T300/QY8911单向板湿热性能模拟与损伤分析

测试了不同湿热条件下T300/QY8911单向板的弯曲性能,建立了湿热条件下复合材料单向板的弯曲有限元模型,模拟了湿热条件下T300/QY8911单向板的弯曲性能,开发了复合材料损伤演化仿真模块,对湿热条件下T300/QY8911单向板弯曲损伤演化过程进行了仿真.结果表明:湿热条件下T300/QY8911单向板的弯曲模量具有较高的保持率,弯曲强度随湿热条件的变化差异较大,模量和强度的模拟结果与试验值的误差分别小于6%和2%,建立的弯曲有限元模型,能够比较准确地预测不同湿热条件下复合材料单向板的弯曲性能.     

复合材料的冲击吸能与动态黏弹特性

考察了玻璃纤维、炭纤维、芳纶和UHMWPE纤维复合材料(分别称为GFRP,CFRP,AFRP和DFRP)层板的低速冲击吸能,并采用高载动态热机械分析仪EPLEXOR500分析了其纤维复丝的动态黏弹性的载荷敏感性.结果表明:冲击吸能明显受纤维性能及层板破坏模式的影响,呈韧性破坏的AFRP和DFRP的冲击吸能明显高于呈脆性破坏的GFRP和CFRP.在动态热机械分析中,静载增大使得储能模量升高但损耗角正切减小,动载增大时正好相反,且在这些影响中有机纤维复丝动态黏弹性较无机纤维复丝表现出更显著的载荷敏感性和非线性.4种层板的吸能大小与其纤维复丝储能模量载荷敏感性的强弱以及损耗角正切大小的顺序相同:DFRP>AFRP>GFRP>CFRP,反映出材料宏观冲击性能与表征其微观结构特征的黏弹性能的相关性.      

接触角法测玄武岩及玻璃纤维表面能实验

通过Wilhelmy吊片法测试液体与玄武岩、玻璃纤维单丝的前进接触角,应用OWRK理论计算得到纤维表面能及其色散与极性分量.实验研究表明:未经表面处理的玄武岩纤维表面能高于S-2玻璃纤维,去除浸润剂后2种纤维表面能的极性分量均明显降低,并且测试液体的极性分量对纤维表面能的测试结果影响甚大.分析结果为纤维与树脂的表面张力合理匹配、形成良好界面浸润和粘接提供了理论依据.      

蜂窝夹芯挖补修理结构弯曲性能研究

从试验及有限元2个方面对复合材料蜂窝夹芯挖补修理结构的弯曲性能进行研究。通过3点弯曲试验对无损及修理件弯曲性能进行测试,试验结果表明,蜂窝夹芯结构破坏模式为典型的蜂窝剪切破坏,修理件相比于无损件弯曲强度恢复率为110%,修理后结构弯曲刚度也略高于无损件;基于试验结果建立三维有限元模型对蜂窝夹芯修理结构的弯曲性能进行研究,通过用户自定义子程序VUSDFLD编写Hashin失效准则、基于应力的Besant失效准则,实现复合材料面板及蜂窝芯子2种材料的损伤起始及演化。数值模型得到的破坏模式、破坏载荷及弯曲刚度均与试验结果吻合得较好;改变有限元模型参数,研究损伤直径及补片厚度对修理后弯曲性能影响,结果表明,随着损伤直径从30~70 mm逐渐增加,修理件强度先增加后减小,并在损伤直径为50 mm时取得最大值,此外,补片厚度为1~2.5 mm时弯曲强度恢复率高于100%;本文为复合材料蜂窝夹芯结构的修理设计提供了可靠的数值模拟方法。      

