2019年 第36卷 第5期
2019, 36(5): 1063-1073.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180703.003
摘要:
玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料因其抗拉强度高、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点，被越来越多地应用于建（构）筑物地抗浮工程中，但弯折后的力学性能研究较少。为研究弯曲GFRP复合材料抗浮锚杆的力学特性，本文基于8根表面黏砂型GFRP复合材料抗浮锚杆和8根螺纹钢筋抗浮锚杆的现场足尺拉拔破坏性试验，研究了直锚、弯曲GFRP复合材料抗浮锚杆在混凝土底板中的锚固特性。试验结果表明：弯曲处理不利于提高GFRP复合材料抗浮锚杆极限承载力，且弯折长度越长，极限承载力降低幅度越大，但可以有效限制锚杆在底板中的位移，且弯折长度越长，位移限制效果越明显。增加锚固长度可以提高抗浮锚杆的极限承载力且有效限制其位移。通过引入抗浮锚杆弯曲处理影响系数讨论了弯曲处理对GFRP复合材料抗浮锚杆锚固特性的影响，并提出了需进一步研究的问题。
玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料因其抗拉强度高、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点，被越来越多地应用于建（构）筑物地抗浮工程中，但弯折后的力学性能研究较少。为研究弯曲GFRP复合材料抗浮锚杆的力学特性，本文基于8根表面黏砂型GFRP复合材料抗浮锚杆和8根螺纹钢筋抗浮锚杆的现场足尺拉拔破坏性试验，研究了直锚、弯曲GFRP复合材料抗浮锚杆在混凝土底板中的锚固特性。试验结果表明：弯曲处理不利于提高GFRP复合材料抗浮锚杆极限承载力，且弯折长度越长，极限承载力降低幅度越大，但可以有效限制锚杆在底板中的位移，且弯折长度越长，位移限制效果越明显。增加锚固长度可以提高抗浮锚杆的极限承载力且有效限制其位移。通过引入抗浮锚杆弯曲处理影响系数讨论了弯曲处理对GFRP复合材料抗浮锚杆锚固特性的影响，并提出了需进一步研究的问题。
2019, 36(5): 1074-1082.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180724.002
摘要:
制备了多种铺层方式的连续玻璃纤维/聚丙烯（GF/PP）复合材料波纹夹芯板，并研究了GF/PP复合材料波纹夹芯板的平压性能和弯曲性能。结果显示：面板相同时，增加芯板厚度可大大增加夹芯板整体的平压性能；芯板相同时，面板的铺层方式对夹芯板的平压性能有一定影响，且面板含有0°和90°铺层的波纹夹芯板具有最高的平压模量，为59.55 MPa，而单纯增加面板厚度对提升波纹夹芯板的平压性能影响不大；面板铺层方式对弯曲性能具有较大影响，面板为0°铺层的波纹夹芯板具有最高的横向弯曲模量，为783.66 MPa，面板为90°铺层的波纹夹芯板具有最高的纵向弯曲模量，为732.09 MPa；面板为单向铺层（0°或90°铺层）时，会使夹芯板另一方向（纵向或横向）的弯曲性能形成短板。
制备了多种铺层方式的连续玻璃纤维/聚丙烯（GF/PP）复合材料波纹夹芯板，并研究了GF/PP复合材料波纹夹芯板的平压性能和弯曲性能。结果显示：面板相同时，增加芯板厚度可大大增加夹芯板整体的平压性能；芯板相同时，面板的铺层方式对夹芯板的平压性能有一定影响，且面板含有0°和90°铺层的波纹夹芯板具有最高的平压模量，为59.55 MPa，而单纯增加面板厚度对提升波纹夹芯板的平压性能影响不大；面板铺层方式对弯曲性能具有较大影响，面板为0°铺层的波纹夹芯板具有最高的横向弯曲模量，为783.66 MPa，面板为90°铺层的波纹夹芯板具有最高的纵向弯曲模量，为732.09 MPa；面板为单向铺层（0°或90°铺层）时，会使夹芯板另一方向（纵向或横向）的弯曲性能形成短板。
2019, 36(5): 1083-1091.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180821.002
摘要:
为探究热塑性酚酞基聚醚酮（Polyaryletherketone with Cardo，PEK-C）树脂薄膜及膜厚对层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响，利用浸渍提拉法制备了三种不同厚度（分别约为1 μm、10 μm、30 μm）的PEK-C膜，通过热压成型制备了层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料层合板，对其进行了Ⅰ型层间断裂韧性、冲击后压缩强度、层间剪切及弯曲性能测试，并利用SEM观察微观形貌及AFM扫描微观相图。结果表明：不同PEK-C膜厚增韧碳纤维/环氧树脂复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性、冲击后压缩强度及层间剪切强度有不同程度提高，Ⅰ型层间断裂韧性及层间剪切强度以膜厚为10 μm最佳，分别增大了157.17%和17.57%，冲击后压缩强度以膜厚为30 μm最佳，达到了186.67 MPa，这是由于PEK-C与环氧树脂在热压固化过程中形成了双相结构，改善了材料韧性；但弯曲性能持续下降，强度及模量由未增韧的1 551 MPa、106 GPa分别降至30 μm时的965 MPa、79 GPa，这是由于PEK-C树脂扩散进入环氧树脂中，降低了纤维体积分数及材料刚度。
为探究热塑性酚酞基聚醚酮（Polyaryletherketone with Cardo，PEK-C）树脂薄膜及膜厚对层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响，利用浸渍提拉法制备了三种不同厚度（分别约为1 μm、10 μm、30 μm）的PEK-C膜，通过热压成型制备了层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料层合板，对其进行了Ⅰ型层间断裂韧性、冲击后压缩强度、层间剪切及弯曲性能测试，并利用SEM观察微观形貌及AFM扫描微观相图。结果表明：不同PEK-C膜厚增韧碳纤维/环氧树脂复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性、冲击后压缩强度及层间剪切强度有不同程度提高，Ⅰ型层间断裂韧性及层间剪切强度以膜厚为10 μm最佳，分别增大了157.17%和17.57%，冲击后压缩强度以膜厚为30 μm最佳，达到了186.67 MPa，这是由于PEK-C与环氧树脂在热压固化过程中形成了双相结构，改善了材料韧性；但弯曲性能持续下降，强度及模量由未增韧的1 551 MPa、106 GPa分别降至30 μm时的965 MPa、79 GPa，这是由于PEK-C树脂扩散进入环氧树脂中，降低了纤维体积分数及材料刚度。
2019, 36(5): 1092-1100.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180612.001
摘要:
