多频能量分散的CFRP层合板微波固化温度场控制方法

碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced polymer,CFRP）轻质高强,已成为航空航天领域减重增效的优选材料。固化是制造兼具几何外形与承载性能的CFRP构件的关键。与传统的传导加热固化/修补方法相比,微波加热固化/修补方法具有控温灵敏、周期短、能耗低等优势。然而微波会在腔体内谐振形成驻波,使得CFRP层合板面内存在大量冷、热点,温度不均匀,构件易变形,严重时甚至发生局部烧蚀或固化不完全。本研究提出了多频能量分散的CFRP层合板微波固化温度场控制方法,通过将加热所需能量分散到多种频率的微波以弱化单一频率驻波的影响,同时利用多种频率驻波间的叠加效应,提升CFRP层合板微波固化过程中的温度均匀性。试验结果表明,在仅采用915 MHz和2.45 GHz两种频率微波进行加热的情况下,CFRP层合板的最大温差相比单频微波加热降低了26%。     

薄壁曲面复合材料层合板成型工艺参数与形面精度影响规律

为了得到高形面精度复合材料层合板适用的成型工艺控制方法，本文针对典型的Φ500 mm直径曲面球冠结构复合材料层合板，设计了6组不同工艺参数的成型对比实验，分析出边缘效应、铺放方式、固化温度等参数对层合板固化变形量的影响规律。研究表明，增加碳纤维模量和降低预浸料单层厚度可提高层合板形面精度；层合板铺放尺寸超过直径的5%可降低边缘效应的影响；自动铺丝技术铺放质量一致性高，手工铺层可以制造出高形面精度的层合板，但相对发生概率低；降低层合板固化温度和降温速率能够有效地提高层合板的形面精度。实验结论对复合材料高精度成型具有一定的指导意义。     

含裂口损伤复合材料层合板拉伸试验及数值模拟分析

通过对无损、含损(不同长度的裂口损伤)的碳纤维复合材料层合板进行拉伸试验,研究了裂口损伤形式对碳纤维复合材料层合板拉伸性能的影响。经试验研究,碳纤维复合材料无损层合板的拉伸强度为517.37MPa;且裂口损伤使碳纤维复合材料层合板的拉伸性能显著降低。相比无损层合板的拉伸性能,裂口为5mm的层合板拉伸强度降低26.3%,裂口为15mm的层合板拉伸强度降低23.4%。采用基于三维渐进损伤失效准则编写的子程序对碳纤维复合材料层合板进行拉伸数值模拟分析,模拟了含损层合板的损伤起始过程。通过与试验结果进行比较,验证了模型的合理性。     

纳米SiC增强碳纤维层合板摩擦磨损性能

为了探寻一种简便的制备纳米SiC增强碳纤维层合板的方法,本文将纳米SiC颗粒均匀分散在无水乙醇中,制备成不同质量分数的SiC试剂,然后均匀喷涂在碳纤维预浸料表面,固化成型。对不同试件进行摩擦磨损实验,得到不同含量的纳米SiC颗粒对碳纤维层合板摩擦因数、磨损量的影响规律,并且对磨损形貌和复合材料的硬度进行分析。实验结果表明：在碳纤维预浸料表面喷涂纳米SiC颗粒能够有效改善碳纤维层合板的摩擦磨损性能;当纳米SiC浓度为1%时,层合板的摩擦因数、磨损量、磨痕的宽度及深度较于不含纳米SiC的层合板分别降低52%,63%,32.3%,54.8%,摩擦磨损性能最好。     