预浸料贮存时间对MT700/603复合材料力学性能的影响

以碳纤维增强环氧树脂热熔预浸料MT700/603为研究对象，开展室温贮存时间与预固化度的关联性分析，研究预浸料预固化度对复合材料成型质量和关键力学性能的影响机制，建立预浸料贮存时间-预固化度-制品性能三者之间的内在联系。结果表明:随着室温贮存时间的延长，60 d后603环氧树脂的最低黏度增加了4.6倍，玻璃化转变温度增加了17.9 ℃，预固化度为11.2%；MT700/603预浸料贮存时间小于30 d时，制备的复合材料内部质量良好，纤维分布较为均匀，孔隙率较低，树脂的预固化度在5.3%以内，孔隙率低于0.03%；复合材料更倾向依赖于树脂基体破坏的纵向压缩强度和压缩模量对孔隙率的敏感度，要高于倾向依赖于纤维增强体破坏的纵向拉伸强度和拉伸模量；预浸料在室温贮存时树脂预固化度增加，黏度增大，加压时机与树脂黏度变化不匹配是导致复合材料构件关键力学性能下降的根本原因；根据产品的力学性能指标要求，结合不同贮存时间的关键力学性能数据，可反推出预浸料的最长室温贮存时间，实现了预浸料可用性的定量化评估。      

混杂纤维复合材料轴向剪切模量的预测

为混杂纤维复合材料有效轴向模量的计算发展了一个能够考虑纤维截面影响的广义自洽模型:即假定各相纤维的共焦点椭圆柱体细观单元嵌在同一宏观上均匀化的复合材料中.利用解析函数的保角变换与罗朗级数展开,获得了相应问题的封闭解.根据复合材料平均应力与应变关系,获得了预测有效轴向模量的形式简单的代数方程.当各相纤维模量相同时,所得方程退化为已有的预测单相纤维复合材料纵向剪切模量的代数方程.     

CFRP管件的弯曲蠕变行为试验研究

为评价航天器结构中碳纤维增强树脂基(CFRP)复合材料管件的使用可靠性,开展了三点弯曲加载条件下CFRP管件弯曲性能和蠕变行为试验研究。进行了管件弯曲模量和弯曲强度测试、500 h时长的恒温蠕变测试以及–60℃~100℃和–160℃~80℃两种高低温循环蠕变测试,获得了典型温度工况、不同应力水平作用下管件弯曲蠕变变形规律。根据测试结果,确定了基于时间–温度–应力等效原理的管件蠕变主曲线以及唯象蠕变Findley模型,预测分析了管件长期蠕变变形;采用最大应变强度准则,对该CFRP管件的强度特性和安全承载能力进行了评价。结果表明,该CFRP管件在设计服役期限内能够满足蠕变变形与强度要求。     

含孔隙基体缎纹编织复合材料面内压缩弹性性能预报

缎纹编织复合材料细观结构复杂,传统弹性性能预报方法较难适用。针对该问题,建立缎纹编织复合材料代表体积单元(RVE),对RVE模型面内压缩弹性模量和面内泊松比的预报方法进行了研究。分别基于能量法原理和单夹杂理论,对弯曲纤维束纵向压缩模量和含孔隙基体弹性性能进行预报,改进了传统细观力学中的混合率方法,并利用已得的组分材料性能对RVE模型有效面内压缩模量和面内泊松比实现了解析法预报。基于Python语言对ABAQUS有限元分析软件进行二次开发,建立了基体含孔隙的RVE模型,利用RVE模型在基本受力状态下的有限元方法结果实现有效面内压缩模量和面内泊松比的有限元方法预报。基于碳/碳复合材料,解析法与数值法计算结果吻合很好,实现了对缎纹编织材料面内压缩性能的有效预报。      

碳纤维电聚合表面处理

本文研究了碳纤维电聚合表面处理工艺,以及处理后碳纤维表面性质的变化,及其对复合材料性能的影响。结果表明,电聚合表面处理方法工艺简单、成本低、易操作。碳纤维经过电聚合表面处理之后,表面活性官能团增加,与基体的浸润性得到改善。大幅度地提高了复合材料的层剪强度、横向拉伸强度;改善了复合材料的压缩性能,并具有良好的耐环境性能。因此,电聚合表面处理方法是适合碳纤维生产中推广使用的一种表面改性的新方法。     

