自动铺放内嵌缺陷构件成型方式对拉伸性能的影响

自动铺丝技术使单向的复合材料丝束铺放轨迹得以优化,但是在应用此技术铺放复杂形状结构时可能会导致缺陷的引入。为解决此问题,利用2丝束自动铺放机器人铺放含有空隙和重叠缺陷的层合板试件,按照[(90°/0°)5/90°]和[(0°/90°)5/0°]的顺序,将缺陷分别置于0°和90°铺层内。在试件成型过程中,无模压板的成型方法会导致试件局部厚度和微观结构的变化,这主要取决于缺陷的类型,这对试件的拉伸性能有很大影响,使用模压板可以很好地改善这一点。试验表明:在0°纤维方向上,含空隙缺陷加模压板成型的试件较不加模压板成型的试件拉伸强度提升了218. 5%,重叠缺陷试件加模压板成型后试件拉伸强度也提高了69%;在90°纤维方向上,由于90°方向铺层不是主承载层,模压板对试件性能影响较小,但加模压板成型后,空隙和重叠缺陷试件的拉伸性能也分别提高了3. 2%和15. 6%。     

铺层结构对复合材料层合板拉伸性能的影响

设计并制备了6种不同铺层结构的层合板,通过对其进行拉伸试验,研究了不同铺层角度及不同铺层比例对层合板拉伸性能的影响。通过试验获得了6种复合材料层合板在拉伸试验中所能承受的极限拉伸强度,损伤特征以及载荷-位移曲线。结果表明:随着偏轴角增大,复合材料层合板拉伸强度逐渐降低,当45°和90°铺层体积分数相同时,45°铺层的层合板拉伸强度高于90°铺层的层合板;[0°/45°]铺层在表面可有效减小分层面积,由于内部剪切作用[0/90°]铺层更易出现分层。验证了复合材料层合板可通过改变铺层角度设计其力学性能。     

变角度铺丝构件内嵌缺陷精确定位算法

采用自动纤维铺放技术生产变角度铺丝构件时,在通过平移参考路径方法获得完整铺层过程中剪丝操作将导致构件中产生间隙、重叠形式的内嵌缺陷。将参考路径设计为更具通用性和设计自由度的B样条曲线。针对开边柱面铺丝构件,通过延长参考路径、丝束等距、丝带平移、丝束剪断、缺陷定位步骤,提出了不同剪断策略下的内嵌缺陷精确定位算法,该算法适用于任意覆盖参数。最后开发了相应Matlab程序验证算法的有效性,并可视化铺丝构件中内嵌缺陷的分布情况。结果表明算法可以精确确定不同覆盖参数下内嵌缺陷的位置,可为后续有限元精细模型建立提供理论依据。     

复合材料层合板挖补修复工艺研究

针对不同挖补斜度的复合材料层合板使用韧性胶黏剂Araldite~@2015,对修补后的试件使用弯曲和拉伸性能进行评价。结果表明:铺层方式为[±45°]_(4s)层合板在弯曲载荷作用下修补后修补效率最高能达到119.6%,拉伸载荷作用下修补效率最高能达到71.4%;铺层方式为[0°/90°]_(4s)层合板在弯曲载荷作用下修补后修补效率最高能达到82.1%。结果可为实际修补提供依据和指导。     

铺层参数对层间剪切强度的影响

本文通过短梁剪切试验法对不同铺层参数的层间剪切强度测试,利用测试的层间剪切强度和分层面积两者比值来检验铺层参数优化的效果。结果表明,对于薄壳类零部件来讲,[+45°/0°/-45°/90°/+45°]s的铺层参数得到较高的层间剪切强度和较小的分层面积。     

