纤维缠绕复合对细长铝合金圆管轴向承压的增强作用

在硬铝合金（ＬＹ－１１铝合金）细长圆管的外壁以不同方式缠绕复合碳纤维，并对缠绕前后圆管承受轴向压载荷能力进行了对比试验。试验结果表明，细长圆管外壁缠绕碳纤维后，圆管的抗弯曲变形及抗压极限承载能力都得到大幅度提高。本文对未经缠绕的承压管的稳定性及理论临界应力进行了探讨，对采用碳纤维缠绕复合后的细长管轴向承压能力得以提高的原因作了分析。     

碳纤维缠绕复合材料在潜水外压容器上的应用

在铝合金圆筒体外以浸渍树脂碳纤维进行缠绕复合增强，增强后的筒体耐静水外压能力大幅度提高；整体缠绕的全复合材料筒体，在耐静水外压能力及减轻自身重量方面也获得了明显的效果。此外，在铝合金细长圆管的外壁复合缠绕碳纤维，能有效地提高圆管对轴向压载荷的抗失稳与抗屈曲破坏能力。     

固体火箭发动机复合材料壳体承载力分析

为了提高固体火箭发动机(SRM)的外载荷承载能力,研究了其复合材料壳体的失效机制,提出了复合材料壳体的增强改进结构形式。通过提高复合材料外缠绕层的轴向刚度和横向弯曲刚度,使得连接区域内的内、外缠绕层的轴向变形相协调,改善了内、外缠绕层的轴向承载分配,使增强改进后的复合材料壳体结构的承载能力提高了124%,而结构质量增加低于10%。研究结果表明: SRM复合材料壳体承载能力的关键因素是连接区域内复合材料内、外缠绕层的刚度匹配设计,只有保证连接区域内的刚度匹配和位移变形相协调,才能充分发挥复合材料壳体的承载能力。     

多角度交替缠绕复合圆筒的剩余应力算法及水压试验

针对含薄壁钢内衬碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）多角度交替缠绕复合圆筒的剩余应力计算问题,基于正交各向异性材料的厚壁圆筒理论和弹性叠加理论,提出了考虑卸去芯模影响的多角度交替缠绕下CFRP各层和钢内衬剩余应力的逐层叠加算法,研究了恒缠绕张力下,芯模厚度和螺旋层缠绕角对CFRP各层和钢内衬剩余应力的影响。计算表明：芯模厚度越大则CFRP层剩余应力越低,但芯模厚度过大将减弱缠绕张力对钢内衬的强化效应;螺旋层缠绕角约65°时,环向层剩余应力出现极小值,螺旋层剩余应力和内衬剩余应力均出现极大值。针对缠绕张力对钢内衬的强化效应,通过水压试验加载过程中钢内衬声发射特征与复合圆筒外壁应变测试,测得的钢内衬屈服载荷与理论预测值一致,基本证实了算法的有效性。为提高CFRP层缠绕质量,基于等剩余应力假设,提出了多角度交替缠绕张力制度优化设计思路,适用于内压管的张力制度优化。     

引发角对碳纤维/环氧复合材料圆管件轴向压溃性能的影响

研究了碳纤维增强高韧环氧树脂5288复合材料薄壁圆管件的轴向压溃行为和引发角尺寸之间的关系.对15°,45°,60°引发角的相同尺寸试件分别进行轴向压溃试验,记录了试验过程中的结构载荷力-位移曲线,对照各组不同引发角的管形件轴向压溃过程的峰值压溃载荷、最小压溃载荷后发现,当引发角为60°时,结构的峰值压溃载荷最高,最小压溃载荷最低.对试验件失效后组织进行微观分析后发现,对应于不同引发角,由于接触状态不同,圆管件发生了不同方式的压溃失效,导致了结构吸能力-位移曲线的变化.     

内高压成形波节管承载特性分析

内高压成形波节管作为目前应用最广换热设备,其变形特点以及成形后承载特性均备受关注.本文通过数值模拟和实验研究的方法,首先分析波节管内高压成形壁厚分布规律、成形精度以及残余应力分布情况,然后分析成形后波节管在承载时,典型区域应力应变分布情况,得出波节管在承受不同载荷时的变形特点.研究结果表明:在内高压成形过程,当整形压力为290 MPa时,成形精度较好,根部过渡区域减薄率达21.63%,且此处残余应力最大.在承载过程,当波节管承受内压力自由胀形时,波节管等效应力的最大值出现在波节根部过渡区域,此处为承载的薄弱区域;当波节管承受轴向压缩和拉伸载荷时,波峰及其附近区域与之对应的产生轴向拉应变和轴向压应变,体现出波节管具备很好的轴向位移补偿能力.     