分区自加热复合材料模具设计与应用

直接使用复合材料制成的模具可大幅度减少模具–构件热膨胀系数不匹配导致的构件固化变形。复合材料模具自加热技术是实现构件高质、高效固化的重要发展方向,然而现有模具自加热方法难以避免地引入大量加热元件和线缆,在反复热循环后易导致模具结构失效,寿命缩短。针对上述问题,提出了一种基于电各向异性层合结构的复合材料模具分区自加热技术,通过向碳纤维层合板层间插入电导率调制层形成单向导电的碳纤维层合结构,直接对其局部通电形成若干可独立控温的条带状加热区域,最终在不引入任何加热元件、线缆的前提下,实现模具温度场的分区控制。相较传统自加热模具,分区自加热复合材料模具面内温度均匀性提高了92.1%,固化C型构件的回弹变形量减小了27.0%。分区自加热复合材料模具在满足与构件的热膨胀系数匹配的同时,实现了温度场的分区控制,为构件的高质高效固化提供了新思路。     

树脂交联结构特征对复合材料纵向压缩性能的影响

通过选择不同官能度的环氧树脂,调节树脂单体配比,获得了不同固化交联结构的环氧树脂基体,并与国产T800级碳纤维复合制备成碳纤维复合材料;研究不同交联结构的环氧树脂基体对其 T800级碳纤维复合材料纵向压缩性能的影响。研究结果表明,随着三官能团树脂含量升高,树脂基体的交联密度增大,树脂基体模量增大,其对应碳纤维复合材料单向层合板泊松比降低;碳纤维复合材料的纵向压缩强度随着树脂基体交联密度的增大而增大;树脂基体交联密度对单向复合材料层合板纵向压缩模量的影响不明显。     

光纤传感环圈骨架热应力仿真计算与实验研究

针对光纤陀螺温度问题,重点分析光纤传感环圈骨架的热应力效应.首先通过Ansys仿真计算,给出了铝合金、钛合金、碳纤维复合材料以及玻璃布板四种不同材料骨架随温度变化的应力大小;然后设计实验,将光纤中的温度应力效应和光纤环骨架引起的热应力效应区分开,通过应力分析仪测试,得出实际的热应力曲线,通过实验验证了仿真计算的准确性.在所测四种材料中,碳纤维复合材料的热应力最小,在120℃的温度范围内,仅有220με,其次是钛合金材料,铝合金产生的热应力则最大,在120℃范围内,达到6000με.根据仿真和实验结果相互印证,碳纤维复合材料最适合制作光纤环圈骨架,而通过附加缓冲层的方式可以优化铝合金骨架的温度性能.     

碳纤维环氧预浸料前热处理及储放老化对复材力学性能的影响

基于DSC测试数据,采用非模型拟合动力学方法 Flynn-Wall-Ozawa(FWO)对碳纤维环氧预浸料的固化过程进行研究,并将试验结果与模型预测进行对比。结果表明,采用FWO法能很好地预测预浸料的固化行为。同时,结合热隔膜成型工艺特点,将预浸料分别置于80℃和室温中进行分段处理,将经不同预处理的预浸料采用相同的固化工艺制作成复合材料板并进行力学测试。结果显示,随着80℃预加热时间的延长,层合板剪切强度逐渐降低,试样厚度增加,弯曲模量略微低,弯曲强度出现小幅度波动。室温老化结果表明,随着老化时间的延长,层合板的层间剪切性能和弯曲性能都存在小的波动,但无明显规律。     

M40/4211 复合材料层合板铣削加工试验

通过分析碳纤维复合材料的性能特点及对切削加工性能的影响,提出了铣削刀具材料和几何结构形式的选用原则,介绍了几种适于碳纤维复合材料铣削的加工刀具。针对碳纤维复合材料中常用的M40/4211复合材料层合板进行加工缺陷试验和切削试验,总结出影响M40/4211复合材料层合板加工质量的因素及规律,得到每种刀具加工M40/4211复合材料层合板的最佳加工参数,较高的切削速度配合恰当的进给速度可以有效提高M40/4211复合材料层合板的加工质量和加工效率。     

