波纹缺陷对复合材料层合板压缩力学性能影响研究

采用真空辅助灌注成型工艺与热压罐成型工艺,分别制备不同增强材料的标准压缩试样和含缺陷的压缩试样。压缩测试实验结果表明,压缩载荷下波纹缺陷引起压缩弹性模量和强度显著减小,并且对压缩强度的影响更加明显;同时,均一波纹对复合材料板材的压缩强度与压缩弹性模量的影响比梯度波纹更大;此外,波纹对碳纤维预浸料增强复合材料的力学性能影响更大,层间剪切破坏是试样主要失效机制,并且在纤维波纹的最大偏转角处,试样易发生横向剪切破坏。     

基于NOL环的高性能纤维与环氧树脂的匹配性研究

纤维与树脂的界面对复合材料的整体力学性能有着显著的影响。基于NOL环的宏观力学测试一般被用来反映复合材料的界面粘结性能,因此适用于评价纤维与树脂之间的宏观力学性能匹配性。为了探究高性能碳纤维T700SC、T800HB及高强玻璃纤维与环氧树脂的宏观力学性能匹配性,本研究首先根据GB/T 1458—2008国家标准制备NOL环试样,再借助NOL环的拉伸和层间剪切强度测试分析了高性能纤维与环氧树脂不同匹配组合宏观力学性能差异的原因,并寻找出最佳匹配组合。结果表明:玻璃纤维与环氧树脂的界面存在最佳的粘结强度,而且不同粘结强度导致拉伸强度和破坏机理不同,而碳纤维复合材料界面性能较差,容易分层破坏;T800HB与环氧树脂的宏观力学匹配性优于T700SC,环氧树脂力学性能、碳纤维的表面微观结构与性质以及环氧树脂与碳纤维之间的相互作用关系是影响界面粘结性能的根本原因。该研究在高性能纤维单向复合材料的材料选择与设计方面具有现实意义。     

高速永磁电机转子碳纤维护套的缠绕张力计算研究

表贴式高速永磁电机转子的永磁体不能承受高速旋转时产生的离心力,为此研究了一种特殊的大张力环向缠绕碳纤维护套,由于缠绕时张力的施加,这种碳纤维护套会在永磁体外表面形成一定的预压力,从而保护永磁体在高速旋转时不被离心力破坏。基于弹性力学相关理论,提出了计算缠绕张力作用下纤维层应力分布及其对永磁体预压力的方法。通过不同张力缠绕实验确定碳纤维缠绕工艺极限张力,以此为基础,分别采用解析法和有限元法计算了不同张力制度下的纤维层剩余应力,并在大张力缠绕电机转子实验中测试了纤维层提供的预压力。结果表明,解析法能较为准确地预测出碳纤维缠绕层的应力分布情况及其对永磁体的压紧力,且解析结果和有限元的误差很小,和实验测试结果的误差在可接受范围之内,所提出的大张力环向缠绕碳纤维护套可以满足永磁电机转子高速旋转的要求。     

变刚度复合材料层合板的纤维铺放路径设计及屈曲分析

与传统纤维直线铺放的复合材料层合板相比,变刚度层合板可以更好地实现材料的可设计性,并通过铺放路径的优化设计提高层合板的屈曲载荷。首先,对铺放角随坐标轴线性变化的铺放路径进行扩展,提出多种铺放角非线性变化的曲线线型,并以此作为基准轨迹重新设计了四种纤维变角度铺放方式。其次,利用ANSYS软件对上述五种不同铺放路径的变刚度层合板进行建模运算,在单轴和双轴载荷下,对其进行屈曲载荷计算分析并与定角度铺放的层合板对比。计算结果表明,铺放路径优化下的变刚度层合板与纤维直线铺放的层合板相比,其屈曲载荷得以显著提高。     