玻璃纤维增强短钢管构件轴压试验和破坏模式仿真研究

该文采用试验和数值仿真手段,对缠绕成型玻璃/环氧复合材料（GFRP）增强薄壁圆钢管短柱在轴压荷载作用下的承载能力及破坏特点进行研究,讨论是否缠绕GFRP、径厚比、试件长度以及GFRP缠绕角度（圆管试件轴向到纤维纵向的角度）等因素对试件承载能力的影响。提出较为准确的复合构件数值仿真方法,采用ABAQUS的Explicit求解器并考虑GFRP的Hashin失效准则和GFRP与钢管之间的界面脱粘等因素,获得的模拟结果与试验现象吻合良好。在此基础上,对短管构件在不同GFRP体积率（GFRP体积/构件总体积）下的性能进行分析,获得了GFRP体积率对构件承载力的影响。     

复合材料结构的能量吸收

针对缠绕成型的 [± 75 ]n玻璃纤维 /聚酯和 [0 /± 75 ]n玻璃纤维 /环氧树脂圆柱管的轴向与非轴向压缩失效行为及能量吸收特性进行了研究 (轴压的倾斜角度变化范围 0～ 2 5°) ,分析了复合材料圆柱管的宏观破坏模式和能量吸收机理 ,比较了轴向与非轴向载荷下能量吸收的特点 .研究表明 :复合材料圆柱管在偏轴角度下其压缩损伤过程可分为 3个阶段 ,即初始引发阶段、稳态渐进阶段以及压实或失稳阶段 ;圆柱管的压缩行为和吸能能力主要取决于偏轴压缩角度和载荷位移历程     

碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头拉伸失效机制

通过试验及数值模拟对碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头轴向拉伸失效机制进行研究。基于ABAQUS有限元软件,通过连续介质损伤模型及内聚区模型,分别对碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头各部件及界面进行模拟,编写用户自定义材料子程序(UMAT),建立复合材料的渐进损伤模型,最终得到碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头的应力分布和载荷-位移曲线,并与试验结果对比确定结构的失效机制。结果表明:有限元分析所得碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头损伤部位及失效模式与试验吻合,失效载荷与试验值相差较小,证明仿真分析方法的有效性。通过对比失效模式发现,拉伸载荷作用下,链环是主承力部件,其弧形端部是应力集中处,纤维断裂即从此处开始发生并向外扩展,导致链环断裂及整体结构破坏。      

纤维增强复合材料层合圆柱壳的优化设计

本文从中面内承受轴向压力及从垂直于中面内的横向载荷考虑弯曲挠度和自振频率,综合研究了纤维缠绕层合圆柱壳的优化设计。     

活性填料在先驱体转化法纤维增强陶瓷基复合材料中的应用 II——复合材料的制备及其表征

将活性填料Al应用到吉林碳纤维(JC)和M40JB纤维增强先驱体转化SiC陶瓷基复合材料的制备中。研究表明,经过7个周期的致密化处理,当复合材料素坯中不含活性填料时,JC增强复合材料比M40JB增强复合材料有更高的弯曲强度,因此,JC纤维更适合用作先驱体转化陶瓷基复合材料的增强纤维;当复合材料素坯中含有活性填料Al时,由于Al与碳纤维发生碳化反应,使纤维受损,在纤维与基体之间形成不良的界面结合,导致复合材料的强度发生退化。图象分析表明,M40JB与Al的反应层厚度约为0.94 μm。为了防止碳纤维与Al发生反应,应对碳纤维进行适当的表面处理。     

碳/铝复合材料的热膨胀性能

采用标准接触式热膨胀仪对纤维单向增强的碳/铝复合材料的纵向和横向热膨胀系数进行了测定。试件是用碳/铝复合丝和铝箔(LD₂)交替辅层在低于金属熔点50℃条件下热压而成。纤维的体积含量分别为0、0.27、0.32、0.34、0.39、0.46。测定的温度范围是从室温到400℃。结果表明,碳/铝复合材料的热膨胀系数同纤维的种类、纤维的体积含量以及测定的温度范围有关。测定的结果同计算值作比较,结果表明碳/铝复合材料的热膨胀系数可以用混合规则的修正表达式来描述。      

GFWRP管增强混凝土柱的轴压泊松比

为完善和发展GFWRP管增强混凝土柱的设计与计算理论,设计并制备了不同管径、壁厚及缠绕角的GWFRP管混凝土柱试件。进行了轴心压缩试验并对试验结果回归分析,得到GFWRP管混凝土柱轴心压缩过程中转折点及峰值点的泊松比变化方程和相应的应变预测公式,得到组合结构轴压全过程的泊松比变化预测方程。可由给定的组分材料性能预测组合构件的极限泊松比和极限应变,达到预测实际工程中GFWRP管混凝土柱抗力与变形性能的目的。通过试验及计算结果对GFWRP管混凝土与传统钢管混凝土的泊松比变化趋势进行了对比分析,发现两者变化规律完全不同。进一步探讨了GFWRP约束管的纤维缠绕角对组合结构轴压泊松比的影响。结果表明,纤维缠绕角与轴压泊松比近似成反比关系。为制定合理的GFWRP复合材料增强混凝土柱规范提供了理论依据。      