RTM工艺成型复合材料树脂固化过程残余应变监测研究

提出了RTM工艺树脂固化过程残余应变布拉格光栅传感器检测新方法。通过光纤光栅波长偏移与温度和固化时间之间的关系测试,得到了树脂固化过程中残余应变的变化历程,成功实现了RTM工艺树脂固化过程中残余应变的在线监测。实验结果表明,在降温过程中,残余应变的变化与温度的变化呈线性关系,这为复合材料层合板的残余应力分析提供了实验依据。     

芳纶－铝合金胶接层板残余应力分析与测定

分析了芳纶－铝合金胶接层板在固化过程中形成的残余应力以及预应力与残余应力的关系。为验证分析所得的表达式,采用应变片包理法测定了层板的残余应力,结果表明,层板纤维方向的残余应力实测值与分析值相吻合。     

航空薄壁回转体零件热处理残余应力的建模与仿真

航空薄壁回转体零件由于自身结构的特殊性,使得残余应力对其变形和精度稳定性有着很大的影响.采用热弹塑性有限元模型对薄壁回转体铝合金零件的热处理过程进行建模和仿真,运用有限元软件,对2A12铝合金薄壁回转体零件热处理过程瞬态温度场和应力场进行模拟,分析了热处理各个阶段的应力分布形态,并进行实验验证,数值模拟得到的残余应力值与实验结果基本一致.     

压-压疲劳载荷下CFRP层合板表面红外辐射特征

为探究含冲击损伤CFRP层合板在循环交变载荷下的损伤演化规律,基于热力耦合效应研究了含损伤CFRP层合板疲劳过程中的表面红外辐射特征。以压-压疲劳试验模拟交变载荷,采用红外热成像方法分析了疲劳过程中含损伤CFRP层合板的热图序列和温度数据,结果表明：随着疲劳次数的增加,损伤沿垂直疲劳载荷方向演化,热斑颜色逐渐加深,初始冲击损伤形状逐渐演化为椭圆状,最后热斑横向端部出现"尖点";试件最大表面温差演化整体呈"快速上升-缓慢上升-快速上升"规律,最后出现跳升,其中热斑尖点、最大表面温差跳升可被视为结构疲劳破坏的前兆;含损伤CFRP层合板疲劳破坏时,其最大表面温差主要与纤维和基体种类有关,而试件铺层方式相较于纤维基体类别对最大表面温差无明显影响。研究揭示了冲击后CFRP层合板在疲劳载荷作用下的损伤演化规律,为飞行器复合材料结构的剩余疲劳寿命评估与损伤容限设计奠定了基础。     

TC17钛合金激光喷丸应力场及支持向量机应力热松弛模型

对TC17钛合金进行了不同功率密度下激光喷丸强化,使用X射线衍射仪测试了激光喷丸冲击波诱导的残余压应力场的分布,测试了不同温度真空保温下残余压应力的热松弛规律,最后基于支持向量机理论建立了残余压应力热松弛预测模型,并用试验结果对模型进行验证.研究表明:TC17钛合金在功率密度为4GW/cm2时表层残余压应力场最佳;残余压应力在280℃和450℃真空保温150min后分别有11.24%和27.11%的松弛;在280℃和450℃交替保温160min后应力松弛33.9%;残余压应力在试验温度保温160min后有大部分剩余,可以有效提高TC17钛合金抗疲劳性能、基于支持向量机的预测模型能够较精确的表征TC17钛合金的应力松弛规律,满足工程使用要求,对其他材料表层残余压应力热松弛分析具有借鉴意义.      

LY2铝合金的激光冲击强化区硬度和残余应力测试分析

为了研究激光冲击处理对LY2航空铝合金力学性能的影响,采用Nd:YAG激光器对航空铝合金LY2进行了激光冲击强化处理,测定其显微硬度和残余应力.结果表明,经过激光冲击处理后,试样表面没有受强脉冲激光和冲击波的破坏,而显微硬度和残余压应力明显提高,激光冲击处理后的强化区与光斑相当,深度约为1.2mm.     

