碳纤维复合材料假脚冲击后的疲劳试验

针对一种新型结构的碳纤维复合材料假脚,开展了自由落体冲击试验及冲击后疲劳寿命试验,分析了不同铺层参数、不同冲击能量等因素对其冲击损伤及疲劳寿命的影响规律。结果表明,不同铺层参数对碳纤维复合材料假脚U形结构件的冲击损伤具有显著影响,且随着0°铺层含量的降低,试件的冲击损伤面积增加,外观损伤越来越严重;碳纤维复合材料结构件的疲劳性能对冲击能量比较敏感,随着冲击能量的增加,碳纤维结构件的冲击损伤面积明显增大,其疲劳寿命逐渐降低。在冲击能量从4J增加到10J的情况下,碳纤维复合材料假脚的疲劳寿命大幅度降低了66.8%;尽管随着冲击能量的增加,试件的疲劳寿命逐渐降低,但二者之间并不符合线性关系,即冲击能量存在一门槛值,当冲击能量超过该门槛值后,其对碳纤维结构件疲劳寿命的影响将减弱;仅当碳纤维复合材料假脚的后龙骨厚度为2.7mm,且冲击能量≤4J的情况下,其疲劳寿命才可较好地满足相关安全标准的要求。     

碳纤维复合材料假脚冲击后疲劳性能影响因素分析

基于三维逐渐损伤理论和有限元法,对碳纤维复合材料假脚在冲击载荷及冲击后疲劳载荷作用下的破坏过程进行分析,研究了不同冲击能量、不同冲头材料、不同应力水平等因素对碳纤维假脚的冲击损伤及疲劳性能的影响规律。结果表明,在冲击载荷作用下,碳纤维复合材料假脚的损伤模式主要为基体开裂、纤维压缩和分层。随着冲击能量的增加,上述3种破坏模式的损伤单元数逐渐增大;尽管随着冲击能量的增加,碳纤维复合材料假脚的疲劳循环次数逐渐降低,但二者之间并不满足线性关系,即存在冲击能门槛值。对于碳纤维复合材料假脚而言,其冲击能门槛值为7J;冲头材料越硬,碳纤维复合材料结构件的冲击损伤面积越大,疲劳性能下降越剧烈;碳纤维复合材料假脚的疲劳循环次数随着加载应力的增加而显著降低。     

碳纤维复合材料假脚工艺参数对其冲击后疲劳性能的影响

基于三维逐渐损伤理论和有限元法,对碳纤维复合材料假脚的冲击及冲击后疲劳破坏过程进行分析,研究了不同的复合材料体系、几何尺寸、纤维铺设方式等工艺参数对碳纤维假脚的冲击损伤及疲劳性能的影响规律。结果表明,在冲击载荷作用下,碳纤维复合材料假脚的损伤模式主要为基体开裂、纤维压缩和分层;复合材料体系的横向和法向拉伸强度以及剪切强度等参数越小,假脚的冲击损伤面积越大,所能承受的疲劳循环次数越低;随着后龙骨厚度的增加,基体开裂损伤面积越来越大,分层损伤面积略有减小,而纤维压缩损伤几乎没有变化。尽管随着后龙骨厚度的增加,假脚的疲劳循环次数逐渐增大,但是相对于厚度的增加量,疲劳循环次数的增加量相对较小;不同铺层参数对碳纤维复合材料假脚的冲击损伤模式几乎没有影响。适度增加0°铺层的含量,可有效提高碳纤维复合材料假脚的疲劳性能。     

碳纤维复合材料层合板低速冲击损伤应力分析

目的 为掌握碳纤维复合材料板在低速冲击载荷作用下的损伤规律,延缓失效破坏,对其冲击损伤的应力状态进行研究。方法 基于ABAQUS平台,建立碳纤维复合材料层合板低速冲击有限元模型,采用Hashin失效准则和VUMAT用户子程序,对碳纤维复合材料层合板的冲击过程进行数值模拟,同时考虑层合板层内与层间失效,以此来研究低速冲击条件下复合材料的损伤机理,分析冲击损伤过程中的应力变化趋势,讨论应力的分布状态。重点研究铺层角度及铺层距离冲头远近对应力的影响。结果 不同角度铺层的应力传播轨迹均沿着纤维方向和垂直于纤维方向同时扩展,应力均先增加至极限值而后迅速下降;铺层角度越大,板料的承载能力越弱,0°铺层的极限应力为1 432 MPa,而90°铺层的极限应力降至1 206 MPa;离冲头越远的铺层应力越小,达到峰值的时间更早且率先下降,说明远离冲头的铺层更早发生失效。结论 揭示了碳纤维层合板在低速冲击载荷作用下的应力状态及其对损伤的影响规律,能够为复合材料层合板零件设计提供参考。     