纤维缠绕复合材料壳体刚度衰减模型数值模拟

应用微分几何理论,推导出纤维缠绕复合材料壳体的非测地线缠绕轨迹、包角方程及绕丝头运动方程,得到缠绕过程的动态仿真模拟数据。将封头处变化的缠绕角、厚度等实际工艺参数直接用于壳体结构的理论分析。采用叠层的增量本构关系,模拟层合板壳结构的损伤过程,建立了损伤后刚度衰减模型及刚度退化准则,并通过实验确定了刚度衰减系数。应用此模型对纤维缠绕复合材料压力容器进行了数值分析。结果表明:纤维缠绕复合材料压力容器封头处损伤会导致其弯曲刚度降低,这是影响轴向变形的重要因素。      

Oxidation resistance of dense carbon fiber/Si–O–C glass composite fabricated by pre-oxidation and spark plasma sintering

The carbon fiber/Si–O–C glass composite was prepared from the silicone and carbon fiber by pre-oxidation and spark plasma sintering (sintered composite). The mass loss of the sintered composite oxidized at 1200 °C for 90 min was 5%, which was lower than that of same dimension for similar composites, although the mass loss at 600 °C was still high. This indicated its excellent oxidation resistance at elevated temperature. No cracks and pores were found in the sintered composite, indicating that the combination of pre-oxidation and spark plasma sintering was better than the pyrolysis for manufacturing dense composites. Compared with the flexural strength of about 60 MPa for carbonaceous composites, the flexural strength of the sintered composite was obviously improved to 220 MPa. Moreover, microstructures of the specimen before and after sintering as well as after oxidation were investigated.     

碳纤维智能层在纤维复合材料结构健康监测中的应用

在预制有缺陷的纤维复合材料结构玻璃钢板缺陷表面覆盖碳纤维智能层,将玻璃钢板有缺陷一侧置于弯曲受拉面,对玻璃钢板进行单调弯曲破坏试验和等幅弯曲循环试验。结果表明：在单调弯曲破坏试验过程中,碳纤维智能层电阻的变化存在明显的拐点,该拐点即为玻璃钢板预制缺陷尖端发生开裂形成裂纹的瞬时,裂纹形成前,碳纤维智能层电阻随玻璃钢板表面缺陷张开值线性增加,裂纹形成后,碳纤维智能层电阻随玻璃钢板表面缺陷张开值不再线性变化,呈陡增趋势;在等幅弯曲循环试验过程中,碳纤维智能层电阻变化在玻璃钢板预制缺陷尖端开裂前表现为等幅循环,但开裂后表现为增幅循环;通过对比碳纤维智能层电阻在玻璃钢板预制缺陷尖端开裂前后的不同变化规律,可以实现对玻璃钢构件的健康监测。     

混杂比对单向碳-玻层间混编复合材料0°压缩和弯曲性能的影响

本文研究了相同铺层方式下不同混杂比对单向碳-玻(碳纤维-玻璃纤维)层间混编复合材料的0°压缩和弯曲性能的影响。以碳-玻层间混编形式向纯玻纤织物中混入碳纤维,对复合材料的0°压缩强度、0°压缩模量、弯曲强度和弯曲模量均有一定的提高作用,三种碳纤混杂比不同的复合材料0°压缩强度较纯玻纤结构分别提高了22.72%、26.95%、11.43%,混杂比不同所导致的试样破坏程度也各不相同。混杂复合材料0°压缩模量随碳纤含量增加逐渐增大。三种碳纤混杂比复合材料弯曲强度基本一致,而弯曲弹性模量随碳纤含量增加逐渐增大。     

碳纤维水泥基材料的机敏特性研究

水泥基材料是一种高电阻率的惰性材料,通过掺入一定体积含量(0.2 vol%~1.2 vol%)的短切碳纤维,可显著提高其电导率。本文作者研究了碳纤维水泥基材料表观电导特性与其内部微观结构的关系,探讨了电阻率的变化与材料所受外部荷载的关联性。结果表明碳纤维水泥基材料具有实时诊断内部损伤的机敏性:当水泥基材料内部裂纹产生或扩展时,表现为材料电阻率上升;而当水泥基材料内部裂纹闭合时,其电阻率下降。碳纤维水泥基材料的电阻变化与所受荷载呈良好的线形关系;而不含碳纤维的普通水泥基材料在整个受荷过程中,其电导特性则无明显变化。碳纤维水泥基材料电导特性的变化反映了水泥基材料内部损伤状况丰富的信息,根据这一特性可以及时预报水泥基材料内部潜在的损伤状况,有效地防止灾难性的破坏。