基于神经网络遗传算法的GFRP拉挤双目标优化

为研究玻璃钢(GFRP)拉挤工艺参数对复合材料性能的影响,优化最佳拉挤工艺参数,建立了拉挤工艺过程数学模型,结合基于有限元/有限差分的间接解耦法进行求解,模拟得到了拉挤过程中GFRP内部的非稳态温度场和固化度变化情况.分别采用布拉格光栅光纤温度传感器和索氏萃取法检测拉挤GFRP内部的温度与固化度,实测温度和固化度均与模拟温度和固化度吻合,验证了数值模拟程序的正确性.以数值模拟结果为样本,建立反向传播神经网络,得到拉挤工艺参数(固化温度、拉挤速度)与GFRP固化度之间的非线性相关关系,再结合遗传算法解决拉挤过程中固化炉温度和拉挤速度双目标优化问题.优化得到的拉挤工艺参数可在保证复合材料固化度达标的情况下,提高拉挤速度降低固化炉温度,优化效果显著.神经网络遗传算法优化方法能有效解决此类具有复杂非线性关系的多目标优化问题.     

玻纤增强复合材料拉挤成型工艺中拉拔速度的估算

本文通过对不饱和聚脂凝胶过程的分析,用统计处理方法计算出凝胶反应热占全部反应热的组分。由此估算出凝胶热.由凝胶热引起的型材温升和由模具热传导引起的温升相比非常小,在凝胶点只能使型材膨胀0.8％,型材和模具内壁接触仍然良好。进而用传热学方法对型材进行热传递分析,计算出型材导热付立叶级数Fr,求出型材中心达到凝胶临界温度所需时间。在已知模具长度的条件下即可求出拉拔速度。     

基于套管屈曲约束的拉挤型GFRP管轴压性能

为解决复合材料空间桁架结构部分关键压杆失稳引发的连续性倒塌问题,提出了一种由不锈钢套管及螺栓连接系组成的玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)管整体失稳套管屈曲约束装置。为分析该套管屈曲约束装置对拉挤型GFRP管轴压性能的影响,对3个GFRP管试件和4个套管屈曲约束GFRP管试件进行了轴压试验,观察了试件的受力过程和破坏形态,获得了荷载-位移曲线和荷载-应变曲线,对比研究了两者的极限承载力和破坏模式,同时利用有限元模型分析了不同内核长细比、内核与套管间隙及套管壁厚对GFRP管轴压性能的影响。结果表明:该套管屈曲约束装置能有效约束GFRP管整体失稳变形,其极限承载力和延性均得到提升,并使GFRP管从失稳破坏向材料强度破坏发展;内核长细比越大,套管屈曲约束GFRP管极限承载力相比于内核失稳临界荷载的相对提升幅值越高,约束效果越好;内核与套管间隙越大,GFRP管延性越好,但其极限承载力会降低;套管壁厚过薄会降低GFRP管极限承载力,过厚则约束效果不明显。      

γ辐照对GFRP拉-拉疲劳性能的影响

玻璃纤维增强树脂基复合材料(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP)由于其良好的电绝缘性和力学性能,被作为北京正负电子对撞机束流管支撑法兰的制作材料。北京电子对撞机运行时,将对束流管及其支撑法兰产生大量γ和中子辐射。研究发现,玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料长期处于γ辐射环境中,其力学性能会发生变迁。本文对由20kGy、100kGy、200kGy剂量γ辐照前后的GFRP试件进行拉-拉疲劳实验研究,发现γ辐照对低周疲劳阶段的疲劳寿命影响较为明显,而对于高周疲劳阶段疲劳寿命影响不大。基于Hwang和Han提出的假设,建立了拉-拉疲劳双参数疲劳寿命模型,并验证该疲劳寿命模型的准确性。利用扫描电镜对试件进行观察,发现辐照后环氧树脂基体出现碎片,环氧树脂与增强玻璃纤维的黏结界面受到破坏,但辐照对玻璃纤维影响程度较小。红外光谱图显示环氧树脂在辐照过程中降解反应较交联反应占优势。     

聚合物基复合材料模压成型过程固化度与非稳态温度场的数值模拟

聚合物基复合材料模压成型过程固化度与温度的动态变化为强耦合关系。本文作者根据固化动力学和传热学理论,建立了非稳态温度场与固化动力学数学模型。通过DSC实验分析确定模型中固化动力学参数。利用有限单元与有限差分相结合的方法,建立了温度场和固化度数值模型。应用Euler逐步迭代法实现解耦。对聚合物基复合材料模压成型过程固化度与非稳态温度场动态变化进行计算机数值模拟,与试验测定结果吻合。为优化模压成型工艺提供理论依据。     