复合材料长桁机械成型工艺

复合材料自动化成型技术在提高复合材料生产效率、降低复合材料制造成本等方面都具有明显优势,为了改进传统生产效率低、质量稳定性差的缺点,利用设计的长桁机械成型设备制备预成型制件,研究了预成型速率以及预成型温度等工艺参数对于成型制件质量的影响,通过尺寸测量、金相分析等方法表征制件拐角厚度、纤维体积分数、孔隙率、纤维偏转变形等参数。结果表明:97℃预成型温度、1~3 mm/min预成型速率、[90°/45°/0°/-45°]2s铺层方式、2. 99 mm成型间距是较优的成型工艺参数,采用此工艺参数制造的制件厚度均匀、孔隙缺陷少、纤维偏转变形小、质量良好,在铺层表面添加聚四氟乙烯布保护层可以有效改善45°方向铺层出现的纤维偏转变形问题。     

铺放参数对复合材料厚度方向力学行为影响

为了探究铺放工艺参数的变化对复合材料厚度方向力学行为的影响,通过面外拉伸实验分析了铺放压力与铺放温度对复合材料厚度方向面外拉伸强度与拉伸模量的影响,并对不同铺放工艺的试件失效模式进行了分析。试验结果表明,增大铺放压力会减小层间富树脂区厚度,使复合材料面外拉伸强度不断增大,当铺放压力为0.225 MPa时取得实验组最大值,与铺放压力0.075 MPa相较强度提升约13.1%,失效模式由纤维断裂与纤维层剥离的组合转变为纤维断裂;铺放压力的进一步增大会挤压层间树脂,改变树脂富集形态,使面外拉伸强度下降,剥离失效模式再度出现。实验用复合材料的适宜铺放温度为30℃,过高的铺放温度会导致孔隙率的上升,使复合材料的面外拉伸强度严重下降,裂纹扩展失去规律性;与铺放温度25℃相比,铺放温度为45℃时复合材料面外拉伸强度下降达19.2%,失效模式由纤维断裂与纤维层剥离的组合失效转化为单一的纤维层剥离失效。     

规则回转体自动铺丝轨迹规划与丝束增减

为满足自动铺丝轨迹的满铺覆性要求，针对现阶段自动铺丝轨迹规划存在的不足，提出了不同的丝束增减算法。首先讨论纤维铺放方向的确定和中心轨迹数量的计算，设计不同铺放方向轨迹的生成算法。然后以丝束重叠系数为重要参数，对于纤维局部堆积和空缺问题提出单侧纤维裁剪算法和双侧纤维裁剪算法，并对裁剪后的重叠区域和间隙区域进行面积求解，使得纤维丝束均匀覆于芯模表面。最后基于CATIA CAA二次开发平台，将上述算法集成到纤维铺放CAD系统中，通过运动仿真系统验证算法的正确性。利用提出的丝束增减算法，实现了间隙/重叠区的均匀分布，尽量降低了富树脂区等相关缺陷的聚集对性能的不良影响。     

C_f/Mg复合材料异形纤维预成形体制备方法

针对Cf/Mg复合材料异形纤维预成形体制备成本高、难度大等问题,提出了纤维0°/90°等比例铺放、0°/90°不等比例铺放、纤维缠绕定型、纤维编织加固等4种不同的预成形体制备方法。结果表明:内层采用碳纤维束环向缠绕可对预成形体进行有效增强,保证织物排列紧密,避免剪切造成的织物蓬松等问题,体积分数可提高至40%左右;表层采用编织工艺整体加固可以有效抵抗液态金属冲刷,尺寸稳定性良好,较未使用编织加固前提高了65%。     

考虑可制造性的变刚度复合材料加筋壁板的优化设计

由于变刚度复合材料具有更大的设计空间，能更充分发挥复合材料各向异性的优势，研究其优化设计方法越来越重要。本文首先考虑了工形长桁加筋壁板变刚度复合材料的可制造性，并通过自动铺丝工艺试验获得了纤维的变角度极限范围。研究了壁板面板的铺放角度对加筋结构屈曲强度的影响，然后利用Python编程，结合Abaqus有限元软件通过遗传算法对工形长桁加筋壁板的面板铺层设计进行了优化。研究发现，纤维角度变化宜控制在20°范围内，当面板与筋条同时承受压缩载荷时，面板为纯0°铺层的加筋结构的屈曲强度比纯90°铺层时要低；遗传算法稳定且收敛性好，通过优化后的结果发现，纤维角度集中在60°～65°时，加筋结构的屈曲强度最高。变刚度复合材料可提高加筋壁板屈曲性能，应用前景广阔。     