提出了一种由齿板-玻璃纤维（TP-GF）混合面板和聚氨酯（PU）泡沫芯材组成的新型TP-GF/PU泡沫夹层梁，结构中金属板通过齿钉压入GF与内部芯材连接，该夹层梁采用真空导入模压工艺制作。通过低速冲击试验，研究了不同冲击能量、纤维厚度和泡沫密度下TP-GF/PU泡沫夹层梁的冲击响应和损伤模式，并与普通的夹层梁进行了对比分析；通过双悬臂梁试验研究了混合夹层梁的界面性能，计算了夹层梁的应变能释放率。结果表明：在22 J、33 J、44 J能量冲击下，泡沫芯材密度为150 kg/m3的TP-GF/PU泡沫夹层梁的最大接触力较普通夹层梁分别提高了31.2%、48.6%、33.3%，冲击能量吸收分别增加了17.2%、11.3%、15.5%；随着冲击能量、面板纤维层数及芯材密度的增加，TP-GF/PU泡沫夹层梁最大接触力增大，密度较低的TP-GF/PU泡沫夹层梁损伤形式主要为面板的局部弯曲，而芯材密度较高的TP-GF/PU泡沫夹层梁则以穿透损伤为主；增加泡沫芯材密度和面板纤维厚度能够提高TP-GF/PU泡沫夹层梁的抗冲击性能，随着芯材密度的增大TP-GF/PU泡沫夹层梁的应变能释放率峰值越高，界面性能越好。
提出了一种由齿板-玻璃纤维（TP-GF）混合面板和聚氨酯（PU）泡沫芯材组成的新型TP-GF/PU泡沫夹层梁，结构中金属板通过齿钉压入GF与内部芯材连接，该夹层梁采用真空导入模压工艺制作。通过低速冲击试验，研究了不同冲击能量、纤维厚度和泡沫密度下TP-GF/PU泡沫夹层梁的冲击响应和损伤模式，并与普通的夹层梁进行了对比分析；通过双悬臂梁试验研究了混合夹层梁的界面性能，计算了夹层梁的应变能释放率。结果表明：在22 J、33 J、44 J能量冲击下，泡沫芯材密度为150 kg/m3的TP-GF/PU泡沫夹层梁的最大接触力较普通夹层梁分别提高了31.2%、48.6%、33.3%，冲击能量吸收分别增加了17.2%、11.3%、15.5%；随着冲击能量、面板纤维层数及芯材密度的增加，TP-GF/PU泡沫夹层梁最大接触力增大，密度较低的TP-GF/PU泡沫夹层梁损伤形式主要为面板的局部弯曲，而芯材密度较高的TP-GF/PU泡沫夹层梁则以穿透损伤为主；增加泡沫芯材密度和面板纤维厚度能够提高TP-GF/PU泡沫夹层梁的抗冲击性能，随着芯材密度的增大TP-GF/PU泡沫夹层梁的应变能释放率峰值越高，界面性能越好。
2019, 36(5): 1101-1113.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180703.002
摘要:
为研究由于材料固化产生的热残余应力对碳纤维增强环氧树脂复合材料横向拉伸性能预测结果的影响，发展了一种基于摄动算法的纤维和孔洞随机分布代表性体积单元（RVE）生成方法，建立更加接近真实材料微观结构的RVE模型。通过施加周期性边界条件，并赋予组分（纤维、基体和界面）材料本构关系，进而实现温度和机械荷载下模型的热残余应力和损伤失效分析。从结果中发现，材料固化过程会在纤维之间产生残余压应力，在模型孔隙周围产生沿加载方向的残余拉应力。所建立不含孔隙RVE模型的失效均是由于界面脱黏引起，材料固化在纤维之间产生的残余压应力会增加模型的预测强度。含有孔隙的RVE模型失效起始于孔隙周围的基体中，而材料固化在模型孔隙周围产生的热残余拉应力对含孔隙RVE模型预测的失效强度有降低作用。对于具有不同孔隙尺寸的RVE模型，模型的失效强度随着孔隙尺寸的增加而不断降低，但是热残余应力减弱了孔隙尺寸对模型预测结果的降低作用。对于具有不同长宽比椭圆形孔隙的RVE模型，热残余应力增加了孔隙长宽比对模型强度的降低作用。
为研究由于材料固化产生的热残余应力对碳纤维增强环氧树脂复合材料横向拉伸性能预测结果的影响，发展了一种基于摄动算法的纤维和孔洞随机分布代表性体积单元（RVE）生成方法，建立更加接近真实材料微观结构的RVE模型。通过施加周期性边界条件，并赋予组分（纤维、基体和界面）材料本构关系，进而实现温度和机械荷载下模型的热残余应力和损伤失效分析。从结果中发现，材料固化过程会在纤维之间产生残余压应力，在模型孔隙周围产生沿加载方向的残余拉应力。所建立不含孔隙RVE模型的失效均是由于界面脱黏引起，材料固化在纤维之间产生的残余压应力会增加模型的预测强度。含有孔隙的RVE模型失效起始于孔隙周围的基体中，而材料固化在模型孔隙周围产生的热残余拉应力对含孔隙RVE模型预测的失效强度有降低作用。对于具有不同孔隙尺寸的RVE模型，模型的失效强度随着孔隙尺寸的增加而不断降低，但是热残余应力减弱了孔隙尺寸对模型预测结果的降低作用。对于具有不同长宽比椭圆形孔隙的RVE模型，热残余应力增加了孔隙长宽比对模型强度的降低作用。
2019, 36(5): 1114-1123.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180725.001
摘要:
本文针对碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料修补结构，基于连续损伤力学和粘结单元模型，在ABAQUS软件中对低速冲击载荷下不同冲击位置和补片层数的CFRP复合材料层合板内部和层间损伤进行了数值分析，并与试验结果进行了对比。选择相对冲击位置为0 mm、10 mm、20 mm、30 mm和40 mm时对应的五种修补结构，通过数值计算和试验，获得了修补结构在低速冲击过程中的冲击力、冲击能量等数据。在保持补片单层厚度不变的前提下，使补片层数从1层增加到5层，计算获得了修补结构的低速冲击响应。研究结果表明：冲头接触修补结构时会对补片造成较大的损伤，补片可以提高含孔损伤母板的抗冲击性能；冲击点离修补结构损伤孔越近，结构受冲击所产生的分层损伤越严重；增加补片的层数可以提高修补结构的抗冲击性能；通过对补片层数进行优化，得到优化层数为2，其对应的修补结构与无修补结构相比分层损伤面积减少了19.9%，较好地提升了母板的抗冲击性能。
本文针对碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料修补结构，基于连续损伤力学和粘结单元模型，在ABAQUS软件中对低速冲击载荷下不同冲击位置和补片层数的CFRP复合材料层合板内部和层间损伤进行了数值分析，并与试验结果进行了对比。选择相对冲击位置为0 mm、10 mm、20 mm、30 mm和40 mm时对应的五种修补结构，通过数值计算和试验，获得了修补结构在低速冲击过程中的冲击力、冲击能量等数据。在保持补片单层厚度不变的前提下，使补片层数从1层增加到5层，计算获得了修补结构的低速冲击响应。研究结果表明：冲头接触修补结构时会对补片造成较大的损伤，补片可以提高含孔损伤母板的抗冲击性能；冲击点离修补结构损伤孔越近，结构受冲击所产生的分层损伤越严重；增加补片的层数可以提高修补结构的抗冲击性能；通过对补片层数进行优化，得到优化层数为2，其对应的修补结构与无修补结构相比分层损伤面积减少了19.9%，较好地提升了母板的抗冲击性能。
2019, 36(5): 1124-1131.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180726.001
摘要:
为了给碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料粘接结构的安全设计及应用提供参考，针对CFRP复合材料-铝合金对接接头，研究了拉-拉交变载荷作用下的疲劳寿命特性及剩余强度变化规律。设计专用夹具，完成接头的制作及固化，并测试其拉伸、剪切准静态失效强度，在此基础上进行不同载荷水平下的疲劳寿命测试。选取特定载荷水平，测试不同循环次数后的接头剩余强度，并对失效形式进行观察分析。结果表明：CFRP复合材料-铝合金对接接头强度-寿命（S-N）曲线在单对数坐标上符合线性函数规律；随着交变载荷循环周期的增加，接头剩余强度呈先慢后快的下降趋势，而且在较大的载荷水平下，下降幅度更为明显；经历交变载荷循环前、后接头失效形式发生改变，由局部CFRP复合材料表层撕裂转变为局部界面破坏。结合试验测试所获得的初始失效准则，并引入疲劳退化因子，建立内聚力模型对交变载荷作用下的粘接接头强度衰减进行数值模拟，结果表明所建立模型能够有效预测交变载荷作用下的接头剩余强度。
为了给碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料粘接结构的安全设计及应用提供参考，针对CFRP复合材料-铝合金对接接头，研究了拉-拉交变载荷作用下的疲劳寿命特性及剩余强度变化规律。设计专用夹具，完成接头的制作及固化，并测试其拉伸、剪切准静态失效强度，在此基础上进行不同载荷水平下的疲劳寿命测试。选取特定载荷水平，测试不同循环次数后的接头剩余强度，并对失效形式进行观察分析。结果表明：CFRP复合材料-铝合金对接接头强度-寿命（S-N）曲线在单对数坐标上符合线性函数规律；随着交变载荷循环周期的增加，接头剩余强度呈先慢后快的下降趋势，而且在较大的载荷水平下，下降幅度更为明显；经历交变载荷循环前、后接头失效形式发生改变，由局部CFRP复合材料表层撕裂转变为局部界面破坏。结合试验测试所获得的初始失效准则，并引入疲劳退化因子，建立内聚力模型对交变载荷作用下的粘接接头强度衰减进行数值模拟，结果表明所建立模型能够有效预测交变载荷作用下的接头剩余强度。
2019, 36(5): 1132-1142.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180716.004
摘要:
提出了一种等效理论来分析含损伤碳纤维增强树脂T300/QY8911复合材料层合板的分层屈曲。针对含贯穿脱层层合板产生面外弯曲后的受力特点，引入损伤界面的接触效应，根据精确模型所给出的多尺度变形失效机制，提出了一个基于刚度等效理论来分析损伤层合板结构失效的力学性能。通过将含脱层的区域等效成一个几何形状和铺设方式完全一致，但刚度相应折减的完善子板，运用三分区模型，根据板壳理论、复合材料力学等基本原理建立各子板的屈曲控制方程，同时结合边界条件和连续性条件求解。算例分析表明，本文所得的屈曲荷载与考虑接触效应精确模型所得的解析解及ABAQUS有限元结果高度吻合。该研究方法充分考虑了脱层带来的刚度降低以及由于分层界面处非线性抗穿透约束的影响，不仅大大简化了繁琐的推导过程和节省了计算量，而且揭示了深层次的力学机制，更为主要的是，该方法可以有效推广到含多分层损伤层合板的非线性力学性能的评估，为航空航天先进复合材料的结构设计和力学分析提供有力的技术支持。
提出了一种等效理论来分析含损伤碳纤维增强树脂T300/QY8911复合材料层合板的分层屈曲。针对含贯穿脱层层合板产生面外弯曲后的受力特点，引入损伤界面的接触效应，根据精确模型所给出的多尺度变形失效机制，提出了一个基于刚度等效理论来分析损伤层合板结构失效的力学性能。通过将含脱层的区域等效成一个几何形状和铺设方式完全一致，但刚度相应折减的完善子板，运用三分区模型，根据板壳理论、复合材料力学等基本原理建立各子板的屈曲控制方程，同时结合边界条件和连续性条件求解。算例分析表明，本文所得的屈曲荷载与考虑接触效应精确模型所得的解析解及ABAQUS有限元结果高度吻合。该研究方法充分考虑了脱层带来的刚度降低以及由于分层界面处非线性抗穿透约束的影响，不仅大大简化了繁琐的推导过程和节省了计算量，而且揭示了深层次的力学机制，更为主要的是，该方法可以有效推广到含多分层损伤层合板的非线性力学性能的评估，为航空航天先进复合材料的结构设计和力学分析提供有力的技术支持。
2019, 36(5): 1143-1150.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180821.003
摘要:
复合材料纤维张力缠绕技术通过提高纤维的张力水平可充分发挥纤维高强、高模优势，在成型过程中对结构进行预紧，成为解决高速转动部件径向变形大、界面强度低等问题新的有效途径。将每一层纤维的张力缠绕等效为一个含预应力复合材料薄环的叠加，基于正交各向异性复合材料缠绕层和各向同性金属芯模弹性变形理论，建立了纤维张力缠绕力学解析模型，得到芯模和缠绕层预应力场随缠绕层数及缠绕张力的变化规律，并通过复合材料纤维张力工艺试验验证了力学解析模型的正确性。研究发现了纤维张力缠绕中预应力“饱和”现象，并确定了影响张力缠绕预应力场的两个主要参数：缠绕层环径向刚度比Eθ/Er和张力大小T（r），为复合材料纤维张力缠绕成型工艺提供理论支撑。
复合材料纤维张力缠绕技术通过提高纤维的张力水平可充分发挥纤维高强、高模优势，在成型过程中对结构进行预紧，成为解决高速转动部件径向变形大、界面强度低等问题新的有效途径。将每一层纤维的张力缠绕等效为一个含预应力复合材料薄环的叠加，基于正交各向异性复合材料缠绕层和各向同性金属芯模弹性变形理论，建立了纤维张力缠绕力学解析模型，得到芯模和缠绕层预应力场随缠绕层数及缠绕张力的变化规律，并通过复合材料纤维张力工艺试验验证了力学解析模型的正确性。研究发现了纤维张力缠绕中预应力“饱和”现象，并确定了影响张力缠绕预应力场的两个主要参数：缠绕层环径向刚度比Eθ/Er和张力大小T（r），为复合材料纤维张力缠绕成型工艺提供理论支撑。
2019, 36(5): 1151-1158.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180625.001
摘要:
三维打印碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料因层间材料失配和打印过程中梯度降温而产生热残余现象，影响工件成形质量。本文取代简单的同步降温假设，提出了符合实际制备工艺的梯度降温概念，据此建立了三维打印正交铺层复合材料板和梁的热残余变形和应力的解析解。为反映三维打印过程中随时序动态变化的制备和降温过程，考虑每层制备轮次的降温梯度并进行热残余分析，最后合成得到热残余变形和应力。讨论了4种梯度降温模式，覆盖了所有可能的三维打印工艺。以CFRP复合材料三维打印为例，验证了本文解析解的精度和可靠性，显示了同步降温假设会产生显著的误差，表明热残余水平与降温梯度成正比，讨论了铺层方式对热残余的影响。为优化三维打印CFRP复合材料的结构设计和制备工艺、降低热残余水平提供了可靠的分析方法。
三维打印碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料因层间材料失配和打印过程中梯度降温而产生热残余现象，影响工件成形质量。本文取代简单的同步降温假设，提出了符合实际制备工艺的梯度降温概念，据此建立了三维打印正交铺层复合材料板和梁的热残余变形和应力的解析解。为反映三维打印过程中随时序动态变化的制备和降温过程，考虑每层制备轮次的降温梯度并进行热残余分析，最后合成得到热残余变形和应力。讨论了4种梯度降温模式，覆盖了所有可能的三维打印工艺。以CFRP复合材料三维打印为例，验证了本文解析解的精度和可靠性，显示了同步降温假设会产生显著的误差，表明热残余水平与降温梯度成正比，讨论了铺层方式对热残余的影响。为优化三维打印CFRP复合材料的结构设计和制备工艺、降低热残余水平提供了可靠的分析方法。
