计高性能冲击防护复合材料具有指导意义。
快速衰减应力波的冲击防护复合材料在民防、装甲、舰船等许多工业领域有着巨大的需求。受蜻蜓翅膀的启发，本文提出了基于颗粒局域共振原理的仿生微结构防护复合材料设计。研究发现：(1)当入射波频率接近局域共振单元的固有频率时，局域共振机制被最大程度激发，大量的入射应力波能量转化为颗粒的机械能；(2)单元固有频率随重芯直径、密度、软涂层厚度增大而减小，随软涂层弹性模量增大而增大；(3)在复合材料中引入不同固有频率单元的混杂设计，可以实现对宽频域入射应力波的高效衰减。本研究对于利用局域共振原理和仿生微结构开发设计高性能冲击防护复合材料具有指导意义。
2024, 41(9): 4845-4857.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240801.001
摘要:
汽车结构的轻量化是降低汽车能耗和增加续航里程的重要方式。虽然纤维增强环氧树脂等热固性基体复合材料具有极高的力学性能和轻量化潜力，但是较高的制造能耗、修复成本以及较低的设计和制造效率，阻碍了其在汽车结构中的广泛应用。本文采用一种新型“Double-Double”铺层(DD)热塑性层合板([±Ф/±Ψ]n)，试图解决以上问题。文中分析了DD层合板相较于π/4铺层(Quad)层合板在轻量化设计方面的优势，并且对比了不同铺层方式(DD、Woven、Quad铺层)以及不同基体材料(热固性基体环氧树脂、热塑性基体尼龙6)层合板的力学性能和设计分析流程。结果表明，高轴向刚度DD层合板在主要载荷方向的刚度及强度远高于相同纤维、基体的Woven层合板；DD层合板的刚度性能与相同纤维、基体的Quad层合板相近，但是DD层合板的设计效率高于Quad层合板。同时，对碳纤维增强尼龙6复合材料(carbon/PA6)的DD热塑性层合板的研究发现，虽然单向carbon/PA6的拉伸模量和拉伸强度低于单向carbon/epoxy，但是DD carbon/PA6层合板仍可通过铺层设计，使得主要载荷方向上的刚度和强度超过Woven carbon/epoxy层合板。并且热塑性carbon/PA6具有优异的可修复性和回收再利用性，显示出应用于汽车结构设计的优势。
汽车结构的轻量化是降低汽车能耗和增加续航里程的重要方式。虽然纤维增强环氧树脂等热固性基体复合材料具有极高的力学性能和轻量化潜力，但是较高的制造能耗、修复成本以及较低的设计和制造效率，阻碍了其在汽车结构中的广泛应用。本文采用一种新型“Double-Double”铺层(DD)热塑性层合板([±Ф/±Ψ]n)，试图解决以上问题。文中分析了DD层合板相较于π/4铺层(Quad)层合板在轻量化设计方面的优势，并且对比了不同铺层方式(DD、Woven、Quad铺层)以及不同基体材料(热固性基体环氧树脂、热塑性基体尼龙6)层合板的力学性能和设计分析流程。结果表明，高轴向刚度DD层合板在主要载荷方向的刚度及强度远高于相同纤维、基体的Woven层合板；DD层合板的刚度性能与相同纤维、基体的Quad层合板相近，但是DD层合板的设计效率高于Quad层合板。同时，对碳纤维增强尼龙6复合材料(carbon/PA6)的DD热塑性层合板的研究发现，虽然单向carbon/PA6的拉伸模量和拉伸强度低于单向carbon/epoxy，但是DD carbon/PA6层合板仍可通过铺层设计，使得主要载荷方向上的刚度和强度超过Woven carbon/epoxy层合板。并且热塑性carbon/PA6具有优异的可修复性和回收再利用性，显示出应用于汽车结构设计的优势。
2024, 41(9): 4858-4867.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240223.003
摘要:
精密仪器对承载平台结构的要求不断提高，蜂窝结构由于其轻质和超高稳定性的特点而受到广泛关注。为了满足异形复合材料承载平台的需求，本文采用热压成型和树脂浸渍碳化-化学气相沉积(CVD)相结合的工艺制备了不同规格曲面碳/碳蜂窝结构试样，而后，根据曲面蜂窝的结构特点和服役环境，设计了均布载荷的测试方法对不同试样进行压缩试验，分析了蜂窝厚度、铺层角度、曲率半径等因素对曲面蜂窝力学性能的影响规律。结果表明，当蜂窝的径向厚度增大时，蜂窝壁屈曲程度增大，蜂窝双层壁处所受载荷增大，胶粘面开裂倾向更加显著；当蜂窝纤维取向由0°至45°转变蜂窝壁皱曲转变方式为不皱曲-韧性皱曲-塑性皱曲；当曲面蜂窝的曲率半径减小时，其破坏模式逐渐由双层壁脱粘开裂向蜂窝壁的屈曲断裂转变。本文制备的曲面碳/碳蜂窝压缩强度达到1.48 MPa，具备良好的力学性能，可以满足日益复杂化的航天结构承载需求。
精密仪器对承载平台结构的要求不断提高，蜂窝结构由于其轻质和超高稳定性的特点而受到广泛关注。为了满足异形复合材料承载平台的需求，本文采用热压成型和树脂浸渍碳化-化学气相沉积(CVD)相结合的工艺制备了不同规格曲面碳/碳蜂窝结构试样，而后，根据曲面蜂窝的结构特点和服役环境，设计了均布载荷的测试方法对不同试样进行压缩试验，分析了蜂窝厚度、铺层角度、曲率半径等因素对曲面蜂窝力学性能的影响规律。结果表明，当蜂窝的径向厚度增大时，蜂窝壁屈曲程度增大，蜂窝双层壁处所受载荷增大，胶粘面开裂倾向更加显著；当蜂窝纤维取向由0°至45°转变蜂窝壁皱曲转变方式为不皱曲-韧性皱曲-塑性皱曲；当曲面蜂窝的曲率半径减小时，其破坏模式逐渐由双层壁脱粘开裂向蜂窝壁的屈曲断裂转变。本文制备的曲面碳/碳蜂窝压缩强度达到1.48 MPa，具备良好的力学性能，可以满足日益复杂化的航天结构承载需求。
2024, 41(9): 4868-4881.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240311.004
摘要:
分层损伤是航空航天复合材料结构分层的主要损伤模式之一。I型分层具有起始断裂韧性值低，损伤模式复杂的特征，深入分析裂纹尖端损伤区多种损伤机制之间的相互关系，及纤维桥接损伤演化过程，对研究I型分层损伤起关键作用。本文针对性采用三种不同层间铺层(0//0，0//45，0//90)设计T700级碳纤维/环氧复合材料层合板并开展I型分层测试。通过观测分层起始以及损伤演化过程，总结DCB试验结果载荷位移曲线及R曲线规律，并根据试样断口形貌、SEM等多种表征方法分析，揭示了裂纹尖端的损伤机制。在此基础上提出了一种分层损伤机制解耦的新方法。该方法基于三个双线性内聚力本构叠加，通过建立内聚力单元模型来解耦不同损伤尺度的分层损伤机制，独立表征了不同损伤机制在分层扩展过程中所作的贡献。仿真模拟所需参数均可从试验获得，计算得到的仿真结果与试验结果具有良好的一致性。