Cu含量对2219铝合金锻件及其焊接接头组织与性能的影响

采用力学拉伸实验、焊接实验、电化学阻抗谱(EIS)、循环阳极极化曲线(Tafel)以及金相和扫描电镜(SEM)等分析测试方法,研究Cu含量对2219铝合金锻件组织与性能的影响。结果表明:降低Cu含量,有利于减少2219铝合金基体内的残余结晶相,并有效抑制在合金焊接过程中粗大Al_2Cu相的析出,使基材和焊件的伸长率显著提高,强度略有下降;Cu在铝基体中形成Al_2Cu相诱导合金发生局部腐蚀,使材料的耐腐蚀性能变差,降低Cu含量能够减小合金的腐蚀倾向,改善合金的耐腐蚀性能。     

磁场辅助激光熔覆铝基金属玻璃覆层

为提高铝合金的表面性能,采用磁场辅助激光熔覆的方法在5083铝合金表面制备了Al-Ni-Y-Co-La五元金属玻璃熔覆层,并对其进行组织成分及性能分析。实验结果表明：熔覆层主要由非晶相、α-Al相以及Al₄NiY等金属间化合物组成,旋转磁场的搅拌作用使熔覆层非晶相含量由10.2%提高到30.7%,且能够有效抑制多道搭接和多层堆积过程中重熔区晶粒的生长,细化了熔覆层晶粒组织,降低了残余应力,提高了显微硬度及韧性,使其平均显微硬度从278 HV_0.1提高至335 HV_0.1,且波动较小,平均抗拉强度为303 MPa,为基体拉伸件的110.2%,平均伸长率为6.79%,为基体的33.1%。     

铝合金厚板淬火残余应力的有限元模拟及其对加工变形的影响

航空整体结构件在加工过程中容易发生较大变形。为了研究毛坯的初始残余应力对整体结构件加工变形的影响,采用准耦合方法,利用有限元软件ABAQUS模拟7075铝合金毛坯的淬火过程,研究该过程中温度的变化和残余应力的分布规律,并在含有淬火残余应力的毛坯上进行材料去除模拟。结果表明,模拟产生的比例件的变形与实际加工的比例件的变形非常近似,从而证明了毛坯的初始残余应力是引起整体结构件加工变形的主要因素,同时验证了准耦合淬火模拟的有效性。     

TiC/Al复合材料在锌液中均匀化机理分析

采用自蔓延高温合成（SHS）法制备高TiC颗粒含量的TiC／Al复合材料。利用自制的实验装置研究复合材料中TiC颗粒在静止锌液中的均匀化过程。结果表明：当锌液温度低于铝的熔点时，TiC／Al复合材料置于锌液后，锌向其内部扩散，引起复合材料表层内液相线温度降低，当表层内Al-Zn合金的液相线温度等于或低于锌液温度时，Al-Zn合金便处于熔融状态，TiC颗粒随其一起从TiC／Al复合材料块上脱落，并不断地向锌液内部传输，最终均匀分布在锌液中；而当锌液温度高于铝熔点时，TiC／Al复合材料置入后，锌和铝同时进行扩散，但是当复合材料表面温度达到铝熔点时，铝开始熔化，铝的熔化导致TiC颗粒的脱落，脱落下来的TiC颗粒不断向锌液内部传输，最终均匀分布在锌液中。     

GLALL层板疲劳裂纹扩展特性分析

对玻璃纤维/铝合金混杂复合层板GLALL的疲劳裂纹扩展特性进行了有限元分析, 应用能量法得到了GLALL板铝合金层裂纹尖端的应力强度因子随裂纹长度的变化规律。由于高强度玻璃纤维对铝合金层裂纹的桥接作用, 降低了裂纹尖端的应力强度因子, 因而使得裂纹的疲劳扩展速率也大为降低, 且随裂纹长度的增加基本不变化。计算结果与实验符合很好。