新型轻木GFRP夹芯板拉挤成型工艺及其界面性能

选用无碱玻璃纤维束、短切纤维毡、不饱和树脂与泡桐木芯材,制备了轻木-玻璃纤维增强塑料(GFRP)夹芯板,对其拉挤工艺进行了研究.研究表明:设定模具加热温度(凝胶区)为160 ℃、选取的拉挤速率为10 cm/min时,可制造得到表观性能良好的泡桐木-GFRP夹芯板.通过双悬臂梁(DCB)试验,在芯材表面开槽和不开槽2种情况下,研究了泡桐木与GFRP面层之间的界面黏结性能,并与真空导入工艺制作的夹芯板的界面黏结性能进行了对比.结果表明:拉挤工艺生产的泡桐木-GFRP夹芯板的界面黏结性能已达到甚至优于真空导入工艺生产的.芯材表面开槽可以有效提高试件的界面能量释放率,且对真空导入工艺制作的试件效果更为明显.在拉挤工艺中,树脂难以有效填充齿槽形成"树脂钉",故不能明显提高界面黏结力.在对界面性能要求不严格时,拉挤工艺中芯材表面可不开槽,以减少生产工序、降低生产难度.     

连续玻璃纤维/聚丙烯热塑性复合材料拉挤成型中的工艺参数

采用复合纱拉挤方法制备连续玻璃纤维/聚丙烯(GF/PP)热塑性复合材料,研究了复合纱拉挤成型过程中模具温度及拉挤速度对GF/PP复合材料截面中心温度的影响。以傅里叶定律为理论基础,分析了拉挤过程中模腔内的瞬态传热过程;建立了工艺参数矩阵,通过有限元数值计算,预测了不同模具温度、拉挤速度下GF/PP复合材料截面中心的温度变化,优选了工艺参数组合。通过实验制备不同温度、不同拉挤速度的GF/PP复合材料,并进行弯曲模量测试及截面形貌观察。结果表明:在GF/PP复合纱拉挤过程中,拉挤速度不宜超过350 mm/min,模具熔融区温度设定应高于180℃;GF/PP复合材料在150℃-230℃-50℃成型温度、100 mm/min拉挤速度的工艺参数设定下获得最优的制品力学性能;在设定拉挤参数时,拉挤速度相较于熔融区温度更重要。      

非直壁外形筒体零件辊挤成形工艺设备研究

针对非直壁外形筒体零件的几何形状特点,在综合分析辊锻和挤压成形工艺的基础上,提出了集辊锻、挤压为一体的复合辊挤成形工艺。同时介绍了此工艺的设备设计,并进行了计算机辅助模拟验证。     

Rossini型气体热量计非稳态温度场的优化分析

为优化Rossini型气体热量计温度场均匀性以减小测量不确定度,采用多重参考系法(MRF)和标准k-ε湍流模型对Rossini型气体热量计的温度场进行三维瞬态数值模拟,分别得到搅拌器转速、燃烧室高度对量热容器内非稳态温度场的影响,特别是对燃烧室与吸热介质之间热传递的影响以及对吸热介质温度均匀性的影响,同时确定温度传感器的最佳安装位置。结果表明:搅拌器桨叶最佳转速为420 r/min,这时燃烧室壁面与吸热介质之间的传热效率最大,并且吸热介质内监测点温度的标准偏差保持在1.5 mK以内。燃烧室高度减小可以提高吸热介质的温度均匀性,加热阶段中,燃烧室高度从180 mm降低到140 mm时,监测点温度的标准偏差从26 mK降低到7.5 mK。温度传感器的最佳安装位置在燃烧室对称轴及导流筒对称轴的等距线上离壳体底部25 mm处。     

BMI-QC130 双马树脂拉挤工艺

为了研究分析双马树脂的拉挤工艺特性和工艺参数,采用差示扫描量热法(DSC)研究了BMI-QC130双马树脂的固化反应动力学,建立了该BMI树脂的固化度预测模型,通过该预测模型得到的固化度预测值与试验值较为吻合,采用双Arrhenius方程建立了该BMI树脂的黏度预测模型,该黏度预测模型在温度低于120℃范围内具有很高的预测精度。根据所建立的固化度预测模型和黏度预测模型确定了BMI-QC130双马树脂的拉挤工艺参数为：胶槽恒温95℃,拉挤模具温度控制在200℃,出模后经过温度为280℃的烘道进行后固化。在此工艺条件下,成功地连续拉挤出碳纤维增强BMI-QC130复合材料样品。     

CFRP拉挤过程非稳态温度场数值模拟与FBG实时检测

碳纤维增强聚合物基复合材料的拉挤成型过程是动态的,其固化度与温度变化为强耦合关系。温度场是工艺过程控制关键之一。根据固化动力学和传热学理论,建立了非稳态温度场与固化动力学数学模型。通过差示扫描量热仪（DSC）分析计算出模型中固化动力学参数。采用有限元与有限差分相结合的方法,依据ANSYS求解耦合场的间接耦合法,编制了计算程序,对拉挤工艺不同工况CFRP内部非稳态温度场进行数值模拟。采用专门设计制作的铝毛细管封装的布拉格光栅光纤(FBG),排除了非温度应变的干扰。通过试验确定了FBG温度传感特性表征及FBG温度灵敏度系数值,保障了CFRP内部温度场实时动态检测的准确度。模拟与实验结果基本吻合,为取代传统试凑性实验,优化CFRP拉挤工艺提供了科学快捷的理论依据。      

Energy absorption of braiding pultrusion process composite rods

Composite body structures are now commonly used in road and rail vehicles, ships and submarines, aircraft and spacecraft due to their capability to effectively absorb high kinetic energy to weight ratio. One such structure designed as an energy device with pre-determined properties is a braided pultruded process (BPP) composite rod of either circular or square cross-section.