分层损伤是航空航天复合材料结构分层的主要损伤模式之一。I型分层具有起始断裂韧性值低，损伤模式复杂的特征，深入分析裂纹尖端损伤区多种损伤机制之间的相互关系，及纤维桥接损伤演化过程，对研究I型分层损伤起关键作用。本文针对性采用三种不同层间铺层(0//0，0//45，0//90)设计T700级碳纤维/环氧复合材料层合板并开展I型分层测试。通过观测分层起始以及损伤演化过程，总结DCB试验结果载荷位移曲线及R曲线规律，并根据试样断口形貌、SEM等多种表征方法分析，揭示了裂纹尖端的损伤机制。在此基础上提出了一种分层损伤机制解耦的新方法。该方法基于三个双线性内聚力本构叠加，通过建立内聚力单元模型来解耦不同损伤尺度的分层损伤机制，独立表征了不同损伤机制在分层扩展过程中所作的贡献。仿真模拟所需参数均可从试验获得，计算得到的仿真结果与试验结果具有良好的一致性。
2024, 41(9): 4894-4906.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240301.001
摘要:
碳纤维增强热塑性树脂基复合材料(carbon fiber reinforced thermoplastic composites，CFRTP)是高端装备减重增效的优选材料。而CFRTP是一种典型的难加工材料，加工中损伤频发。本文对切削CFRTP时的材料去除及损伤形成过程进行了仿真与实验研究。CFRTP切削时易产生塑性变形，且材料性能受温度影响较大。本文建立CFRTP三维正交切削细观仿真模型，并引入J-C模型表征树脂在不同温度下的弹塑性变形。分析了温度及纤维方向角对CFRTP切削去除过程的影响。结果表明，常温下切削，0°及45°纤维方向角时，已加工面较平整，加工质量较好；90°及135°纤维方向角时，纤维弯曲程度明显增大，已加工面有裂纹产生，加工质量较差。高温下切削，0°纤维方向角时，已加工面出现未去除材料；45°纤维方向角时，已加工面出现裂纹，部分纤维未被切断；90°及135°纤维方向角时，已加工面出现更大开裂，工件出现明显的沿厚度方向上的面外变形，发生面外变形的材料难以被有效去除。
碳纤维增强热塑性树脂基复合材料(carbon fiber reinforced thermoplastic composites，CFRTP)是高端装备减重增效的优选材料。而CFRTP是一种典型的难加工材料，加工中损伤频发。本文对切削CFRTP时的材料去除及损伤形成过程进行了仿真与实验研究。CFRTP切削时易产生塑性变形，且材料性能受温度影响较大。本文建立CFRTP三维正交切削细观仿真模型，并引入J-C模型表征树脂在不同温度下的弹塑性变形。分析了温度及纤维方向角对CFRTP切削去除过程的影响。结果表明，常温下切削，0°及45°纤维方向角时，已加工面较平整，加工质量较好；90°及135°纤维方向角时，纤维弯曲程度明显增大，已加工面有裂纹产生，加工质量较差。高温下切削，0°纤维方向角时，已加工面出现未去除材料；45°纤维方向角时，已加工面出现裂纹，部分纤维未被切断；90°及135°纤维方向角时，已加工面出现更大开裂，工件出现明显的沿厚度方向上的面外变形，发生面外变形的材料难以被有效去除。
2024, 41(9): 4907-4918.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240422.001
摘要:
为了深入了解热塑性复合材料在非等温热成型工艺下的晶体结构和组织演变规律，优化成型工艺参数并提高热塑性复合材料结构成型质量及其热学、力学性能，本文研究了碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)热塑性复合材料在不同降温速率下的结晶行为。开展了不同冷却速率下CF/PEEK复合材料的DSC测试实验。基于Avrami方程、Ozawa方程和Mo方程描述了CF/PEEK复合材料的非等温结晶行为，计算了非等温结晶活化能并建立了结晶度演化动力学模型。此外，本文还使用光纤布拉格光栅(FBG)对CF/PEEK复合材料融凝过程进行了原位检测，结合结晶度演化模型分析了聚合物基体融凝过程中的应变变化机制。结果表明，CF/PEEK复合材料结晶度随冷却速率的增大而减小，对应的结晶时间也同样减少。经验证，本文建立的结晶度演化动力学模型能够有效分析任意冷却速率下CF/PEEK复合材料的结晶度演化过程，可以结合FBG应变检测分析CF/PEEK热塑性复合材料融凝过程中基体相变对特征应变的影响。
为了深入了解热塑性复合材料在非等温热成型工艺下的晶体结构和组织演变规律，优化成型工艺参数并提高热塑性复合材料结构成型质量及其热学、力学性能，本文研究了碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)热塑性复合材料在不同降温速率下的结晶行为。开展了不同冷却速率下CF/PEEK复合材料的DSC测试实验。基于Avrami方程、Ozawa方程和Mo方程描述了CF/PEEK复合材料的非等温结晶行为，计算了非等温结晶活化能并建立了结晶度演化动力学模型。此外，本文还使用光纤布拉格光栅(FBG)对CF/PEEK复合材料融凝过程进行了原位检测，结合结晶度演化模型分析了聚合物基体融凝过程中的应变变化机制。结果表明，CF/PEEK复合材料结晶度随冷却速率的增大而减小，对应的结晶时间也同样减少。经验证，本文建立的结晶度演化动力学模型能够有效分析任意冷却速率下CF/PEEK复合材料的结晶度演化过程，可以结合FBG应变检测分析CF/PEEK热塑性复合材料融凝过程中基体相变对特征应变的影响。
2024, 41(9): 4911-4922.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240308.001
摘要:
为进一步提高蜂窝结构的抗冲击性能和能量吸收能力，通过周期性阵列传统星形胞元和星-菱形胞元，本文构建了内凹星形蜂窝结构(Reentrant star-shaped honeycomb structures，RSH)和新型的面内增强星-菱形蜂窝结构(Enhanced star-rhombic honeycomb structures，ESH)。通过实验和有限元模拟，系统地研究了ESH在不同加载方向的面内力学响应和吸能特性。与RSH相比，准静态压缩下ESH的负泊松比特性减弱，但吸能能力显著提高。此外，结合微拓扑胞元的变形特征，揭示了低速冲击时ESH-y的应力-应变响应呈现双平台特征的变形机制，并讨论了结构参数α、t和b对平台应力的影响规律。基于高速冲击下ESH的周期性逐层坍塌变形特征和动量定理，给出了不同加载方向高速平台应力的理论解，理论结果与有限元结果吻合较好。该研究可为创新设计具有更优力学性能的新型负泊松比结构提供参考。
为进一步提高蜂窝结构的抗冲击性能和能量吸收能力，通过周期性阵列传统星形胞元和星-菱形胞元，本文构建了内凹星形蜂窝结构(Reentrant star-shaped honeycomb structures，RSH)和新型的面内增强星-菱形蜂窝结构(Enhanced star-rhombic honeycomb structures，ESH)。通过实验和有限元模拟，系统地研究了ESH在不同加载方向的面内力学响应和吸能特性。与RSH相比，准静态压缩下ESH的负泊松比特性减弱，但吸能能力显著提高。此外，结合微拓扑胞元的变形特征，揭示了低速冲击时ESH-y的应力-应变响应呈现双平台特征的变形机制，并讨论了结构参数α、t和b对平台应力的影响规律。基于高速冲击下ESH的周期性逐层坍塌变形特征和动量定理，给出了不同加载方向高速平台应力的理论解，理论结果与有限元结果吻合较好。该研究可为创新设计具有更优力学性能的新型负泊松比结构提供参考。