内衬材料性能对碳纤维缠绕压力容器的轴向残余变形的影响

纤维缠绕压力容器加卸载后的残余变形趋势研究,对提高制品的尺寸稳定性及满足压力容器的合格性认证均有重要指导意义。分析了钛内衬材料性能参数对纤维缠绕压力容器轴向残余变形趋势的影响。针对等张力缠绕压力容器,采用变角度、变厚度的精细化建模方法,建立了碳纤维螺旋加环向缠绕压力容器的筒身和封头段模型。测试了钛内衬材料在不同屈服强度下的力学性能曲线,并利用有限元模型分析了不同材料性能参数所对应的压力容器加卸载后的轴向残余变形。结果表明,经过给定的加卸载过程后,纤维缠绕压力容器总体沿轴向缩短;并且,钛内衬材料屈服强度的改变对容器轴向残余变形量有着显著的影响。     

大张力缠绕碳纤维复合材料高速飞轮转子研究

碳纤维复合材料由于其较高的比强度、比刚度以及不产生高频涡流损耗等特点,日益广泛地被用来制造高速飞轮转子护套。另外,大张力缠绕相比压装等工艺更适用于施加碳纤维复合材料层与金属轮毂间的过盈配合。研究了大张力缠绕复合材料飞轮转子护套的设计与成型工艺,建立了复合材料护套的三维有限元模型,采用温差法模拟纤维缠绕张力,采用单元生死法模拟逐层缠绕及固化过程。在30000 RPM的转速及不同工作温度下,分析了缠绕张力及轮毂和转轴间过盈量对转子各材料界面处压应力的影响规律。此外,采用大张力缠绕工艺制备了高速飞轮转子碳纤维护套样件,测试了样件护套对金属轮毂的径向压应力以及轮毂径向应变。结果表明,基于仿真模型的计算值与样件测试值吻合良好,获得了飞轮转子的最佳几何外形和制备工艺参数,使转子的最大工作外缘线速度达697 m/s,最大储能密度为44.5 Wh/kg。研究成果对复合材料高速飞轮转子护套的设计与制造具有重要的意义。     

纤维缠绕车载CNG气瓶的结构设计及其有限元分析

根据薄膜理论分析了气瓶封头的椭球比对气瓶强度和稳定性的影响,依据网格理论,结合气瓶容积、使用空间以及实际生产工艺等约束条件,确定了气瓶的内衬几何尺寸、纤维缠绕层的纤维厚度和缠绕角度。最后利用ANSYS中的参数化设计语言(APDL),分别对各种工况下的强度、稳定性进行了仿真模拟和数值计算分析。结果表明,设计的70L纤维缠绕车载CNG气瓶的强度、稳定性满足铝内衬全缠绕碳纤维增强复合材料气瓶的基本要求(DOT-CFFC)。     

纤维缠绕复合材料弯管的线型研究

基于测地线建立了复合材料弯管的数学模型,在弯管段两端由圆柱段过渡连接,对其缠绕成型过程进行了研究,采用测地线进行弯管圆环段的缠绕,对于过渡连接的两段圆柱段采用非测地线进行缠绕,对复合材料弯管的纤维稳定缠绕条件进行推导,给出其缠绕线型方程和最小的稳定缠绕角。分析了不同的中心线曲率半径与弯管半径比对缠绕角的影响,并应用MATLAB编程对设计的理论线型进行验证性仿真,证明缠绕线型的可缠绕性以及满足纤维缠绕的基本要求。     

纤维缠绕复合材料方管设计研究

作为典型非轴对称回转体构件,复合材料方管在缠绕过程中要求满足稳定缠绕和均匀布满两个工艺条件。基于解析几何,分析方管缠绕丝嘴与芯模的空间关系,推导丝嘴运动轨迹方程,提出基于不滑线理论的方管小角度测地线缠绕设计方法;建立方管测地线周期缠绕理论,分析从不同起始点缠绕的实际误差;设计方管缠绕线型,并应用于实际缠绕,得到其小角度缠绕的一般绕线方程。结果表明,本文提出的方管小角度测地线缠绕理论正确,线型设计方法可靠,得到的丝嘴运动方程合理、精确,能很好地满足复合材料方管缠绕的基本原理和工艺要求。