2019, 36(5): 1159-1168.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180911.005
摘要:
为获得复合材料夹芯圆柱壳的振动声辐射准确解，在厚度方向将壳体分成若干薄层，基于三维弹性理论和状态空间技术，对每一薄层建立状态空间方程，并结合位移和应力连续条件，建立横向位移和应力的传递矩阵。外表面的流体载荷和内表面的点激励通过傅里叶级数展开，并代入状态空间方程，获得了复合材料圆柱壳水下振动和声辐射的弹性准确解。应用具体算例，与有限元仿真和文献计算结果对比。结果表明，本文的三维弹性理论相较于近似的二维壳体理论更加准确。进一步研究了铺层角、表层和芯材厚度分布及材料损耗因子对振动声辐射的影响。计算结果表明，在环频率以下的频段，声功率峰值点数目随铺层角度增加呈“抛物线”型变化趋势；在环频率以上的中高频段，随着铺层角度增加，声功率峰值点数目呈先增加后趋于平缓然后继续增加的趋势。随着芯材损耗因子的增加，声功率峰值逐步降低，但下降幅度减小。
为获得复合材料夹芯圆柱壳的振动声辐射准确解，在厚度方向将壳体分成若干薄层，基于三维弹性理论和状态空间技术，对每一薄层建立状态空间方程，并结合位移和应力连续条件，建立横向位移和应力的传递矩阵。外表面的流体载荷和内表面的点激励通过傅里叶级数展开，并代入状态空间方程，获得了复合材料圆柱壳水下振动和声辐射的弹性准确解。应用具体算例，与有限元仿真和文献计算结果对比。结果表明，本文的三维弹性理论相较于近似的二维壳体理论更加准确。进一步研究了铺层角、表层和芯材厚度分布及材料损耗因子对振动声辐射的影响。计算结果表明，在环频率以下的频段，声功率峰值点数目随铺层角度增加呈“抛物线”型变化趋势；在环频率以上的中高频段，随着铺层角度增加，声功率峰值点数目呈先增加后趋于平缓然后继续增加的趋势。随着芯材损耗因子的增加，声功率峰值逐步降低，但下降幅度减小。
2019, 36(5): 1169-1178.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180725.002
摘要:
针对大吨位纤维增强聚合物（FRP）复合材料拉索锚固问题，基于前期提出的一种适用于多根、大直径的FRP复合材料拉索整体式变刚度锚固方法（简称大吨位锚固），利用应力-应变关系分析了FRP复合材料拉索加载端应力集中产生的本质原因，推导了FRP复合材料拉索与荷载传递介质协同工作的界面摩擦系数关系式。基于功能原理，推导了大吨位锚固体系的锚固力计算公式，并基于锚固力计算公式进行了参数分析。理论推导结果表明：等刚度荷载传递介质会引起FRP复合材料拉索加载端应力集中，变刚度荷载传递介质的大吨位锚固方法可以有效避免FRP复合材料拉索“切口效应”。推导的界面摩擦系数关系式能够作为FRP复合材料拉索与荷载传递介质是否同步跟进的判断依据。参数分析表明：增加锚固长度和锥角（保持加载端厚度不变）有利于设计较小尺寸大吨位锚固体系，而增加锥角（保持自由端厚度不变）和同时改变加载端与自由端厚度不利于设计较小尺寸大吨位锚固体系。
针对大吨位纤维增强聚合物（FRP）复合材料拉索锚固问题，基于前期提出的一种适用于多根、大直径的FRP复合材料拉索整体式变刚度锚固方法（简称大吨位锚固），利用应力-应变关系分析了FRP复合材料拉索加载端应力集中产生的本质原因，推导了FRP复合材料拉索与荷载传递介质协同工作的界面摩擦系数关系式。基于功能原理，推导了大吨位锚固体系的锚固力计算公式，并基于锚固力计算公式进行了参数分析。理论推导结果表明：等刚度荷载传递介质会引起FRP复合材料拉索加载端应力集中，变刚度荷载传递介质的大吨位锚固方法可以有效避免FRP复合材料拉索“切口效应”。推导的界面摩擦系数关系式能够作为FRP复合材料拉索与荷载传递介质是否同步跟进的判断依据。参数分析表明：增加锚固长度和锥角（保持加载端厚度不变）有利于设计较小尺寸大吨位锚固体系，而增加锥角（保持自由端厚度不变）和同时改变加载端与自由端厚度不利于设计较小尺寸大吨位锚固体系。
2019, 36(5): 1179-1188.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180726.002
摘要:
本文采用双悬臂梁（DCB）试件研究了复合材料层合板层间插入韧性胶膜（Interleaf）层的Ⅰ型断裂行为。试验结果表明，含和不含Interleaf层试件分别呈现脆性非稳态和脆性稳态分层扩展特性。针对非稳定裂纹扩展问题，依据动态断裂力学中应变能释放率与动能变化率的关系，提出了以断裂韧性值GIC变化来抵消动能变化对裂纹扩展过程影响的准静态分析方法，根据试验中裂纹扩展的韧性变化，推导出适用于准静态裂纹扩展模拟的等效韧性GIC*，利用ABAQUS平台和虚裂纹闭合技术（VCCT）建立了三维有限元计算模型；实现了从起裂到止裂的整个裂纹动态扩展过程的数值模拟，揭示了非稳定裂纹扩展过程中一些复杂的力学现象。
本文采用双悬臂梁（DCB）试件研究了复合材料层合板层间插入韧性胶膜（Interleaf）层的Ⅰ型断裂行为。试验结果表明，含和不含Interleaf层试件分别呈现脆性非稳态和脆性稳态分层扩展特性。针对非稳定裂纹扩展问题，依据动态断裂力学中应变能释放率与动能变化率的关系，提出了以断裂韧性值GIC变化来抵消动能变化对裂纹扩展过程影响的准静态分析方法，根据试验中裂纹扩展的韧性变化，推导出适用于准静态裂纹扩展模拟的等效韧性GIC*，利用ABAQUS平台和虚裂纹闭合技术（VCCT）建立了三维有限元计算模型；实现了从起裂到止裂的整个裂纹动态扩展过程的数值模拟，揭示了非稳定裂纹扩展过程中一些复杂的力学现象。
2019, 36(5): 1189-1199.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180626.001
摘要:
线型设计是纤维增强树脂（FRP）复合材料缠绕壳体设计的一项重要研究内容，它对壳体FRP复合材料缠绕制品的质量起关键作用。本文针对不等开口极孔或不同形状封头的FRP复合材料压力容器壳体，基于非测地线缠绕方程，提出了一套非测地线缠绕线型设计方法，建立了根据已知缠绕线型和芯模转角来确定相应的切点数和纱片宽度的计算模型，开发出了一套FRP复合材料缠绕壳体仿真软件系统，对非测地线缠绕线型进行了计算机图像仿真与检验。结果表明：各个设计区间的仿真结果满足设计要求，没有出现缠绕角突变、纤维分布不规律和纤维在局部严重重叠等异常现象。该仿真软件系统可以为工程人员在实际壳体缠绕之前提供参考，缩短缠绕线型迭代试错周期，同时也为后续缠绕角及缠绕顺序等缠绕参数的优化奠定了基础。
线型设计是纤维增强树脂（FRP）复合材料缠绕壳体设计的一项重要研究内容，它对壳体FRP复合材料缠绕制品的质量起关键作用。本文针对不等开口极孔或不同形状封头的FRP复合材料压力容器壳体，基于非测地线缠绕方程，提出了一套非测地线缠绕线型设计方法，建立了根据已知缠绕线型和芯模转角来确定相应的切点数和纱片宽度的计算模型，开发出了一套FRP复合材料缠绕壳体仿真软件系统，对非测地线缠绕线型进行了计算机图像仿真与检验。结果表明：各个设计区间的仿真结果满足设计要求，没有出现缠绕角突变、纤维分布不规律和纤维在局部严重重叠等异常现象。该仿真软件系统可以为工程人员在实际壳体缠绕之前提供参考，缩短缠绕线型迭代试错周期，同时也为后续缠绕角及缠绕顺序等缠绕参数的优化奠定了基础。