湿热环境对CCF800/环氧挖补板拉压性能的影响

针对挖补修理后飞行器在服役期间会经历高温高湿环境，进行了湿热环境对挖补修理层合板（以下简称挖补板）拉压性能影响的研究。首先，测试了4种湿热环境下CCF800/环氧挖补板的拉伸和压缩性能；然后，建立了相应的湿热应力有限元模型，探索了不同湿热环境下挖补板内的湿热应力分布；最后，在此基础上建立了湿热环境下挖补板的拉伸和压缩力学模型，研究了湿热环境对CCF800/环氧挖补板力学性能的影响。试验结果显示，湿热环境使挖补板的承压能力降低，承拉能力提高，这与常理不符。经试验观察和机理分析，发现CCF800/环氧铺层中纤维弯曲是导致湿热环境下挖补板拉伸性能不降反升的主要原因。在考虑湿热环境时，制备CCF800纤维复合材料过程中需要格外注意纤维弯曲问题。      

电化学技术在复合材料腐蚀研究中的应用

用循环伏安曲线和交流阻抗谱测试技术研究了不同溶液浸泡对复合材料性能的影响,探讨了电化学表征参数与复合材料腐蚀程度之间的相关性.实验结果显示,随着浸泡时间的延长,试样的反应电阻逐渐减小,双电层电容逐渐增大,并且浸泡于酸性探针和碱性探针溶液中的试样的电化学参数比浸泡于中性探针溶液中的试样的电化学参数变化幅度更大.实验结果表明利用电化学参数的变化可以反映碳纤维增强环氧树脂基复合材料的腐蚀程度,即可以用阻抗值和电流值的大小变化表征复合材料的耐蚀性.      

实验室模拟加速腐蚀与自然大气腐蚀的相关性

在Г.М.古尼耶夫中值老化公式的基础上,采用回归分析方法对碳纤维/环氧树脂基复合材料的实验室模拟加速腐蚀与自然大气腐蚀之间的相关性进行研究,确定了自然大气环境腐蚀试验的层间剪切强度的中值曲线方程,并得出实验室模拟加速腐蚀与自然大气环境腐蚀之间的当量关系.试样表面及断口微观形貌的观察分析进一步证明:实验室模拟加速腐蚀与自然大气环境腐蚀具有相似的腐蚀机理.     

腐蚀条件下机翼主梁的疲劳寿命修正系数

针对歼击机主要疲劳关键件——机翼主梁,采用模拟试件进行加速试验环境谱下相当于地面停放不同年限的预腐蚀及谱载下疲劳试验,获得地面停放腐蚀影响系数C随地面停放年限T的变化曲线;由构成空中局部环境谱的各单一介质对谱载下寿命的影响试验,按百分比加权组合的方法获得空中腐蚀疲劳影响系数K.综合考虑C-T曲线与K,计算出不同无腐蚀条件下寿命和飞机年飞行小时数的组合所对应的腐蚀条件下机翼主梁疲劳寿命修正系数.为修正无腐蚀条件下寿命,从而评定腐蚀条件下机翼主梁寿命奠定了基础.     

氮化硼纳米片作为抗原子氧腐蚀填料的应用

对氮化硼纳米片(BNNS)作为填料提高聚合物的抗原子氧腐蚀性能进行了实验研究.利用液相剥离在聚乙烯醇(PVA)水溶液中制备了稳定分散的BNNS,采用基于离心技术的尺寸筛选方法,获得了具有3种不同横向尺寸的BNNS,其平均面积分别约为21.4,4.1, 1.0 μm2.采用浇注法,将PVA/BNNS分散液原位复合成复合薄膜.原子氧腐蚀实验表明:3种 BNNS均能提高PVA的抗原子氧腐蚀性能,添加约1.0 wt%的BNNS(平均面积为21.4 μm2) 可使质量损失降低87%.BNNS对原子氧的成键和壁垒效应,是其提高抗原子氧腐蚀性能的主要原因.      