2024, 41(9): 4919-4929.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240410.001
摘要:
为探究T1000级高压强复合材料壳体承压力学特性，本文开展了国产T1000级碳纤维复合材料宏观力学性能横向对比测试，并以此为基础完成复合壳体材料选型，根据工艺铺层信息，结合三次样条厚度预测方法及非测地线缠绕角计算方法，实现壳体的高保真有限元建模，并基于渐进损伤分析方法，对复合壳体封头应力应变响应、复合壳体损伤演化过程、失效模式及爆破压强进行预示，最终通过液压强度试验验证了计算模型的准确性。结果表明：国产T1000碳纤维性能与东丽T1000G相当，且拓展CCF1000S综合性能表现最佳；封头段由壳体与金属接头段刚度不连续引起的变形不协调使得该区域受弯曲、拉剪耦合作用，进而导致封头肩部应力水平明显高于两侧；基于三维Hashin损伤准则的渐进损伤模型能有效地描述壳体损伤与失效过程，更能准确地预测壳体爆破压强及破坏位置。
为探究T1000级高压强复合材料壳体承压力学特性，本文开展了国产T1000级碳纤维复合材料宏观力学性能横向对比测试，并以此为基础完成复合壳体材料选型，根据工艺铺层信息，结合三次样条厚度预测方法及非测地线缠绕角计算方法，实现壳体的高保真有限元建模，并基于渐进损伤分析方法，对复合壳体封头应力应变响应、复合壳体损伤演化过程、失效模式及爆破压强进行预示，最终通过液压强度试验验证了计算模型的准确性。结果表明：国产T1000碳纤维性能与东丽T1000G相当，且拓展CCF1000S综合性能表现最佳；封头段由壳体与金属接头段刚度不连续引起的变形不协调使得该区域受弯曲、拉剪耦合作用，进而导致封头肩部应力水平明显高于两侧；基于三维Hashin损伤准则的渐进损伤模型能有效地描述壳体损伤与失效过程，更能准确地预测壳体爆破压强及破坏位置。
2024, 41(9): 4930-4941.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240423.002
摘要:
碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer，CFRP)通过胶接方式广泛应用于钢结构加固，因此对于加固后形成的CFRP-钢胶接结构进行检测以确保其结构完整性和安全性变得至关重要。然而，CFRP、环氧树脂和钢各自具有不同的物理性质，给准确检测此类特殊混合结构的内部损伤带来了挑战。为解决这一问题，本研究提出了一种增强型电磁感应热成像检测方法，以增强CFRP-钢胶接结构内部损伤的检测。该方法首先利用常规电磁感应热成像系统获得被检物体表面的温度数据，然后对表面温度数据进行预处理。接着，采用设计的卷积自编码器(Convolutional autoencoder，CAE)模型从预处理后的表面温度数据中提取像素级深度热特征，最后利用提取的深度热特征生成增强的检测结果，从而提高损伤的可见性。对含有脱粘、分层和裂纹的CFRP-钢胶接结构试件进行的实验结果表明，增强型电磁感应热成像能够有效提高内部损伤的可见性，这有助于准确评估CFRP-钢胶接结构的质量，从而提高此类结构的安全性。
碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer，CFRP)通过胶接方式广泛应用于钢结构加固，因此对于加固后形成的CFRP-钢胶接结构进行检测以确保其结构完整性和安全性变得至关重要。然而，CFRP、环氧树脂和钢各自具有不同的物理性质，给准确检测此类特殊混合结构的内部损伤带来了挑战。为解决这一问题，本研究提出了一种增强型电磁感应热成像检测方法，以增强CFRP-钢胶接结构内部损伤的检测。该方法首先利用常规电磁感应热成像系统获得被检物体表面的温度数据，然后对表面温度数据进行预处理。接着，采用设计的卷积自编码器(Convolutional autoencoder，CAE)模型从预处理后的表面温度数据中提取像素级深度热特征，最后利用提取的深度热特征生成增强的检测结果，从而提高损伤的可见性。对含有脱粘、分层和裂纹的CFRP-钢胶接结构试件进行的实验结果表明，增强型电磁感应热成像能够有效提高内部损伤的可见性，这有助于准确评估CFRP-钢胶接结构的质量，从而提高此类结构的安全性。
2024, 41(9): 4942-4958.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240419.002
摘要:
金属面复合材料波纹夹层结构结合了金属耐冲击和复合材料高比强度/比刚度的优点，是一种优异的新型结构形式，在服役过程中夹层结构会遭受多次冲击工况，而其多次冲击损伤模式及损伤后剩余强度规律目前尚未明确。为此通过多次冲击试验和CT无损扫描分析方法，对其在低速冲击动力学响应、内部失效模式、载荷-位移特性以及能量吸收特征进行了深入研究，并在此基础上，通过对冲击后的试件开展平面压缩试验，对多次冲击后的剩余压缩强度及失效模式进行了分析。结果表明：首次冲击造成了大部分的伤害，随着冲击次数的提高将导致夹层结构的吸能性降低，抗冲击性下降。多次冲击中，夹层结构的损伤模式以芯材的基体开裂、分层和纤维断裂为主，大能量的多次冲击总是造成更大的损伤。此外，随着冲击次数的增多，损伤累积接近饱和，剩余压缩强度趋近阈值。
金属面复合材料波纹夹层结构结合了金属耐冲击和复合材料高比强度/比刚度的优点，是一种优异的新型结构形式，在服役过程中夹层结构会遭受多次冲击工况，而其多次冲击损伤模式及损伤后剩余强度规律目前尚未明确。为此通过多次冲击试验和CT无损扫描分析方法，对其在低速冲击动力学响应、内部失效模式、载荷-位移特性以及能量吸收特征进行了深入研究，并在此基础上，通过对冲击后的试件开展平面压缩试验，对多次冲击后的剩余压缩强度及失效模式进行了分析。结果表明：首次冲击造成了大部分的伤害，随着冲击次数的提高将导致夹层结构的吸能性降低，抗冲击性下降。多次冲击中，夹层结构的损伤模式以芯材的基体开裂、分层和纤维断裂为主，大能量的多次冲击总是造成更大的损伤。此外，随着冲击次数的增多，损伤累积接近饱和，剩余压缩强度趋近阈值。
2024, 41(9): 4959-4965.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240521.003
摘要:
随着袋式除尘技术的广泛应用，滤袋失效和回收利用等问题愈发引人关注。为了解聚四氟乙烯(PTFE)滤料是否会在使用时产生失效问题和焚烧处理时产生有害气体成分，本文分别采用动态力学分析-固体分析仪和热重-红外-气相色谱质谱联用仪，探究PTFE滤料在高温裂解的气体成分，以及在模拟使用温度下的动态力学性能和蠕变性能，为PTFE滤料的合理使用和后处理提供科学依据。结果表明：PTFE在空气氛围中裂解会产生碳酰氟、四氟乙烯、六氟丙烯等有害气体。与PTFE基布增强和芳纶基布增强芳纶针刺滤料相比，随着温度升高，PTFE基布增强PTFE针刺滤料的拉伸强力显著降低，而芳纶基布增强芳纶针刺滤料则无明显变化。在蠕变性能方面，PTFE滤料抗蠕变性能差，PTFE基布增强芳纶针刺滤料在低应力水平下有良好的抗蠕变性能，而芳纶基布增强芳纶针刺滤料则在高低应力水平下皆有较好的抗蠕变性能。
随着袋式除尘技术的广泛应用，滤袋失效和回收利用等问题愈发引人关注。为了解聚四氟乙烯(PTFE)滤料是否会在使用时产生失效问题和焚烧处理时产生有害气体成分，本文分别采用动态力学分析-固体分析仪和热重-红外-气相色谱质谱联用仪，探究PTFE滤料在高温裂解的气体成分，以及在模拟使用温度下的动态力学性能和蠕变性能，为PTFE滤料的合理使用和后处理提供科学依据。结果表明：PTFE在空气氛围中裂解会产生碳酰氟、四氟乙烯、六氟丙烯等有害气体。与PTFE基布增强和芳纶基布增强芳纶针刺滤料相比，随着温度升高，PTFE基布增强PTFE针刺滤料的拉伸强力显著降低，而芳纶基布增强芳纶针刺滤料则无明显变化。在蠕变性能方面，PTFE滤料抗蠕变性能差，PTFE基布增强芳纶针刺滤料在低应力水平下有良好的抗蠕变性能，而芳纶基布增强芳纶针刺滤料则在高低应力水平下皆有较好的抗蠕变性能。
2024, 41(9): 4966-4979.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240722.004
摘要:
孔隙对碳纤维/环氧树脂复合材料剪切性能的影响十分显著。本文采用吸湿饱和和固化压力阶梯下降的方法在复合材料层压板中模拟制备出不同含量的孔隙缺陷，通过短梁剪切强度测试试验，建立不同孔隙率对短梁剪切强度的影响曲线，结合金相观察和超声成像分析了不同孔隙率下损伤分布与破坏模式。研究结果表明：当孔隙率小于1.0%时，短梁剪切强度保留率约为88.4%~90.8%；当孔隙率增加至1.0%~1.5%时，短梁剪切强度保留率约为74.9%~80.6%；当孔隙率增加至1.5%~2.0%时，短梁剪切强度保留率约为66.3%~71.9%；当孔隙率增加至2.0%~3.0%时，短梁剪切强度急剧下降，短梁剪切强度保留率降至50%以下。短梁剪切破坏模式对孔隙缺陷十分敏感，层剪破坏主要发生在孔隙及其周边应力集中的区域，孔隙对裂纹的萌生和扩展具有明显的促进作用。
孔隙对碳纤维/环氧树脂复合材料剪切性能的影响十分显著。本文采用吸湿饱和和固化压力阶梯下降的方法在复合材料层压板中模拟制备出不同含量的孔隙缺陷，通过短梁剪切强度测试试验，建立不同孔隙率对短梁剪切强度的影响曲线，结合金相观察和超声成像分析了不同孔隙率下损伤分布与破坏模式。研究结果表明：当孔隙率小于1.0%时，短梁剪切强度保留率约为88.4%~90.8%；当孔隙率增加至1.0%~1.5%时，短梁剪切强度保留率约为74.9%~80.6%；当孔隙率增加至1.5%~2.0%时，短梁剪切强度保留率约为66.3%~71.9%；当孔隙率增加至2.0%~3.0%时，短梁剪切强度急剧下降，短梁剪切强度保留率降至50%以下。短梁剪切破坏模式对孔隙缺陷十分敏感，层剪破坏主要发生在孔隙及其周边应力集中的区域，孔隙对裂纹的萌生和扩展具有明显的促进作用。
2024, 41(9): 4997-5009.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240603.001
摘要:
采用流浆法成功制备了一种混掺磷石膏固废的纤维增强水泥复合材料。首先对固废磷石膏进行生石灰中和、去杂、烘焙改性处理激发其胶凝特性，再按5∶4∶1比例与矿粉、钢砂混合，形成改性固废磷石膏混合料(Modified solid waste phosphogypsum mix，MWPM)作为辅助胶凝材料，取代部分水泥；采用固废磷石膏集料替代部分天然细集料，同时考虑掺入少量聚甲醛(POM)纤维及木制纸浆纤维，进行纤维增强水泥基复合材料的基准配合比设计研究，并结合XRD及SEM分析其强度及微观机理。结果表明，MWPM与磷石膏集料的掺量对固废纤维增强水泥板的密度、吸水率导热系数等几乎没有影响；尽管前期强度随着MWPM掺量的增加而略微降低，但在掺量达到18%左右时仍能保持在4MPa左右，且后期强度相比之下有部分增强；同时经过冻融实验后的冻融抗折强度比率不低于70%，满足非承重纤维增强水泥板规范需求；磷石膏集料对复合材料有微小的增强效应，掺量为20%时相对优化。基于上述研究，提出了混掺磷石膏固废纤维增强水泥基复合材料的基准配合比，可有效利用固废磷石膏155.39 kg/m3，减少水泥消耗78.58 kg/m3，降低CO2排放27.60 kg/m3。微观分析表明：二水磷石膏、钙矾石和水化硅酸钙凝胶相互填充结合，形成互穿三维空间结构，同时通过引入POM纤维和木质纸浆纤维，使得基体、骨料与两种纤维形成了更为紧密的整体结构，这种结构的形成可进一步提高试件的整体力学性能。混掺磷石膏固废纤维增强水泥复合材料兼具良好力学性能和固废利用率，可为非承重绿色保温材料的发展提供参考。
采用流浆法成功制备了一种混掺磷石膏固废的纤维增强水泥复合材料。首先对固废磷石膏进行生石灰中和、去杂、烘焙改性处理激发其胶凝特性，再按5∶4∶1比例与矿粉、钢砂混合，形成改性固废磷石膏混合料(Modified solid waste phosphogypsum mix，MWPM)作为辅助胶凝材料，取代部分水泥；采用固废磷石膏集料替代部分天然细集料，同时考虑掺入少量聚甲醛(POM)纤维及木制纸浆纤维，进行纤维增强水泥基复合材料的基准配合比设计研究，并结合XRD及SEM分析其强度及微观机理。结果表明，MWPM与磷石膏集料的掺量对固废纤维增强水泥板的密度、吸水率导热系数等几乎没有影响；尽管前期强度随着MWPM掺量的增加而略微降低，但在掺量达到18%左右时仍能保持在4MPa左右，且后期强度相比之下有部分增强；同时经过冻融实验后的冻融抗折强度比率不低于70%，满足非承重纤维增强水泥板规范需求；磷石膏集料对复合材料有微小的增强效应，掺量为20%时相对优化。基于上述研究，提出了混掺磷石膏固废纤维增强水泥基复合材料的基准配合比，可有效利用固废磷石膏155.39 kg/m3，减少水泥消耗78.58 kg/m3，降低CO2排放27.60 kg/m3。微观分析表明：二水磷石膏、钙矾石和水化硅酸钙凝胶相互填充结合，形成互穿三维空间结构，同时通过引入POM纤维和木质纸浆纤维，使得基体、骨料与两种纤维形成了更为紧密的整体结构，这种结构的形成可进一步提高试件的整体力学性能。混掺磷石膏固废纤维增强水泥复合材料兼具良好力学性能和固废利用率，可为非承重绿色保温材料的发展提供参考。
2024, 41(9): 5009-5025.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240724.001
摘要:
碳纤维/聚醚醚酮(Carbon fiber/polyetheretherketone，CF/PEEK)因其轻质高强且易于回收和修复，而广泛应用于航空航天、交通运输等高端装备领域制造中。但其强脆-软韧双组分结构给CF/PEEK的加工带来了挑战。本文引入了纵-扭超声振动辅助铣削加工方法，利用其高脉冲和间断接触的特点对CF/PEEK单向板进行铣削加工，对比纵-扭超声振动辅助铣削(Ultrasonic vibration-assisted milling，UVAM)和常规铣削(Conventional milling，CM)中加工参数对输出特性(切削力、切削温度、表面粗糙度和损伤缺陷)的影响。结果表明，UVAM下切削力和表面粗糙度分别降低了4%~54.1%和15.8%~66.9%；同时，UVAM方法对延长刀具寿命、降低累计温度和抑制损伤缺陷具有显著作用。利用NSGA-Ⅱ算法建立了以延长刀具寿命、减小表面粗糙度和表面缺陷为目标的加工参数多目标优化模型，得到最优解，并得到实验验证，模型误差在2.24%~22.2%。
碳纤维/聚醚醚酮(Carbon fiber/polyetheretherketone，CF/PEEK)因其轻质高强且易于回收和修复，而广泛应用于航空航天、交通运输等高端装备领域制造中。但其强脆-软韧双组分结构给CF/PEEK的加工带来了挑战。本文引入了纵-扭超声振动辅助铣削加工方法，利用其高脉冲和间断接触的特点对CF/PEEK单向板进行铣削加工，对比纵-扭超声振动辅助铣削(Ultrasonic vibration-assisted milling，UVAM)和常规铣削(Conventional milling，CM)中加工参数对输出特性(切削力、切削温度、表面粗糙度和损伤缺陷)的影响。结果表明，UVAM下切削力和表面粗糙度分别降低了4%~54.1%和15.8%~66.9%；同时，UVAM方法对延长刀具寿命、降低累计温度和抑制损伤缺陷具有显著作用。利用NSGA-Ⅱ算法建立了以延长刀具寿命、减小表面粗糙度和表面缺陷为目标的加工参数多目标优化模型，得到最优解，并得到实验验证，模型误差在2.24%~22.2%。
2024, 41(9): 5039-5053.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240805.002
摘要:
为经济、有效、合理地应用工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites，ECC)以提升钢筋混凝土(Reinforced concrete，RC)柱的力学性能，本文发展了一种预制钢筋增强ECC壳-混凝土组合柱，设计制作了该型组合柱的试验模型和全RC、ECC柱对照模型，通过轴压力学性能试验对比分析了预制钢筋增强ECC壳-混凝土组合柱和全RC、ECC柱轴压力学性能的差异，重点探究了ECC壳厚度和箍筋间距对预制组合柱轴压力学性能的影响规律，并以此构建了考虑箍筋和ECC壳组合约束的组合柱轴心受压承载力计算公式。结果表明，相比于RC柱，预制钢筋增强ECC壳-混凝土组合柱与ECC柱均表现出延性破坏特征，破坏时未出现ECC保护层剥落以及预制ECC壳与混凝土内芯分离等现象。随ECC壳厚度增加，预制组合柱的峰值荷载和峰值位移增加，初始刚度和延性系数降低；预制ECC壳的引入显著提高了试件的延性和耗能能力，本文ECC壳厚度变化范围内，预制组合柱的延性系数是RC柱的1.13~1.35倍，累积耗能是RC柱的2.13~2.46倍；箍筋间距减小，预制组合柱的承载力提高，峰后延性和耗能能力显著增加。组合柱的轴压承载能力应考虑预制ECC壳的约束作用，相关承载力计算公式可用于该型组合柱的轴压承载能力计算。
为经济、有效、合理地应用工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites，ECC)以提升钢筋混凝土(Reinforced concrete，RC)柱的力学性能，本文发展了一种预制钢筋增强ECC壳-混凝土组合柱，设计制作了该型组合柱的试验模型和全RC、ECC柱对照模型，通过轴压力学性能试验对比分析了预制钢筋增强ECC壳-混凝土组合柱和全RC、ECC柱轴压力学性能的差异，重点探究了ECC壳厚度和箍筋间距对预制组合柱轴压力学性能的影响规律，并以此构建了考虑箍筋和ECC壳组合约束的组合柱轴心受压承载力计算公式。结果表明，相比于RC柱，预制钢筋增强ECC壳-混凝土组合柱与ECC柱均表现出延性破坏特征，破坏时未出现ECC保护层剥落以及预制ECC壳与混凝土内芯分离等现象。随ECC壳厚度增加，预制组合柱的峰值荷载和峰值位移增加，初始刚度和延性系数降低；预制ECC壳的引入显著提高了试件的延性和耗能能力，本文ECC壳厚度变化范围内，预制组合柱的延性系数是RC柱的1.13~1.35倍，累积耗能是RC柱的2.13~2.46倍；箍筋间距减小，预制组合柱的承载力提高，峰后延性和耗能能力显著增加。组合柱的轴压承载能力应考虑预制ECC壳的约束作用，相关承载力计算公式可用于该型组合柱的轴压承载能力计算。
2024, 41(9): 5054-5065.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240809.001
摘要:
为了研究碳纤维增强树脂(Carbon fiber reinforced polymer，CFRP)-铝合金(Aluminium alloy，Al)开剖面混合立柱结构在轴向载荷下的失效行为及能量吸收特性，通过准静态轴向压缩试验与有限元仿真相结合的方法，分析了不同关键参数对CFRP-Al混合立柱轴压失效行为和能量特性的影响规律。结果表明，铝合金单层壳模型采用基于弹塑性本构与GISSMO损伤模型，CFRP层合壳模型采用Chang-Chang层内失效准则与基于B-K层间损伤模型，能够精确模拟CFRP-Al混合立柱轴压失效行为及吸能特性。通过对相对厚度比例、圆角率、开合角度、梯度和诱导孔等关键参数分析，在相对厚度比例系数η=67%，圆角半径γ=50%，开合角度θ=120°，梯度T=8，诱导孔K=1时，CFRP-Al混合立柱比吸能达到较高水平。通过对关键参数最优值进行耦合，CFRP-Al混合立柱的轴压吸收能量提升了46.81%，比吸能提升了49.06%。
为了研究碳纤维增强树脂(Carbon fiber reinforced polymer，CFRP)-铝合金(Aluminium alloy，Al)开剖面混合立柱结构在轴向载荷下的失效行为及能量吸收特性，通过准静态轴向压缩试验与有限元仿真相结合的方法，分析了不同关键参数对CFRP-Al混合立柱轴压失效行为和能量特性的影响规律。结果表明，铝合金单层壳模型采用基于弹塑性本构与GISSMO损伤模型，CFRP层合壳模型采用Chang-Chang层内失效准则与基于B-K层间损伤模型，能够精确模拟CFRP-Al混合立柱轴压失效行为及吸能特性。通过对相对厚度比例、圆角率、开合角度、梯度和诱导孔等关键参数分析，在相对厚度比例系数η=67%，圆角半径γ=50%，开合角度θ=120°，梯度T=8，诱导孔K=1时，CFRP-Al混合立柱比吸能达到较高水平。通过对关键参数最优值进行耦合，CFRP-Al混合立柱的轴压吸收能量提升了46.81%，比吸能提升了49.06%。