This paper reports the results of an investigation on circular BPP rods and unidirectional pultruded process rods in epoxy matrix subjected to compressive loading. Test results depict BPP rods to have superior properties in comparison to the unidirectional rods in terms of energy absorption capability that is manifested through well-defined progressive crushing failure mechanisms. Generally the rods' fracture and complete failure mechanisms show distinct creation of buckling zone, followed by generation of fronds as the wedge area increases with every augmentation of applied load. Fracture morphology related to overall performance characteristics is discussed through the step-by-step analysis of microphotography. The specific energy absorption property is shown to be best achieved in carbon/carbon (C/C) BPP followed by glass/carbon (G/C) rod combination and then the glass/glass (G/G) BPP rods. The latter (G/G), although worst performer of all the rods in terms of energy characteristics, still outperforms the documented best tubes made of Kevlar fibres, steel and aluminium. On average, the carbon/carbon (C/C) BPP rod's specific energy absorption is between 35% and 55% more than the nearest comparable tubes.     

液氮辅助冻干机冷阱室内温度场模拟与分析

对液氮辅助制冷冻干机的冷阱进行数值模拟,建立冻干机冷阱的三维几何模型和冷阱内流体流动控制方程及边界条件.采用Fluent模拟软件对冷阱室内温度场模拟分析,得到了冷阱室内温度场分布图,通过对冷阱内部温度场分析,为指导冷阱室内结构设计,提高冷阱捕水能力提供参考.     

sc-CO2在GFRP中的渗透模型及其数值模拟

受成型工艺和材料属性的限制,GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics)在表面和内部存在一定数量的孔隙,导致管材输送超临界CO2(sc-CO2)时受到流体渗透和扩散的作用而性能降低.为研究不同工况下介质在GFRP中的渗透行为,本文建立了sc-CO2在GFRP中渗透扩散的多孔介质模型,运用计算机流体力学软件FLUENT模拟了sc-CO2在GFRP中的渗透行为,通过控制粘性阻力系数和惯性阻力,研究了渗透深度随时间变化的规律,以及温度和压强对sc-CO2在GFRP中的渗透速度影响规律.结果表明:不同渗透阻力系数下,sc-CO2在GFRP中的渗透速度相差较大,但其渗透深度的变化趋势基本一致,即渗透速度只有量的差异,没有质的区别;随温度的升高,sc-CO2的渗透速率降低;随压强的升高,sc-CO2渗透速率显著增加.     

TG合金空心阴极真空焊接熔池动态行为的数值模拟

建立了空心阴极真空电弧焊（Hollow Cathoda Vacuun Arc Welding,HCVAW)焊接TC4钛合金板（5mm)熔池中流体流动和传热过程动态行为的物理,数学模型,并对焊接过程进行了数值模拟计算和工艺试验,通过计算,找出了爆接速度和爆接电流等工艺参数对爆缝成型的影响规律,并计算出焊接过程中工作上的温度场分布和熔池中的流场分布,计算结果与实验结果基本相符。     

碳纤维/聚醚醚酮(PEEK)复合材料拉拔制管工艺设计和模拟

从太空制造角度出发,设计了一种碳纤维/聚醚醚酮(PEEK)预浸复合板料拉拔连续制管工艺.综合考虑了预浸复合板料的供料放卷过程、冲压、拉拔成形工步和超声焊接工序,并创造性的提出了卷曲拉挤成型方式.利用Johnson-Cook和Holzapfel-Gasser-Ogden模型构建了一种以PEEK为基体,以碳纤维编织布为增强体相互叠加的材料模型,通过实验数据确定材料参数.采用商业软件ABAQUS对各工序分步进行了地面条件下的有限元数值模拟,分析了预浸复合材料板材在供料放卷、冲压拉拔成形过程中的应力分布,并采用蔡-希尔最大变形能理论证明了本文设计的放卷模具和卷曲成形模具可以进行连续制管.在焊接过程中,分析了预浸料基体PEEK在焊接区域产生的Mises应力分布,证明了超声波焊接方案对管材表面质量的影响较小.模拟结果表明,所设计的连续拉拔制管工艺能够快速有效地生产出表面良好的管材.仿真结果可为后续复合材料在轨拉拔连续制管的工艺设计和制造提供借鉴.