纤维自动铺放工艺制备单向罐外固化复合材料的拉-拉疲劳性能

纤维自动铺放工艺（AFP）制备罐外固化（OOA）复合材料中难以避免出现铺放缺陷如缝隙（Gaps）,影响复合材料的力学和疲劳性能。选取罐外固化预浸料IM7/CYCOM5320-1,采用自动铺放工艺制备正常（NDS）和预置缺陷（DS）复合材料,探讨了铺放缺陷对0°单向罐外固化复合材料拉-拉疲劳性能的影响,建立了疲劳寿命和剩余强度衰减模型。结果表明,相比于NDS罐外固化复合材料,DS的静态拉伸强度降低5.90%,拉伸模量降低6.54%;NDS和DS复合材料的疲劳寿命均随疲劳载荷的增大而减少,DS的疲劳寿命一直低于NDS;随着疲劳载荷的增加,二者的疲劳寿命相差越大,铺放缺陷的影响也越来越明显;NDS和DS复合材料在拉-拉疲劳测试前期的力学强度均维持平稳状态,达到一定疲劳周数后力学强度明显下降;应力水平越高,铺放缺陷对罐外固化复合材料的剩余强度影响越明显,而不同应力比下,缺陷对剩余强度的影响一致。     

自动铺丝最小间隙路径规划与复合材料锥壳结构制造

自动铺丝技术（AFP）是提高复合材料构件制造效率和降低其制造成本的关键技术和重要手段。铺放轨迹的设计是控制自动铺丝工艺质量的关键。对于复杂的结构形式,合理的铺丝路径对保证可制造性及铺贴质量至关重要。本文针对简化后的后机身锥壳特征结构,研究了基于固定角法、测地线法和变角度法的自动铺丝轨迹算法设计,解决了铺放复杂曲面满覆盖问题;总结对比获得了不同铺丝轨迹方法的特点和适用范围。以保证工艺性并满足结构设计铺层方向为原则,选用了带宽为6.35 mm的自动铺丝预浸料完成工艺验证件制造,并通过有限元分析评估了自动铺丝轨迹算法的合理性。结果表明：该结构宜采用测地线法铺放0°方向铺层以减少褶皱;采用固定角法铺放90°方向铺层能够保证连续铺放;采用结合预浸窄带侧弯试验结果的变角度轨迹规划方法铺放此锥类构件±45°方向铺层能够保持最小间隙。铺丝间隙使锥壳结构单层等效模量下降约30%,整体强度下降约10%。因而在结构优化设计时需考虑自动铺丝工艺对安全裕度影响的因素。     

BN/SiBCN light-leakage-proof coatings of silica optical fiber for long term sensors at high temperatures

SiBCN and BN/SiBCN light-leakage-proof coatings were prepared on silica optical fibers for sensing applications at high temperatures. Scanning electron microscopy was used to characterize the surface morphology and microstructure of the coated fiber. Mechanical and optical properties of the coated fiber were characterized by Raman, optical and tensile tests. Compared with the original fiber, the tensile strength of SiBCN and BN/SiBCN coated fiber show an increase of about 60% and 90% at room temperature, respectively. In addition, the tensile strength of BN/SiBCN coated silica optical fiber was increased by about 42% at 700 °C. It has been found that the improvement of the strength of BN/SiBCN coated silica optical fiber is related to the healing of defects and residual compressive stress in fibers. From the light transmittance performance of the coated fiber, it was found that BN/SiBCN double coating could be an ideal total reflection solution to protect silica optical fiber from light leakage during high temperature sensing operation.     