2019, 36(5): 1200-1209.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180713.001
摘要:
利用应力波特征能够有效识别材料结构中内部缺陷及其分布形式，为了将工艺载荷作为应力波激励源对预成型体内部缺陷进行识别，应首先研究铺丝过程中工艺参数对应力波传播特征的影响，以确定应力传感器的放置位置。本文采用有限元方法构建了铺丝过程热力耦合模型，分析了应力波特征参数与工艺参数之间的关系，并进行了实验验证。为了从微观能量角度解释工艺参数对应力波特征的影响规律，采用分子动力学方法，建立了预浸丝界面的分子模型，并计算出总能量、纤维表面能、基体内能等能量参数，识别和评价了不同工艺参数作用下的应力波驱动能量及其贡献比，以揭示工艺参数对应力波特征的能量作用机制。结果表明，以基体内能作为驱动能量的侧向应力波与工艺参数的关系明显，在不同工艺参数施载下，内部缺陷的形成对该波形的作用易于识别，该结论可作为应力传感器放置位置的参考依据。
利用应力波特征能够有效识别材料结构中内部缺陷及其分布形式，为了将工艺载荷作为应力波激励源对预成型体内部缺陷进行识别，应首先研究铺丝过程中工艺参数对应力波传播特征的影响，以确定应力传感器的放置位置。本文采用有限元方法构建了铺丝过程热力耦合模型，分析了应力波特征参数与工艺参数之间的关系，并进行了实验验证。为了从微观能量角度解释工艺参数对应力波特征的影响规律，采用分子动力学方法，建立了预浸丝界面的分子模型，并计算出总能量、纤维表面能、基体内能等能量参数，识别和评价了不同工艺参数作用下的应力波驱动能量及其贡献比，以揭示工艺参数对应力波特征的能量作用机制。结果表明，以基体内能作为驱动能量的侧向应力波与工艺参数的关系明显，在不同工艺参数施载下，内部缺陷的形成对该波形的作用易于识别，该结论可作为应力传感器放置位置的参考依据。
2019, 36(5): 1210-1215.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180725.004
摘要:
目前ASTM复合材料Ⅰ型层间断裂韧性测试标准需不断观测裂纹扩展长度。然而在低温环境下，裂纹扩展长度不易测量且过程繁琐。为克服这一缺陷，本文采用双柔度法测试复合材料低温环境下Ⅰ型层间断裂韧性，该方法的步骤与ASTM标准基本相同，但不需观测裂纹扩展长度便能获得低温下Ⅰ型层间断裂韧性。为了验证该方法的可靠性和精度，采用5件碳纤维增强环氧树脂基复合材料双悬臂梁（DCB）试样在-10℃环境下进行Ⅰ型层间裂纹扩展实验，应用ASTM标准所推荐的三种方法及本文的双柔度法进行数据处理获得复合材料Ⅰ型层间断裂韧性。结果表明：ASTM标准的三种方法与双柔度法得到的Ⅰ型层间断裂韧性结果一致，相对差别小于5%，而本文的双柔度法不需测量裂纹扩展长度，因此更简单，为测试低温环境下Ⅰ型层间断裂韧性提供了一种准确、简单的新方法。
目前ASTM复合材料Ⅰ型层间断裂韧性测试标准需不断观测裂纹扩展长度。然而在低温环境下，裂纹扩展长度不易测量且过程繁琐。为克服这一缺陷，本文采用双柔度法测试复合材料低温环境下Ⅰ型层间断裂韧性，该方法的步骤与ASTM标准基本相同，但不需观测裂纹扩展长度便能获得低温下Ⅰ型层间断裂韧性。为了验证该方法的可靠性和精度，采用5件碳纤维增强环氧树脂基复合材料双悬臂梁（DCB）试样在-10℃环境下进行Ⅰ型层间裂纹扩展实验，应用ASTM标准所推荐的三种方法及本文的双柔度法进行数据处理获得复合材料Ⅰ型层间断裂韧性。结果表明：ASTM标准的三种方法与双柔度法得到的Ⅰ型层间断裂韧性结果一致，相对差别小于5%，而本文的双柔度法不需测量裂纹扩展长度，因此更简单，为测试低温环境下Ⅰ型层间断裂韧性提供了一种准确、简单的新方法。
2019, 36(5): 1216-1225.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180725.003
摘要:
采用DMA的Creep模式分别测试了短时间内（15 min）聚丙烯（PP）在不同应力水平和温度下的单向拉伸蠕变行为，长时间内（10 h）连续玻璃纤维增强聚丙烯（CGF/PP）复合材料单层板在不同应力水平和不同纤维角度上的拉伸蠕变行为。利用Burgers黏弹性模型拟合了蠕变测试数据，构建了相关参数与应力水平和纤维角度的依赖性。结果表明：PP和CGF/PP单层板的蠕变柔量均随应力增大而显著增加，稳态蠕变速率也随之增加，蠕变模量保留率明显下降，PP基体的黏弹性主要决定了CGF/PP单层板在低应力水平下的蠕变行为； 30%应力水平下，偏轴拉伸的纤维角度在0°~90°范围内存在拉-剪耦合效应，在45°时最为显著，此时稳态蠕变速率和蠕变变形量最大；利用四元件Burgers黏弹性模型拟合各条件下蠕变曲线得到的数值模型与实验数据具有较好的相关性，相关系数达到0.99，从得到的数值模型可知相关模型参数存在明显的应力和角度依赖关系；利用模型参数的数值拟合公式分别预测10 MPa应力下0°纤维方向的蠕变曲线及45°纤维方向上30%应力水平的偏轴蠕变曲线均与实验曲线一致，表明本文得到的数值模型的可靠性。
采用DMA的Creep模式分别测试了短时间内（15 min）聚丙烯（PP）在不同应力水平和温度下的单向拉伸蠕变行为，长时间内（10 h）连续玻璃纤维增强聚丙烯（CGF/PP）复合材料单层板在不同应力水平和不同纤维角度上的拉伸蠕变行为。利用Burgers黏弹性模型拟合了蠕变测试数据，构建了相关参数与应力水平和纤维角度的依赖性。结果表明：PP和CGF/PP单层板的蠕变柔量均随应力增大而显著增加，稳态蠕变速率也随之增加，蠕变模量保留率明显下降，PP基体的黏弹性主要决定了CGF/PP单层板在低应力水平下的蠕变行为； 30%应力水平下，偏轴拉伸的纤维角度在0°~90°范围内存在拉-剪耦合效应，在45°时最为显著，此时稳态蠕变速率和蠕变变形量最大；利用四元件Burgers黏弹性模型拟合各条件下蠕变曲线得到的数值模型与实验数据具有较好的相关性，相关系数达到0.99，从得到的数值模型可知相关模型参数存在明显的应力和角度依赖关系；利用模型参数的数值拟合公式分别预测10 MPa应力下0°纤维方向的蠕变曲线及45°纤维方向上30%应力水平的偏轴蠕变曲线均与实验曲线一致，表明本文得到的数值模型的可靠性。
2019, 36(5): 1226-1234.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180814.001
摘要:
基于ABAQUS有限元仿真软件，建立了不同夹芯相对密度的碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）复合材料方形蜂窝夹层结构在水中爆炸冲击波载荷作用下的仿真模型，分析了结构的变形过程、夹芯的压缩特性及结构的失效及破坏情况。数值模拟结果表明，CFRP复合材料蜂窝夹芯压缩量在前面板速度降至与后面板相同时达到最大； CFRP复合材料蜂窝夹芯的最大压缩量随着初始压力的增大呈先缓慢增大后快速增大的趋势，其增大趋势在夹芯接近完全压缩时又趋于缓慢； CFRP复合材料夹层结构失效随夹芯相对密度和初始压力的变化呈现不同的模式，且其防护性能优于等重的层合结构。研究结果可以为复合材料夹层结构在水中冲击波载荷防护中的应用提供参考。