Applicability Analysis of Carbon Fiber Composite Materials for a Novel Lightweight Designing Lap Bar of Amusement Ride

The machinery manufacturing industry, including amusement rides, has made progress in structural lightweight and increasingly using carbon fiber-reinforced plastics (CFRP) to achieve modest weight savings. The lap bar, as a key force-bearing component used to restrain passengers, bears the brunt of becoming an important direction for lightweight design. To address this issue, the study analyzes and calculates its stress and deformation based on finite element analysis, and the results show that the CFRP lap bar does not exhibit obvious strain concentration, expected to have a longer service life. On the basis of these studies, the CFRP lap is prepared, and it is found that this substitution leads to a reduction in weight of 66.7%. In addition, three groups of fatigue tests are used to simulate its running state under nuclear load and overload, and acoustic emission (AE) technology is used to monitor it. The results show that there is no obvious damage in the tests of three different stages, and the reliability is strong, which verifies that the selection of carbon fiber materials can meet the requirements of bumpers.     

Co@CNT复合电磁波吸收剂的制备及其吸波性能

以石墨相氮化碳(g-C₃N₄)和六水合硝酸钴为原料制备Co@CNT复合电磁波吸收剂,调节Co元素含量以提高其电磁波吸收性能。采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)和透射电镜(TEM)等手段表征其微结构和物相组成,使用矢量网络分析仪测量复合物电磁参数并进行Matlab模拟得到反射损耗图。结果表明,Co@CNT-1与石蜡质量比为1：3的材料,其吸波性能最优,厚度为4.1 mm时对电磁波的吸收最强,最小反射损耗(RL_min)为-45.5 dB;厚度仅为1.5 mm的材料,有效吸收带宽(RL<-10 dB)最大为4.42 GHz。     

面向CFRP损伤检测的改进L1正则化EIT方法

由于碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)具有导电特性,因此可利用电阻抗层析成像(electrical impedance tomography, EIT)技术实现结构损伤检测。考虑EIT电极位置、数量有限以及电场软场特性的影响,其灵敏度矩阵呈现非均匀分布特征,导致场域内不同位置成像效果差别较大。该研究基于传统L1正则化的边缘锐化特性,提出了一种改进L1正则化方法。该方法通过分析损伤重建电导率分布规律,发现其在各邻域梯度分布的特征,并利用此特征保留L1正则化可能滤除的有效数据,在保证重建图像锐利边缘的同时,改善了不均匀灵敏度分布导致的区域成像精度差别。为验证所提出方法的有效性,仿真中设计了不同类型、不同相对位置的损伤模型,并且通过搭建的16电极EIT测试系统对损伤CFRP样品进行测试。仿真和试验结果表明,改进后的L1正则化方法不仅能重建更多位置上的损伤图像,而且不同程度地提高了各类损伤重建图像的精度。     

Optimization of Periodic Permanent Magnet Configuration in Lorentz-Force EMATs

The relative merits of three different periodic permanent magnet (PPM) configurations are investigated for the generation of SH₀ waves with a Lorentz-force electromagnetic acoustic transducer (EMAT) on a 60-mm diameter aluminum pipe. Such transducers are often used for checking the integrity of pipelines. It was found that minimizing lift-off by using magnets machined to the same curvature as the pipe increased the magnitude of the generated wave by over 70%, compared to the use of a PPM with a single planar surface. A less expensive and more versatile alternative is to use a PPM for which the two lines of magnets are angled with respect to each other to realize closer average proximity to the pipe surface. Numerical simulations and experiments indicated that the amplitude of a SH₀ wave with this magnet configuration would still be approximately 60% higher than the reference case of a PPM with a single planar surface.     