2024, 41(9): 4435-4456.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240423.004
摘要:
仿生结构能够在一定程度上克服传统结构和材料的缺陷，从而实现高性能和功能的多样化。增材制造(3D打印)技术可以实现复杂结构的成型，从而可以制备出具有优越力学性能和更多样化功能的仿生结构。随着增材制造技术的不断发展，增材制造技术与仿生结构设计的结合越来越受到人们的关注。同时，增材制造仿生结构具有良好的力学性能和功能，在航空航天、轨道交通、机械工业、生物医学工程等领域受到关注。本文总结了近年来3D打印仿生结构的研究进展，主要集中在力学性能优化和功能方面。优化的力学性能主要包括吸能、高强度、高刚度等，而功能则与传感、驾驶、医学等有关。最后，本文对增材制造仿生结构的优势、现有研究局限性和未来发展进行了总结和展望。
仿生结构能够在一定程度上克服传统结构和材料的缺陷，从而实现高性能和功能的多样化。增材制造(3D打印)技术可以实现复杂结构的成型，从而可以制备出具有优越力学性能和更多样化功能的仿生结构。随着增材制造技术的不断发展，增材制造技术与仿生结构设计的结合越来越受到人们的关注。同时，增材制造仿生结构具有良好的力学性能和功能，在航空航天、轨道交通、机械工业、生物医学工程等领域受到关注。本文总结了近年来3D打印仿生结构的研究进展，主要集中在力学性能优化和功能方面。优化的力学性能主要包括吸能、高强度、高刚度等，而功能则与传感、驾驶、医学等有关。最后，本文对增材制造仿生结构的优势、现有研究局限性和未来发展进行了总结和展望。
2024, 41(9): 4457-4477.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240731.001
摘要:
在碳纤维增强树脂基复合材料轻量化与结构性能持续提高的前提下，同时附加其特定的功能，尤其是在不损失、甚至提升其层间断裂韧性的情况下，不仅可以弥补结构复合材料天然的缺陷，例如树脂基体的电绝缘性，也可以使其满足特定产品的要求，例如高刚度兼具一定的吸声降噪特性等。显然，对于航空航天这样的尖端应用领域，这种功能附加或结构功能一体化的复合材料技术对航空航天技术的未来发展至关重要。本文介绍了四种具有典型性的结构功能一体化复合材料的设计、制备与性能研究，分别是基于层间功能化插层和基于内织导电纬纱的导电增韧一体化复合材料，以及多级孔碳化棉纤维填充蜂窝/微穿孔面板的夹芯复合材料结构和编织布/无纺纤维毡复合材料片材折叠成型的结构吸声一体化复合材料。前两种材料分别通过在复合材料富树脂的层间插入导电功能化插层和在复合材料内引入贯通整个材料的导电纬纱网络实现了复合材料的导电性能与层间韧性的同步提高，而后两种材料则分别通过多级孔结构的碳化棉纤维材料填充蜂窝/微穿孔面板夹芯技术和编织布/无纺纤维毡复合材料片材的折叠技术实现了良好的吸声性能等，以展示多尺度、多层次结构设计和制备技术在结构复合材料功能化集成和结构功能一体化方面的应用。
在碳纤维增强树脂基复合材料轻量化与结构性能持续提高的前提下，同时附加其特定的功能，尤其是在不损失、甚至提升其层间断裂韧性的情况下，不仅可以弥补结构复合材料天然的缺陷，例如树脂基体的电绝缘性，也可以使其满足特定产品的要求，例如高刚度兼具一定的吸声降噪特性等。显然，对于航空航天这样的尖端应用领域，这种功能附加或结构功能一体化的复合材料技术对航空航天技术的未来发展至关重要。本文介绍了四种具有典型性的结构功能一体化复合材料的设计、制备与性能研究，分别是基于层间功能化插层和基于内织导电纬纱的导电增韧一体化复合材料，以及多级孔碳化棉纤维填充蜂窝/微穿孔面板的夹芯复合材料结构和编织布/无纺纤维毡复合材料片材折叠成型的结构吸声一体化复合材料。前两种材料分别通过在复合材料富树脂的层间插入导电功能化插层和在复合材料内引入贯通整个材料的导电纬纱网络实现了复合材料的导电性能与层间韧性的同步提高，而后两种材料则分别通过多级孔结构的碳化棉纤维材料填充蜂窝/微穿孔面板夹芯技术和编织布/无纺纤维毡复合材料片材的折叠技术实现了良好的吸声性能等，以展示多尺度、多层次结构设计和制备技术在结构复合材料功能化集成和结构功能一体化方面的应用。
2024, 41(9): 4478-4501.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240026.001
摘要:
因设计自由度高、无需模具和快速制造等优点，连续纤维增强3D打印已成为当今最具创新性的先进复合材料成型技术之一。本文综述了连续纤维增强3D打印复合材料工艺缺陷及失效行为的最新研究进展，引入了“干/湿/干湿-混合”的概念对打印工艺进行了系统性分类阐述，重点介绍了由于工艺过程引入的三种缺陷及其特点。随后，归纳了连续纤维增强3D打印复合材料的失效力学行为，并分析了引发失效的主要原因。最后，针对如何减少工艺缺陷、改善失效模式和降本增效对连续纤维增强复合材料3D打印技术的未来进行了展望。
因设计自由度高、无需模具和快速制造等优点，连续纤维增强3D打印已成为当今最具创新性的先进复合材料成型技术之一。本文综述了连续纤维增强3D打印复合材料工艺缺陷及失效行为的最新研究进展，引入了“干/湿/干湿-混合”的概念对打印工艺进行了系统性分类阐述，重点介绍了由于工艺过程引入的三种缺陷及其特点。随后，归纳了连续纤维增强3D打印复合材料的失效力学行为，并分析了引发失效的主要原因。最后，针对如何减少工艺缺陷、改善失效模式和降本增效对连续纤维增强复合材料3D打印技术的未来进行了展望。
2024, 41(9): 4502-4517.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240722.005
摘要:
连续纤维增强热塑性复合材料由于优异的力学和化学性能，具有广阔的应用前景。针对高性能复杂结构零件自动化制造需求，以自动铺放及连续纤维3D打印成型技术为代表的连续纤维增强热塑性复合材料的增材制造技术引起广泛关注。增材制造过程是一个包含多尺度、多物理场的复杂过程，工艺机制尚不明确，且热塑性聚合物具有熔点高、黏度大等特性，增大了加工难度，成型工艺控制极具挑战。由于成型过程包含一系列力学问题，采用多尺度工艺力学仿真，结合理论与实验研究可以构建成型工艺参数及成型工艺质量之间的关联，为优化工艺参数设计和装备模块设计提供理论支持。多尺度模拟工艺力学及机制研究涉及到对各类复杂物理现象的理解和捕捉，算法种类繁杂，模型构建难度大，使得多尺度工艺力学建模颇具挑战性。本文总结了近年来不同尺度模拟方法在自动铺放及连续纤维3D打印等连续纤维增强热塑性复合材料工艺机制研究方面的进展，并对未来的发展方向及应用前景进行了分析和展望。