大型网状天线展开过程温度及展开时机分析

大型网状天线在轨展开过程复杂,风险大。反射器在展开过程中的温度影响展开动力与碳纤维管件抗弯能力,是反射器展开安全的关键因素。通过测试得到反射器展开动力的传动效率、桁架管件抗弯能力随温度变化规律,即-65℃时管件抗弯能力最好,而传动效率随温度升高而提高。通过建立大型网状天线有限元模型与节点矩阵转换算法,模拟展开臂与反射器的展开过程,对管件与T型铰链在轨温度变化规律进行分析,确定最佳展开时机,降低展开过程中展开动力不足、管件强度过载等风险。分析结果表明：布置在地球静止轨道卫星东舱板的大型网状天线展开时机为6:00~9:00时,管件抗弯能力最强;展开时机为4:00时,T型铰链展开动力传动效率最高。     

低速冲击下复合材料加筋板的损伤阻抗性能

为确定冲击能量、几何尺寸对低速冲击下复合材料加筋板损伤阻抗性能的影响,对3组工型加筋板进行了试验和数值模拟研究。通过落锤式低速冲击试验,得到了试验件的接触历程、凹坑深度和分层面积等损伤特征。基于引入纤维断裂损伤的各向异性弹塑性理论建立了有限元(FE)模型,对试验件凹坑深度进行了模拟预测,模拟结果与试验结果吻合较好。研究表明,复合材料加筋板凹坑深度随冲击能量的变化曲线存在拐点,拐点后表面冲击部位出现纤维断裂。随着冲击能量的增大,试验件的最大接触力不断增大,而分层起始载荷及分层面积则变化不大。含1.5 mm深凹坑试验件对应的冲击能量和最大接触力随筋条或蒙皮厚度的增大而不断增大,而分层起始载荷仅随蒙皮厚度的增大而增大。      

模拟服役环境中航空导管连接件耐蚀性能研究

采用自制的航空导管连接件腐蚀试验系统,研究了航空镀镉45^#钢导管连接件在模拟服役环境中的气密性、油压气密性以及应力腐蚀、表面腐蚀等性能.对该导管连接件在高温盐水溶液6%NaCl(90±5)℃浸泡与空气烘烤(60±5)℃循环200次条件下的表面腐蚀及应力腐蚀行为进行了评价;探讨了在模拟服役环境中,45^#钢发生腐蚀的机理.10^＃航空油不对镀镉45^＃钢造成腐蚀.镀镉45^#钢导管连接件在模拟服役环境中只是表面镀镉层发生腐蚀破坏,基体45^#钢只发生轻微腐蚀,表明45^＃钢导管连接件表面的镀镉磷化层可作为阳极性镀层而对基体金属进行保护.在最小屈服强度0.85的弯曲应力水平作用下,无应力腐蚀倾向.导管材料铝合金LF2-M与连接件45^#钢在6％NaCl水溶液中只有很小的电偶腐蚀电流,平均电偶电流密度为0.185μA/cm²,证明该类导管及导管连接件能安全地进行偶接.     

00Cr18Ni10N奥氏体不锈钢焊接接头应力腐蚀特性

采用恒载荷应力腐蚀实验方法和表面显微分析方法研究了3.5% NaCl水溶液中00Cr18Ni10N奥氏体不锈钢母材及焊接接头的应力腐蚀开裂行为.通过应力腐蚀120 h后剩余强度的损失量分析来比较00Cr18Ni10N母材及其焊接接头的应力腐蚀性能,并利用金相显微镜和扫描电镜研究了00Cr18Ni10N钢焊缝区、热影响区与母材的显微组织差别和应力腐蚀开裂断口形貌.结果表明,焊接接头的应力腐蚀断裂位置均位于焊缝区,在较高应力水平90%σ_0.2下00Cr18Ni10N母材的强度损失较焊接接头低13.02%,母材的抗应力腐蚀性能优于焊接接头.断口形貌分析表明,00Cr18Ni10N母材和焊接接头在应力和腐蚀介质的共同作用下发生断裂,断口显现出沿晶断裂和韧窝断裂的形貌特征.