不同测试电压下多壁碳纳米管湿度传感器的稳定性(英文)

为提高碳纳米管(CNTs)湿度传感器的检测精度,研制了一种电阻型碳纳米管湿度传感器.阐述了传感器的结构、工作原理与制作过程,并对传感器的稳定性进行了实验与理论分析.建立并求解了对应于两根碳纳米管间势垒的薛定谔方程.分析结果表明传感器内部碳纳米管的稳定决定了传感器的稳定性,并且测试电压会影响碳纳米管的稳定性对传感器电阻波动的影响.实验结果表明传感器的工作电压影响着传感器的稳定性,当测试电压为5V时传感器电阻波动范围大约是工作电压为15 V时的5倍.     

碳纤维复合材料界面残余应力的X射线衍射分析

根据碳纤维的晶体学特点,提出了利用X射线衍射技术分析碳纤维/树脂基复合材料界面残余应力的新方法。通过在环氧树脂基体中引入膨胀单体,改变界面残余应力,对本文提出的方法进行了验证     

基于涡流成像的碳纤维增强树脂基复合材料细观结构可视化

对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）的细观结构成像方法进行了研究,利用涡流成像技术实现了CFRP层合板中纤维方向及纤维缺失、褶皱和空隙过大等缺陷的可视化。首先通过有限元仿真和电路理论分析了CFRP板中涡流的生成机制和分布特性,阐述了基于涡流法的CFRP细观结构成像机制。然后介绍了用于扫描成像的高频涡流检测（HF-ECT）实验系统并确定了涡流探头的形式及其参数。最后利用涡流成像技术分别对单层板、正交层合板和四方向斜交层合板进行了检测,绘制了涡流检测（ECT）信号的三维伪彩图并得到了清晰的纤维纹路分布。通过引入滤波去噪技术和二维快速傅里叶变换（2D-FFT）对图像进行进一步处理,提高了图像分辨率并完成了不同方向上纤维纹路的分离,从而实现对层合板每单向层中缺陷的精确定位。     

高抗冲聚苯乙烯银纹化渐进损伤三维模拟

针对高抗冲聚苯乙烯,本文建立了细观单胞结构三维模型,引入周期性边界条件,采用非线性有限元法,研究了在单向拉伸载荷下银纹化损伤过程。采用最大主应力准则作为银纹化损伤判据,通过受损单元积分点刚度矩阵的折减实现材料力学性能的退化,运用材料的应力-应变曲线预测了其力学性能。数值结果与相关文献模拟结果吻合,表明本文损伤预测三维模型的合理有效性。     

Lap Shear Strength Comparison Between Two Types of Random Carbon Fiber-Reinforced Thermoplastic Matrix Composites Bonded Using Variable-Frequency Microwaves (VFM) Irradiation

Fiber-reinforced thermoplastic matrix composite material have enjoyed very strong development in the last 10–12 years because of their potential advantages and unique characteristics that cannot be found in their thermoset counterparts. This paper compares the lap shear bond strengths of two types of random carbon fiber-reinforced thermoplastic matrix composites joined by microwave energy. Variable-frequency microwave (VFM) (2–18 GHz) facilities are used to join thirty 3% by weight random carbon fiber-reinforced low-density polyethylene [LDPE/CF (33%)] and thirty 3% by weight random carbon fiber-reinforced polystyrene [PS/GF (33%)]. With a given power level, the composites were exposed to various exposure times to microwave irradiation. The lap shear strengths of the joints were compared with those obtained using fixed-frequency (2.45 GHz) microwave facility configuration. The VFMF was operated under software control, which provided automatic data logging facilities.     

碳(石墨)/环氧复合材料及其在航天器上应用研究进展

综述了空间环境因素的特征及其效应,包括太阳电磁辐射、带电粒子辐射、空间真空效应、冷黑环境、原子氧侵蚀、微流量和空间碎片的撞击。碳（石墨）纤维、环氧树脂、碳（石墨）／环氧复合材料的性能以及碳（石墨）／环氧复合材料在航天器上的应用和研究现状。     