基于ABAQUS有限元仿真软件，建立了不同夹芯相对密度的碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）复合材料方形蜂窝夹层结构在水中爆炸冲击波载荷作用下的仿真模型，分析了结构的变形过程、夹芯的压缩特性及结构的失效及破坏情况。数值模拟结果表明，CFRP复合材料蜂窝夹芯压缩量在前面板速度降至与后面板相同时达到最大； CFRP复合材料蜂窝夹芯的最大压缩量随着初始压力的增大呈先缓慢增大后快速增大的趋势，其增大趋势在夹芯接近完全压缩时又趋于缓慢； CFRP复合材料夹层结构失效随夹芯相对密度和初始压力的变化呈现不同的模式，且其防护性能优于等重的层合结构。研究结果可以为复合材料夹层结构在水中冲击波载荷防护中的应用提供参考。
2019, 36(5): 1235-1243.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180706.001
摘要:
以铸造碳化钨粉末混合镍粉作为骨架粉末，采用无压浸渍工艺制备了聚晶金刚石复合片（PDC）钻头胎体材料。研究了碳化钨的粉末粒形、粒度及质量分数对PDC钻头胎体的微观组织和力学性能的影响。结果表明，碳化钨的粉末粒形、粒度及质量分数是影响胎体微观组织和力学性能的重要因素。与破碎碳化钨相比，粉末粒度适中的球形碳化钨作为骨架制备的胎体组织更均匀、更致密，胎体的力学性能明显提高。采用150~180 μm的球形碳化钨混合13wt%的镍粉作为骨架粉末制备的胎体力学性能优于石油天然气行业标准SY/T 5217—2000，其硬度、冲击韧性和抗弯强度分别为HRC 34、6.7 J/cm2和820 MPa。
以铸造碳化钨粉末混合镍粉作为骨架粉末，采用无压浸渍工艺制备了聚晶金刚石复合片（PDC）钻头胎体材料。研究了碳化钨的粉末粒形、粒度及质量分数对PDC钻头胎体的微观组织和力学性能的影响。结果表明，碳化钨的粉末粒形、粒度及质量分数是影响胎体微观组织和力学性能的重要因素。与破碎碳化钨相比，粉末粒度适中的球形碳化钨作为骨架制备的胎体组织更均匀、更致密，胎体的力学性能明显提高。采用150~180 μm的球形碳化钨混合13wt%的镍粉作为骨架粉末制备的胎体力学性能优于石油天然气行业标准SY/T 5217—2000，其硬度、冲击韧性和抗弯强度分别为HRC 34、6.7 J/cm2和820 MPa。
2019, 36(5): 1244-1253.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180724.001
摘要:
为探究不同冷却润滑方式对切削SiCP/Al复合材料刀具磨损的影响，进行了干切削（Dry）、微量润滑（MQL）、液氮（LN2）、切削油（Oil）和乳化液（Emulsion）共五种冷却润滑条件下的车削实验，分析了冷却润滑方式对刀具边界磨损、刀具破损和后刀面磨损的影响。结果表明：MQL和LN2有更佳的流体冲刷效果，可以将脱落的SiC颗粒及时带离切削区，减少边界磨损； Oil和Emulsion冲刷效果较差，会加剧边界磨损。LN2的使用会增加刀具受到的热应力和机械冲击，积屑瘤发生完全脱落，造成切削过程不平稳，当切削距离达到1 100 m时，刀具发生破损； Oil切削时，严重的边界磨损导致刀尖部位尺寸减小，强度降低，当切削距离达到825 m时发生了刀具破损。MQL良好的润滑渗透性和LN2有效的冷却效果可以减少后刀面磨损。因此，MQL兼具冷却、润滑和流体冲刷效果，更加适合作为切削SiCP/Al复合材料的冷却润滑方式。
为探究不同冷却润滑方式对切削SiCP/Al复合材料刀具磨损的影响，进行了干切削（Dry）、微量润滑（MQL）、液氮（LN2）、切削油（Oil）和乳化液（Emulsion）共五种冷却润滑条件下的车削实验，分析了冷却润滑方式对刀具边界磨损、刀具破损和后刀面磨损的影响。结果表明：MQL和LN2有更佳的流体冲刷效果，可以将脱落的SiC颗粒及时带离切削区，减少边界磨损； Oil和Emulsion冲刷效果较差，会加剧边界磨损。LN2的使用会增加刀具受到的热应力和机械冲击，积屑瘤发生完全脱落，造成切削过程不平稳，当切削距离达到1 100 m时，刀具发生破损； Oil切削时，严重的边界磨损导致刀尖部位尺寸减小，强度降低，当切削距离达到825 m时发生了刀具破损。MQL良好的润滑渗透性和LN2有效的冷却效果可以减少后刀面磨损。因此，MQL兼具冷却、润滑和流体冲刷效果，更加适合作为切削SiCP/Al复合材料的冷却润滑方式。
2019, 36(5): 1254-1262.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180901.001
摘要:
高超声速飞行器热防护系统和热结构包含多种形式的复合材料薄壁结构，对巡航或再入飞行中的强噪声环境十分敏感和易发生失效破坏，严重威胁着飞行器结构的完整性和可靠性。为考核复合材料薄壁结构的耐噪声性能，基于高声强行波管噪声试验系统，选取厚度为1~3 mm的C/SiC复合材料平板作为试验件，试验件四周采用螺栓进行固定安装。通过开展156~165 dB噪声激励动态响应试验，获得了不同量级噪声作用下的动态响应变化规律。针对厚度为1 mm的试验件开展了失效试验，在168 dB噪声作用下，试验件发生了迅速破坏，采用红外无损检测设备对失效后的C/SiC复合材料平板进行检测，采用SEM对断面形貌进行观察，揭示出强噪声激励下的失效模式，可为高温复合材料结构优化设计和耐噪声失效性能评估提供技术支撑。
高超声速飞行器热防护系统和热结构包含多种形式的复合材料薄壁结构，对巡航或再入飞行中的强噪声环境十分敏感和易发生失效破坏，严重威胁着飞行器结构的完整性和可靠性。为考核复合材料薄壁结构的耐噪声性能，基于高声强行波管噪声试验系统，选取厚度为1~3 mm的C/SiC复合材料平板作为试验件，试验件四周采用螺栓进行固定安装。通过开展156~165 dB噪声激励动态响应试验，获得了不同量级噪声作用下的动态响应变化规律。针对厚度为1 mm的试验件开展了失效试验，在168 dB噪声作用下，试验件发生了迅速破坏，采用红外无损检测设备对失效后的C/SiC复合材料平板进行检测，采用SEM对断面形貌进行观察，揭示出强噪声激励下的失效模式，可为高温复合材料结构优化设计和耐噪声失效性能评估提供技术支撑。
2019, 36(5): 1263-1274.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181129.002
摘要:
聚氯乙烯（PVC）在270℃真空环境中经热处理脱除HCl得到具有共轭结构的PVC衍生物（CDPVC）。纳米TiO2与CDPVC （质量比为2∶1）经高能球磨复合得到纳米TiO2/CDPVC复合材料。采用TEM、XRD、XPS、FTIR、SEM和Raman等对纳米TiO2/CDPVC复合材料进行了分析表征，并采用罗丹明B （Rh B）的光催化降解反应和K2Cr2O7的光催化还原反应评价其可见光催化活性及稳定性。结果表明，TiO2与CDPVC经高能球磨复合后形成了Ti—O—C结构，该结构有利于提高纳米TiO2/CDPVC复合材料的可见光吸收能力和光生电子/空穴分离效率。与纳米TiO2和普通研磨的TiO2-CDPVC相比，纳米TiO2/CDPVC复合材料具有较高的可见光催化活性和良好的可见光催化稳定性。其可见光催化机制是CDPVC吸收光子产生光生电子-空穴对，并容易将光生电子注入到TiO2的导带中，CDPVC内光生电子和TiO2导带上的光生电子（eCB-）被吸附在材料表面上的氧捕获产生·O2-自由基，·O2-自由基可以直接降解RhB分子，直至最后降解生成H2O和CO2。