Yield anisotropy and tension/compression asymmetry of a Ni3Al based intermetallic alloy

In order to investigate the yielding behavior of the newly developed Ni 3 Al-based intermetallic alloy IC10, yield stresses have been measured in tension and compression with different orientations. The specimens were cut from a sheet with different angles inclined from the solidification direction. The inclined angles were taken to be 0 , 22.5 , 45 , 67.5 and 90 . All experiments were conducted at room temperature except for orientation 0 , whose deformation temperatures ranged from 298 to 1273 K. Experimental results show that the yield strength of alloy IC10 has the anomalous behavior which has been observed for other Ll 2 -long-range ordered intermetallic alloys, but it is less pronounced. The abnormalities show the following characteristics: (i) the yield strength increases as the temperature is raised below the peak temperature, (ii) yield strength anisotropy, (iii) tension/compression asymmetry. Compared to Ni 3 Al single crystals, the polycrystalline exhibits some different yielding behaviors which may be due to the high volume fraction of c phase.     

编织复合材料预制体铺覆成型的数值模拟

针对平面编织复合材料预制体在曲面铺覆过程中的局部变形,建立了三维有限元模型,利用商业有限元软件Abaqus模拟了预制体在铺覆成型过程中的纤维束变形规律。研究了0°和45°碳纤维织物在球面铺覆过程的变形过程和局部剪切变形。结果表明,纤维束之间的滑动和纤维束起皱是该预制体在球面铺覆过程中的典型变形模式。在0°织物的球形铺覆变形中,0°和90°纤维束的剪切变形角最小,45°方向纤维束的剪切变形角最大;在45°织物的铺覆变形中,0°和90°纤维束的剪切变形角最大,45°方向纤维束的剪切变形角最小。     

角度和孔间距对双向扩张型孔流量系数影响的实验

为了研究非常规扩张孔的流动特性,测量了一排7个双向扩张孔的平均流量系数.气膜孔的前倾角为20°,45°和90°,径向角为0°,30°和65°,孔间距与孔径比为2,3和4.动量比变化范围为1到8.结果表明,径向角为0°的流量系数随前倾角的增加显著增加.前倾角为20°的流量系数随径向角的增加略有减小.前倾角为90°的流量系数随孔间距的增加而增加.      

弯曲纤维对SiO2f/SiO2复合材料拉伸强度的影响

以SiO_(2f)织物作为增强相,采用循环浸渍固化工艺,制备了SiO_(2f)/SiO_2复合材料。在制备过程中,通过对SiO_(2f)织物进行模压处理,使SiO_(2f)呈现出不同程度的弯曲,测定了纤维弯曲后复合材料的拉伸强度,研究了纤维弯曲时复合材料的断裂过程。结果表明:弯曲纤维将导致复合材料的拉伸强度下降,最低拉伸强度仅为5.5 MPa,纤维弯曲时复合材料的断裂过程为逐层断裂,断裂应变增加,最大断裂应变达到1.19%。     

纤维方向角对超低温冷却石英纤维复合材料铣削性能的影响

石英增强聚酰亚胺树脂基复合材料是一种非均匀的各向异性材料,其加工性能高度依赖于纤维铺层方向与加工进给方向所成角度,即纤维方向角。本文通过一系列不同纤维方向角的干切削和超低温冷却铣削实验,研究了纤维方向角对表面形貌、表面粗糙度、铣削力及刀具磨损的影响。结果表明:不同纤维方向角,剪应力形式不同,切削断屑形式也不同。纤维方向角为锐角时铣削表面质量均良好,但当纤维方向角增大到90°时,切削表面质量下降,切削力变化幅度增大。相同铣削时间内,在干切削工况下,刀具磨损严重,涂层脱落面积约为测量面积的70%;而在低温切削工况下,涂层未遭到严重破坏,刀具仍处于稳定磨损阶段,刀具耐用度优于干切削工况。