短切碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的高温冲击压缩力学性能

采用先驱体浸渍裂解法(即PIP法)制备出3种不同短切碳纤维(C_(sf))体积分数的圆柱形短切碳纤维增强陶瓷基复合材料(C_(sf)/SiC复合材料)试件,通过高温加热装置和自组装功能的霍普金森压杆装置对试件进行高温和动态荷载耦合作用下的冲击压缩试验,并通过扫描电子显微镜(SEM)观察C_(sf)/SiC复合材料断口形貌,对试件的破坏形态进行分析。试验结果表明,采用PIP法制备的C_(sf)/SiC复合材料试件中C_(sf)分布均匀,在外应力作用下C_(sf)/SiC复合材料试件发生破坏,碳纤维和碳纤维束与SiC基体脱粘被不断拔出。试件的抗压强度随C_(sf)体积含量的增加而呈现先增加后减小的变化趋势,C_(sf)体积含量为21%的试件抗压强度最高,为96.55 MPa。与常温相比,在高温压缩试验中随着复合材料试件平均温度的升高,C_(sf)/SiC复合材料试件破碎后的块度越来越大,整体性越来越好,当温度达到300℃时,C_(sf)体积含量对C_(sf)/SiC复合材料试件抗压强度的影响较小。     

强噪声下碳纤维增强树脂复合材料结构Lamb波层析损伤成像方法

Lamb波因其检测范围广、对缺陷敏感性高等特点在复合材料无损检测中广泛应用。但强噪声环境给有效信号的提取带来难度,影响损伤位置判定精度。针对该问题,提出了一种在强噪声背景下基于计盒维数和Lamb波层析成像技术的损伤定位成像方法。首先通过仿真分析了Lamb波在碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料板损伤前后传播的特性。在选定的复合材料板上均匀布置圆形传感器阵列,以粘结质量块改变结构局部刚度的形式模拟真实损伤;其次每个传感器依次作为激励器产生Lamb波,其他传感器采集有无损伤下的响应信号,采用小波变换进行信号去噪。将去噪后的信号添加不同等级的白噪声实现噪声干扰;最后采用计盒维数计算有无损伤的信号差异确定损伤因子,并通过概率成像算法实现损伤的定位成像。实验结果表明,在强噪声环境中单损伤与多损伤成像定位最大和平均误差分别为11.18 mm和6.88 mm,该方法无需信号降噪技术,且避免了多损伤时复杂反射信号的提取过程,在强噪声下复合材料损伤定位识别方面具有较大的潜力。     

硫酸盐环境中CFRP约束劣化混凝土柱的力学性能

为研究碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固经硫酸盐腐蚀劣化后混凝土柱的力学性能,构建CFRP约束劣化混凝土的力学模型,采用CFRP约束普通混凝土后腐蚀和CFRP约束劣化混凝土两种工况进行试验,在试验研究基础上,引入损伤率及强度保持率作为损伤的量化指标,建立两者之间的关系;通过对CFRP约束混凝土强度及应变规律的回归分析,建立适用于硫酸盐环境下CFRP约束劣化混凝土的极限强度、应变模型及应力-应变关系模型。结果表明:随侵蚀时间增长,两种工况下CFRP约束混凝土极限强度和应变的变化规律及劣化速度均不同。预劣化的混凝土柱虽然进行了表面处理,但内部已经存在损伤,在侵蚀环境中采用CFRP加固混凝土柱时,应该考虑混凝土初始损伤的影响。      

双层高架桥的抗震性能

为研究碳纤维布(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)及外包型钢(Externally Wrapped Steel Section,EWSS)复合加固震损双层高架桥框架式桥墩的恢复力模型,对1榀原型对比试件、1榀无预损加固试件和2榀遭受不同地震损伤加固试件进行了低周往复加载破坏试验,获取了滞回曲线并提取骨架曲线,分析其滞回特性,提出一种弹性段和强化段为双折线、下降段为指数函数且考虑初始损伤的骨架曲线模型;采用试验数据回归拟合方法,定量描述了试件滞回曲线卸载刚度的退化规律,考虑了同级加载承载力退化和定点指向特征,建立了恢复力模型。研究结果表明：复合加固试件滞回曲线捏缩现象明显,呈倒S型,各滞回环分别相交于骨架曲线上正向、负向荷载为屈服荷载0.25倍的点,峰值荷载后EWSS产生包辛格效应;所提出的骨架曲线模型对中度震损和重度震损加固试件下降段指数函数的参数k建议取值分别为3.6和3.4;所建立的骨架曲线模型和恢复力模型计算结果与试验实测结果吻合较好,可为该类结构弹塑性地震反应分析提供依据。