聚氯乙烯（PVC）在270℃真空环境中经热处理脱除HCl得到具有共轭结构的PVC衍生物（CDPVC）。纳米TiO2与CDPVC （质量比为2∶1）经高能球磨复合得到纳米TiO2/CDPVC复合材料。采用TEM、XRD、XPS、FTIR、SEM和Raman等对纳米TiO2/CDPVC复合材料进行了分析表征，并采用罗丹明B （Rh B）的光催化降解反应和K2Cr2O7的光催化还原反应评价其可见光催化活性及稳定性。结果表明，TiO2与CDPVC经高能球磨复合后形成了Ti—O—C结构，该结构有利于提高纳米TiO2/CDPVC复合材料的可见光吸收能力和光生电子/空穴分离效率。与纳米TiO2和普通研磨的TiO2-CDPVC相比，纳米TiO2/CDPVC复合材料具有较高的可见光催化活性和良好的可见光催化稳定性。其可见光催化机制是CDPVC吸收光子产生光生电子-空穴对，并容易将光生电子注入到TiO2的导带中，CDPVC内光生电子和TiO2导带上的光生电子（eCB-）被吸附在材料表面上的氧捕获产生·O2-自由基，·O2-自由基可以直接降解RhB分子，直至最后降解生成H2O和CO2。
2019, 36(5): 1275-1283.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180709.001
摘要:
碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料是一种具有轻质、高强和抗腐蚀等优点的新型高性能材料，为了研究尺寸效应对CFRP复合材料布加固钢筋混凝土柱偏心受压性能的影响，本文进行了相关的试验研究。试验共制作了15根尺寸成比例的钢筋混凝土柱试件，试验考虑了构件尺寸、偏心距和CFRP复合材料布加固层数三种因素的影响。试验结果表明：CFRP复合材料布加固钢筋混凝土柱的破坏形态、相对挠度、CFRP复合材料布峰值应变、钢筋峰值应变都存在明显的尺寸效应； CFRP复合材料布加固钢筋混凝土柱的极限荷载随偏心距的增大而减少，尺寸越大，减小趋势越平缓；在相同偏心距下，随着CFRP复合材料布加固钢筋混凝土柱试件截面尺寸的增加，安全储备系数逐渐减小。
碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料是一种具有轻质、高强和抗腐蚀等优点的新型高性能材料，为了研究尺寸效应对CFRP复合材料布加固钢筋混凝土柱偏心受压性能的影响，本文进行了相关的试验研究。试验共制作了15根尺寸成比例的钢筋混凝土柱试件，试验考虑了构件尺寸、偏心距和CFRP复合材料布加固层数三种因素的影响。试验结果表明：CFRP复合材料布加固钢筋混凝土柱的破坏形态、相对挠度、CFRP复合材料布峰值应变、钢筋峰值应变都存在明显的尺寸效应； CFRP复合材料布加固钢筋混凝土柱的极限荷载随偏心距的增大而减少，尺寸越大，减小趋势越平缓；在相同偏心距下，随着CFRP复合材料布加固钢筋混凝土柱试件截面尺寸的增加，安全储备系数逐渐减小。
2019, 36(5): 1284-1294.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180716.003
摘要:
为研究多层异质复合结构动力学响应及抗侵彻性能，利用霍普金森试验装置，对不同材料排布顺序及含泡沫铝夹芯的多层复合结构进行冲击加载，通过贴在入射杆和透射杆上的应变片测得入射波、反射波、透射波波形，验证数值仿真模型正确性；结合数值模拟，研究不同结构对试件内部应力波传播特性和应力场分布影响规律；依据复合结构动力学响应特征，设计复合靶板并进行抗侵彻试验，分析靶板塑性变形特征及抗侵彻耗能机制；通过数值模拟分析泡沫铝夹芯厚度对防护性能影响。结果表明，装甲钢后置复合结构及含泡沫夹芯结构有助于减缓应力集中，减小陶瓷损伤面积；泡沫铝夹芯过厚难以为靶板变形提供支撑，降低抗侵彻阻力；五种夹芯厚度h=2 mm、h=5 mm、h=10 mm、h=20 mm、h=30 mm中，h=10 mm对应多层异质复合靶防护性能最优。
为研究多层异质复合结构动力学响应及抗侵彻性能，利用霍普金森试验装置，对不同材料排布顺序及含泡沫铝夹芯的多层复合结构进行冲击加载，通过贴在入射杆和透射杆上的应变片测得入射波、反射波、透射波波形，验证数值仿真模型正确性；结合数值模拟，研究不同结构对试件内部应力波传播特性和应力场分布影响规律；依据复合结构动力学响应特征，设计复合靶板并进行抗侵彻试验，分析靶板塑性变形特征及抗侵彻耗能机制；通过数值模拟分析泡沫铝夹芯厚度对防护性能影响。结果表明，装甲钢后置复合结构及含泡沫夹芯结构有助于减缓应力集中，减小陶瓷损伤面积；泡沫铝夹芯过厚难以为靶板变形提供支撑，降低抗侵彻阻力；五种夹芯厚度h=2 mm、h=5 mm、h=10 mm、h=20 mm、h=30 mm中，h=10 mm对应多层异质复合靶防护性能最优。
2019, 36(5): 1295-1305.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180703.004
摘要:
超高性能混凝土（UHPC）是一种具有超高强度、超高耐久性和超高韧性的新型水泥基复合材料，因其优越的性能而受到国内外土木工程领域的广泛关注，具有广阔的工程应用前景。单轴受拉和受压应力-应变本构模型是进行UHPC构件力学性能分析的前提和基础。为了进一步深入研究UHPC力学性能，本文归纳总结了国内外不同学者提出的UHPC本构模型，包括单轴受压应力-应变关系和单轴受拉应力-应变、应力-裂缝宽度关系，对其进行了分类和比较，发现了现有模型的共同点和存在的差异，并对这种差异进行了原因分析，最后将部分本构关系应用于ABAQUS有限元分析软件，对高强钢筋UHPC梁进行数值模拟，并与试验结果对比，验证了部分本构模型的合理性，最后提出了一些研究结论。本文研究成果将为UHPC的结构性能研究进行结构分析和结构设计提供依据。
超高性能混凝土（UHPC）是一种具有超高强度、超高耐久性和超高韧性的新型水泥基复合材料，因其优越的性能而受到国内外土木工程领域的广泛关注，具有广阔的工程应用前景。单轴受拉和受压应力-应变本构模型是进行UHPC构件力学性能分析的前提和基础。为了进一步深入研究UHPC力学性能，本文归纳总结了国内外不同学者提出的UHPC本构模型，包括单轴受压应力-应变关系和单轴受拉应力-应变、应力-裂缝宽度关系，对其进行了分类和比较，发现了现有模型的共同点和存在的差异，并对这种差异进行了原因分析，最后将部分本构关系应用于ABAQUS有限元分析软件，对高强钢筋UHPC梁进行数值模拟，并与试验结果对比，验证了部分本构模型的合理性，最后提出了一些研究结论。本文研究成果将为UHPC的结构性能研究进行结构分析和结构设计提供依据。
2019, 36(5): 1306-1312.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180705.003
摘要:
为了提高计算热弹性复合材料层合板应力的精度，基于相关文献的非协调辛元理论，将弹性材料的广义H-R变分原理扩展为热弹性材料的广义H-R变分原理，并提出了相应的修正原理。建立了含参数非协调辛元。该单元的主要优点之一是避免了传统混合元中系数矩阵主对角线上存在零元素的问题，因而保证了有限元线性方程组数值结果的稳定性。同时，该单元关于广义的位移变量和应力变量对称，因此其对应的有限元线性方程组对称保辛。实例结果表明：与精确解对比，该单元的广义位移和广义应力的数值结果不仅精度一致，而且精度高；与位移有限元法的结果比较，收敛速度快。
为了提高计算热弹性复合材料层合板应力的精度，基于相关文献的非协调辛元理论，将弹性材料的广义H-R变分原理扩展为热弹性材料的广义H-R变分原理，并提出了相应的修正原理。建立了含参数非协调辛元。该单元的主要优点之一是避免了传统混合元中系数矩阵主对角线上存在零元素的问题，因而保证了有限元线性方程组数值结果的稳定性。同时，该单元关于广义的位移变量和应力变量对称，因此其对应的有限元线性方程组对称保辛。实例结果表明：与精确解对比，该单元的广义位移和广义应力的数值结果不仅精度一致，而且精度高；与位移有限元法的结果比较，收敛速度快。
2019, 36(5): 1313-1318.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180818.001
摘要:
手性蜂窝材料内部韧带的变形及失稳特性控制了该类材料的抗冲击性能。本文运用能量法和泛函数极值分析的方法，分别探讨了六韧带手性蜂窝材料在受到面内冲击时缓冲第一阶段中韧带的冲击动荷系数及韧带失稳坍塌临界压力，得到了韧带的动荷系数及其失稳临界压力的解析表达式，进而揭示手性蜂窝材料抗冲击性能的内部微结构溃塌机制和关键影响因素。结果表明：视为扭簧的韧带节点环在冲击压缩变形过程中扭转角越大，韧带的动荷系数越小，而韧带的失稳临界压力随着节点环扭转角的增大而增加。研究方法和结果可为手性蜂窝材料及其它蜂窝型材料抗冲击能力的进一步研究和微结构设计提供理论参考。
手性蜂窝材料内部韧带的变形及失稳特性控制了该类材料的抗冲击性能。本文运用能量法和泛函数极值分析的方法，分别探讨了六韧带手性蜂窝材料在受到面内冲击时缓冲第一阶段中韧带的冲击动荷系数及韧带失稳坍塌临界压力，得到了韧带的动荷系数及其失稳临界压力的解析表达式，进而揭示手性蜂窝材料抗冲击性能的内部微结构溃塌机制和关键影响因素。结果表明：视为扭簧的韧带节点环在冲击压缩变形过程中扭转角越大，韧带的动荷系数越小，而韧带的失稳临界压力随着节点环扭转角的增大而增加。研究方法和结果可为手性蜂窝材料及其它蜂窝型材料抗冲击能力的进一步研究和微结构设计提供理论参考。
2019, 36(5): 1319-1326.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180827.003
摘要:
为了分析磁致伸缩薄膜型层合悬臂梁式作动器的振动问题，应用磁致伸缩材料的非线性本构关系，由哈密尔顿原理导出了双层悬臂梁的振动微分方程。采用分离变量方法和常微分方程组的解析解法对磁致伸缩薄膜型层合悬臂梁的自由振动和受迫振动进行了理论分析。数值算例表明本文计算结果与有限元结果吻合较好，从而佐证了本文理论模型和求解方法的正确性，并讨论了几何参数、材料参数对层合梁固有频率的影响。还分析了在周期输入磁场激励下悬臂梁的挠度响应，且挠度响应呈现出倍频效应的动态特性。
为了分析磁致伸缩薄膜型层合悬臂梁式作动器的振动问题，应用磁致伸缩材料的非线性本构关系，由哈密尔顿原理导出了双层悬臂梁的振动微分方程。采用分离变量方法和常微分方程组的解析解法对磁致伸缩薄膜型层合悬臂梁的自由振动和受迫振动进行了理论分析。数值算例表明本文计算结果与有限元结果吻合较好，从而佐证了本文理论模型和求解方法的正确性，并讨论了几何参数、材料参数对层合梁固有频率的影响。还分析了在周期输入磁场激励下悬臂梁的挠度响应，且挠度响应呈现出倍频效应的动态特性。
2019, 36(5): 1327-1334.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180622.001
摘要:
为了研究固体火箭发动机中丁羟包覆层的宏微观特性相关性并准确预估其材料的贮存寿命，开展了50℃、60℃、70℃和80℃温度下的加速老化试验，建立了交联密度和最大延伸率的相关性函数关系，并用对数模型、幂函数模型和指数模型研究了交联密度随贮存时间的变化规律。以交联密度为老化性能表征量，选用修正Arrhenius法预估了试样的常温贮存寿命。结果表明，α=0.3时的幂函数模型能够较好地描述丁羟包覆层交联密度的变化规律，修正Arrhenius法求得的表观活化能与温度之间具有线性关系。分别以最大延伸率下降50%时的线性函数和二次多项式对应的交联密度值作为失效判据，预估丁羟包覆层的在常温298.15 K下的贮存寿命为17.38年和16.14年，结果与用最大延伸率预估的寿命具有很好的一致性，且能够满足包覆层的老化性能要求。
为了研究固体火箭发动机中丁羟包覆层的宏微观特性相关性并准确预估其材料的贮存寿命，开展了50℃、60℃、70℃和80℃温度下的加速老化试验，建立了交联密度和最大延伸率的相关性函数关系，并用对数模型、幂函数模型和指数模型研究了交联密度随贮存时间的变化规律。以交联密度为老化性能表征量，选用修正Arrhenius法预估了试样的常温贮存寿命。结果表明，α=0.3时的幂函数模型能够较好地描述丁羟包覆层交联密度的变化规律，修正Arrhenius法求得的表观活化能与温度之间具有线性关系。分别以最大延伸率下降50%时的线性函数和二次多项式对应的交联密度值作为失效判据，预估丁羟包覆层的在常温298.15 K下的贮存寿命为17.38年和16.14年，结果与用最大延伸率预估的寿命具有很好的一致性，且能够满足包覆层的老化性能要求。
2019, 36(5): 1335-1341.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180827.002
摘要:
为了抑制锂硫电池的“穿梭效应”，改善锂硫电池的电化学性能。正极片掺杂羟基化多壁碳纳米管（MWCNTs—OH），利用亲水性羟基官能团对多硫化物的吸附作用，阻止多硫化物的扩散，增加有效物质的利用率，抑制穿梭效应的产生，提高锂硫电池的容量和循环性能。利用TEM、SEM和EDS等进行结构和性能表征。电化学测试结果表明，掺杂MWCNTs—OH的锂硫电池，放电容量明显提高。在0.1 C倍率，首次放电比容量达到1 281 mAh/g，首次库伦效率接近96.7%，循环10次后比容量还保持在882 mAh/g。在0.2 C、0.5 C和1 C倍率下充放电时，电池首次放电比容量分别达到794.2 mAh/g、712.2 mAh/g和557.3 mAh/g，显示出极佳的倍率性。
为了抑制锂硫电池的“穿梭效应”，改善锂硫电池的电化学性能。正极片掺杂羟基化多壁碳纳米管（MWCNTs—OH），利用亲水性羟基官能团对多硫化物的吸附作用，阻止多硫化物的扩散，增加有效物质的利用率，抑制穿梭效应的产生，提高锂硫电池的容量和循环性能。利用TEM、SEM和EDS等进行结构和性能表征。电化学测试结果表明，掺杂MWCNTs—OH的锂硫电池，放电容量明显提高。在0.1 C倍率，首次放电比容量达到1 281 mAh/g，首次库伦效率接近96.7%，循环10次后比容量还保持在882 mAh/g。在0.2 C、0.5 C和1 C倍率下充放电时，电池首次放电比容量分别达到794.2 mAh/g、712.2 mAh/g和557.3 mAh/g，显示出极佳的倍率性。