连续纤维增强热塑性复合材料由于优异的力学和化学性能，具有广阔的应用前景。针对高性能复杂结构零件自动化制造需求，以自动铺放及连续纤维3D打印成型技术为代表的连续纤维增强热塑性复合材料的增材制造技术引起广泛关注。增材制造过程是一个包含多尺度、多物理场的复杂过程，工艺机制尚不明确，且热塑性聚合物具有熔点高、黏度大等特性，增大了加工难度，成型工艺控制极具挑战。由于成型过程包含一系列力学问题，采用多尺度工艺力学仿真，结合理论与实验研究可以构建成型工艺参数及成型工艺质量之间的关联，为优化工艺参数设计和装备模块设计提供理论支持。多尺度模拟工艺力学及机制研究涉及到对各类复杂物理现象的理解和捕捉，算法种类繁杂，模型构建难度大，使得多尺度工艺力学建模颇具挑战性。本文总结了近年来不同尺度模拟方法在自动铺放及连续纤维3D打印等连续纤维增强热塑性复合材料工艺机制研究方面的进展，并对未来的发展方向及应用前景进行了分析和展望。
2024, 41(9): 4518-4534.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240418.004
摘要:
碳纤维增韧陶瓷基复合材料兼具陶瓷材料优良的抗氧化腐蚀性能和碳纤维材料增强增韧的力学性能，已成为最有潜力的高超声速飞行器热防护候选材料。碳纤维增韧陶瓷基复合材料在多物理场耦合服役环境下的高温氧化损伤失效机理对热防护材料设计及性能表征与评价至关重要，也一直是国内外学者研究的热点。本文从高温氧化机理、耦合失效实验、高温氧化模型三个方面对C/SiC和C/ZrB2-SiC复合材料进行详细论述和总结，对相应的研究方法的局限性和适用范围进行分析和评价，并展望了碳纤维增韧陶瓷基复合材料氧化损伤研究的发展趋势，进而为碳纤维增韧陶瓷基复合材料在热力氧耦合条件下的热/力响应及性能评价研究奠定理论模型基础。
碳纤维增韧陶瓷基复合材料兼具陶瓷材料优良的抗氧化腐蚀性能和碳纤维材料增强增韧的力学性能，已成为最有潜力的高超声速飞行器热防护候选材料。碳纤维增韧陶瓷基复合材料在多物理场耦合服役环境下的高温氧化损伤失效机理对热防护材料设计及性能表征与评价至关重要，也一直是国内外学者研究的热点。本文从高温氧化机理、耦合失效实验、高温氧化模型三个方面对C/SiC和C/ZrB2-SiC复合材料进行详细论述和总结，对相应的研究方法的局限性和适用范围进行分析和评价，并展望了碳纤维增韧陶瓷基复合材料氧化损伤研究的发展趋势，进而为碳纤维增韧陶瓷基复合材料在热力氧耦合条件下的热/力响应及性能评价研究奠定理论模型基础。
2024, 41(9): 4518-4545.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240407.003
摘要:
连续纤维增强复合材料因其优异的比刚度、比强度等特性，在航空航天、国防军工、医疗器件等高端装备领域得到了广泛的关注和应用。其中，纤维方向对连续纤维增强复合材料的力学性能有着重要影响，但是由于常规制造工艺的局限，纤维路径通常沿0°、45°、90°等规律一致的方向来设定，连续纤维增强复合材料的优势无法被充分利用。如今，3D打印技术促进了制造具有复杂曲线纤维路径复合材料的发展，其对应的纤维方向及路径优化设计方法正逐步引起国内外专家学者的重点关注。本文围绕纤维增强复合材料的纤维方向及路径优化设计方法，介绍了正交各向异性材料方向优化理论，回顾了纤维角度优化方法，总结了现有纤维路径规划算法，探讨了相关前沿问题并做出了未来展望。本文为高性能连续纤维增强复合材料的优化设计和制造提供了重要信息，有助于推动高性能连续纤维增强复合材料的快速发展和广泛应用。
连续纤维增强复合材料因其优异的比刚度、比强度等特性，在航空航天、国防军工、医疗器件等高端装备领域得到了广泛的关注和应用。其中，纤维方向对连续纤维增强复合材料的力学性能有着重要影响，但是由于常规制造工艺的局限，纤维路径通常沿0°、45°、90°等规律一致的方向来设定，连续纤维增强复合材料的优势无法被充分利用。如今，3D打印技术促进了制造具有复杂曲线纤维路径复合材料的发展，其对应的纤维方向及路径优化设计方法正逐步引起国内外专家学者的重点关注。本文围绕纤维增强复合材料的纤维方向及路径优化设计方法，介绍了正交各向异性材料方向优化理论，回顾了纤维角度优化方法，总结了现有纤维路径规划算法，探讨了相关前沿问题并做出了未来展望。本文为高性能连续纤维增强复合材料的优化设计和制造提供了重要信息，有助于推动高性能连续纤维增强复合材料的快速发展和广泛应用。
2024, 41(9): 4546-4571.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240606.002
摘要:
随着飞行器中复合材料的使用占比逐年增加，对其安全性的要求也日益严苛。复合材料的损伤部位隐蔽且情况复杂，使预测失效模式和使用寿命变得困难。因此，需要实时监测结构响应，收集状态信息，评估运行情况，判断损伤和剩余寿命，以确保飞行器结构的安全稳定运行。本文瞄准航天飞行器对复合材料结构健康监测的需求，首先简述了复合材料结构在典型飞行器结构应用情况以及复合材料结构健康监测技术的研究及应用情况，随后分别对常见的结构健康监测技术进行了详细的讨论，包括光纤传感监测技术、超声导波监测技术、声发射监测技术、机电阻抗监测法等技术的研究进展，接着针对结构健康监测技术在航天飞行器的各种结构如燃料贮箱结构、热防护结构、发动机结构以及机翼前缘结构等其他结构的应用情况进行了分析讨论，然后对典型的结构健康监测技术评估方法的研究进展进行了分析总结，最后讨论总结了航天复合材料结构健康监测技术的发展趋势与面临的挑战。
随着飞行器中复合材料的使用占比逐年增加，对其安全性的要求也日益严苛。复合材料的损伤部位隐蔽且情况复杂，使预测失效模式和使用寿命变得困难。因此，需要实时监测结构响应，收集状态信息，评估运行情况，判断损伤和剩余寿命，以确保飞行器结构的安全稳定运行。本文瞄准航天飞行器对复合材料结构健康监测的需求，首先简述了复合材料结构在典型飞行器结构应用情况以及复合材料结构健康监测技术的研究及应用情况，随后分别对常见的结构健康监测技术进行了详细的讨论，包括光纤传感监测技术、超声导波监测技术、声发射监测技术、机电阻抗监测法等技术的研究进展，接着针对结构健康监测技术在航天飞行器的各种结构如燃料贮箱结构、热防护结构、发动机结构以及机翼前缘结构等其他结构的应用情况进行了分析讨论，然后对典型的结构健康监测技术评估方法的研究进展进行了分析总结，最后讨论总结了航天复合材料结构健康监测技术的发展趋势与面临的挑战。
2024, 41(9): 4588-4606.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231127.003
摘要:
目前连续纤维增强聚合物基体复合材料在航空航天等领域具有广泛应用，其在使用过程中会处于复杂的多轴应力状态，且载荷形式大多为疲劳载荷，因而有必要对复合材料多轴疲劳问题进行研究。目前对于复合材料多轴疲劳的研究主要分为三方面：不同试样的多轴疲劳行为研究；多轴疲劳行为影响因素；多轴疲劳寿命预测方法。其中复合材料多轴疲劳试验研究可按试样形式分为管状试样、十字型试样以及板状试样多轴疲劳试验，以十字型和管状试样试验最为常见。讨论了多轴疲劳载荷下堆叠顺序、多轴度、载荷加载方式等因素对复合材料多轴疲劳强度的影响。对于复合材料双轴疲劳寿命预测方法，主要分为唯象模型与非经典模型，这与单轴疲劳寿命预测方法存在类似之处，但并未考虑双轴疲劳载荷下的损伤演化以及控制最终失效的损伤机制。本文概述了纤维增强复合材料的多轴疲劳研究进展，对多轴疲劳的三个方面进行了详细介绍，通过对现有研究结果的总结与分析，提出了复合材料多轴疲劳后续研究的展望。
目前连续纤维增强聚合物基体复合材料在航空航天等领域具有广泛应用，其在使用过程中会处于复杂的多轴应力状态，且载荷形式大多为疲劳载荷，因而有必要对复合材料多轴疲劳问题进行研究。目前对于复合材料多轴疲劳的研究主要分为三方面：不同试样的多轴疲劳行为研究；多轴疲劳行为影响因素；多轴疲劳寿命预测方法。其中复合材料多轴疲劳试验研究可按试样形式分为管状试样、十字型试样以及板状试样多轴疲劳试验，以十字型和管状试样试验最为常见。讨论了多轴疲劳载荷下堆叠顺序、多轴度、载荷加载方式等因素对复合材料多轴疲劳强度的影响。对于复合材料双轴疲劳寿命预测方法，主要分为唯象模型与非经典模型，这与单轴疲劳寿命预测方法存在类似之处，但并未考虑双轴疲劳载荷下的损伤演化以及控制最终失效的损伤机制。本文概述了纤维增强复合材料的多轴疲劳研究进展，对多轴疲劳的三个方面进行了详细介绍，通过对现有研究结果的总结与分析，提出了复合材料多轴疲劳后续研究的展望。
2024, 41(9): 4601-4628.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240611.003
摘要:
复合材料的大规模应用是航空飞行器机体加筋壁板结构减重的主要手段，但因过于保守的设计准则使得结构减重效果并不理想。薄壁加筋壁板结构通常具有很长的后屈曲承载历程，但因缺乏后屈曲设计与评估的有效分析方法，目前飞机复合材料加筋壁板几乎都不允许蒙皮在限制载荷以下屈曲，无法充分发挥复合材料的减重特性。本文回顾了复合材料加筋壁板稳定性设计的发展历程，阐述了开展后屈曲设计分析的必要性；围绕工程分析技术与数值分析技术两个方面，详细综述了壁板结构屈曲与后屈曲性能分析与设计方法的研究进展；探讨了影响复合材料壁板屈曲与后屈曲性能的主要因素，并论述了屈曲疲劳、损伤/缺陷、湿热环境等对结构性能的影响；最后总结了复合材料加筋壁板后屈曲设计与分析技术总体现状，展望了未来技术发展趋势。
复合材料的大规模应用是航空飞行器机体加筋壁板结构减重的主要手段，但因过于保守的设计准则使得结构减重效果并不理想。薄壁加筋壁板结构通常具有很长的后屈曲承载历程，但因缺乏后屈曲设计与评估的有效分析方法，目前飞机复合材料加筋壁板几乎都不允许蒙皮在限制载荷以下屈曲，无法充分发挥复合材料的减重特性。本文回顾了复合材料加筋壁板稳定性设计的发展历程，阐述了开展后屈曲设计分析的必要性；围绕工程分析技术与数值分析技术两个方面，详细综述了壁板结构屈曲与后屈曲性能分析与设计方法的研究进展；探讨了影响复合材料壁板屈曲与后屈曲性能的主要因素，并论述了屈曲疲劳、损伤/缺陷、湿热环境等对结构性能的影响；最后总结了复合材料加筋壁板后屈曲设计与分析技术总体现状，展望了未来技术发展趋势。
2024, 41(9): 4606-4627.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240304.002
摘要:
本文对纤维增强树脂基复合材料在抗冲击领域的吸能机制及损伤模式进行了综述。首先，介绍了纤维增强复合材料在弹道防护、航空航天等领域的应用，对比了超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene fiber，UHMWPE)纤维、芳纶纤维、碳纤维等高性能纤维的优缺点；其次，以各种纤维增强树脂基复合材料的弹道实验及理论模拟为基础，分析了防弹复合材料的吸能机制和损伤模式，发现拉伸变形是复合材料的主要吸能方式，分层破坏是其主要损伤模式；最后，总结了纤维编织结构的分类、特点及其对复合材料防弹性能的影响并对纤维增强树脂基复合材料的发展前景进行了展望。
本文对纤维增强树脂基复合材料在抗冲击领域的吸能机制及损伤模式进行了综述。首先，介绍了纤维增强复合材料在弹道防护、航空航天等领域的应用，对比了超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene fiber，UHMWPE)纤维、芳纶纤维、碳纤维等高性能纤维的优缺点；其次，以各种纤维增强树脂基复合材料的弹道实验及理论模拟为基础，分析了防弹复合材料的吸能机制和损伤模式，发现拉伸变形是复合材料的主要吸能方式，分层破坏是其主要损伤模式；最后，总结了纤维编织结构的分类、特点及其对复合材料防弹性能的影响并对纤维增强树脂基复合材料的发展前景进行了展望。
2024, 41(9): 4657-4675.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240416.003
摘要:
三维复合材料因其优异的抗分层能力，在航空航天等领域具有巨大的应用价值，近年来受到了国内外研究者的广泛关注。然而，传统三维复合材料制造周期长，工艺复杂度高，曲面成形难度大，已成为制约三维复合材料构件应用推广的关键难题之一。Tufting缝合(亦称“簇绒缝合”)是一种工艺简单的单边缝合技术，其缝合线非互锁的结构特征使Tufting缝合后的三维预制体在曲面上无缺陷成形变为可能。本文首先对Tufting缝合工艺的发展历程和Tufting缝合复合材料的结构特征进行了概述，其次梳理了现有关于Tufting缝合预制体曲面模压成形方面的研究，重点从成形性能分析、成形缺陷定义和数字化表征手段三个方面，指出了目前研究所取得的进步和尚缺少的不足，并对Tufting缝合预制体曲面模压成形的数值模拟方法进行了总结，点明了Tufting缝合预制体成形模型的特殊性，最后展望了Tufting缝合技术在复合材料预制体成形领域未来的发展方向。
三维复合材料因其优异的抗分层能力，在航空航天等领域具有巨大的应用价值，近年来受到了国内外研究者的广泛关注。然而，传统三维复合材料制造周期长，工艺复杂度高，曲面成形难度大，已成为制约三维复合材料构件应用推广的关键难题之一。Tufting缝合(亦称“簇绒缝合”)是一种工艺简单的单边缝合技术，其缝合线非互锁的结构特征使Tufting缝合后的三维预制体在曲面上无缺陷成形变为可能。本文首先对Tufting缝合工艺的发展历程和Tufting缝合复合材料的结构特征进行了概述，其次梳理了现有关于Tufting缝合预制体曲面模压成形方面的研究，重点从成形性能分析、成形缺陷定义和数字化表征手段三个方面，指出了目前研究所取得的进步和尚缺少的不足，并对Tufting缝合预制体曲面模压成形的数值模拟方法进行了总结，点明了Tufting缝合预制体成形模型的特殊性，最后展望了Tufting缝合技术在复合材料预制体成形领域未来的发展方向。
