湿热环境下表面处理对GFRP加固铝板结构耐久性的影响

用3种不同工艺分别处理铝合金表面,通过湿热环境下玻璃纤维增强复合材料(glass fiber reinforced polymers,GFRP)和GFRP加固损伤铝板的拉伸实验,测定不同方法处理的GFRP-铝板在湿热环境下粘接强度,研究湿热环境、表面处理工艺等因素对修复效果影响。结果表明:界面粘接强度顺序为阳极氧化硅烷偶联剂喷砂;湿热处理后,GFRP片材的抗拉强度、弹性模量和断裂伸长率均下降;不同表面处理修复试样初始载荷提高顺序为阳极氧化硅烷偶联剂喷砂;湿热环境下,不同表面处理修复试样承载能力出现不同幅度下降,喷砂试样承载能力下降主要是树脂-铝板界面粘接强度下降引起的,破坏主要发生在树脂-铝板界面,偶联剂和阳极氧化处理试样破坏主要发生树脂-GFRP界面,树脂-铝板界面力学性能优于树脂-GFRP界面力学性能。     

铝蜂窝夹层结构穿孔损伤复合材料修理技术研究

铝蜂窝夹层结构穿孔损伤的高效、低成本修理对保障航空装备的完好性具有重要意义。针对铝蜂窝夹层结构穿孔损伤金属面板提出复合材料碳纤维湿补片胶接修理工艺，结合飞机典型铝蜂窝夹层结构形式制备完好和穿孔损伤试样，对穿孔损伤试样开展复合材料胶接修理，建立铝蜂窝夹层结构复合材料挖补胶接修理后四点弯强度分析有限元仿真分析模型，并通过仿真计算分析穿孔损伤大小对铝蜂窝夹层结构四点弯强度的影响规律及修复后强度恢复情况。结果表明：复合材料挖补胶接修理可有效恢复穿透损伤铝蜂窝夹层结构的弯曲强度；有限元仿真计算结果与试验结果基本一致，仿真模型能够较为准确地计算各类试样的极限载荷及失效模式；当损伤范围≤φ30 mm（径宽比小于40%）时，复合材料胶接修理工艺可应用于飞机铝蜂窝夹层结构损伤修理中。     

复合材料胶粘修复界面的载荷传递仿真优化

胶接修复工艺是飞机结构修理的重要工艺之一,为了研究胶黏工艺对修复效果的影响规律,探索最佳的工艺参数,本文建立胶粘修复的三维模型,利用ANSYS Workbench有限元软件对胶粘修复界面载荷传递进行分析,讨论补片材料、补片厚度、胶层剪切模量和胶层厚度对胶接修复的影响。仿真结果证明补片材料为硼/环氧树脂时,胶粘失效风险最小;补片较厚时,胶接修复效果好,但补片过厚会削弱胶接修复的效果;胶黏剂剪切模量越大越有助于损伤区域的修复,工程应用中建议选用剪切模量较高的胶黏剂;胶层较厚时会增大胶层发生缺陷的概率从而减弱修复效果,建议合理选取厚度较小的胶层。最后提出修复界面的表面处理、复合材料端部的溢胶以及倒角处理均有益于修复结构的载荷传递,缓和胶粘界面应力水平,降低胶层失效的风险。     

碳纤维复合材料轴向压缩性能测试方法对比北大核心CSCD

轴向压缩性能一直是复合材料力学性能评价表征研究的难点。本文以国产T800级、M40J级碳纤维复合材料为研究对象,从试验研究、机理分析、计算模拟等角度,系统对比并分析了四种常用复合材料压缩性能测试方法的优劣与适用性,提出了优化的测试条件。试验与模拟结果表明,剪切加载方法(GB/T 3856—2005)易产生应力集中造成试样提前破坏,使压缩强度测试结果相比美标剪切加载方法(ASTM D3410—2016)降低约9%;端部加载(SACMA SRM 1R—94)测试结果较美标剪切加载和联合加载方法(ASTM D6641—2014)高3%~6%。测试条件优化研究中发现,加强片材质对破坏模式影响较大,强界面高强度复合材料适宜采用金属加强片,弱界面低强度复合材料适宜采用玻璃钢加强片。分析试样断口形貌,剪切加载和端部加载方法都可以观察到单向复合材料以纤维“跪折”为主的破坏模式。从测试结果和破坏模式来看,端部加载方法是较优的压缩强度测试方法。     

修复金属板裂纹的复合材料补片正交优化

基于Abaqus软件建立了金属板裂纹复合材料补片修复结构的有限元模型。以应力强度因子(SIF)为判据,利用L9(34)型正交实验考察了各补片参数对修复效果的影响。结果表明:在99%置信度水平下,补片厚度的贡献率为68.77%,铺层顺序的贡献率为29.59%,而补片长度对修复效果的影响不明显。结合工程应用实际与正交分析结果,利用设计好的补片对含中心贯穿裂纹的铝合金板进行了修复,并对修复结构进行了静强度测试。结果表明:修补后静强度为未修复裂纹板的1.32倍,恢复至完好板的97.2%,延伸率为未修复裂纹板的2.24倍,恢复至完好板的50.7%。结论:选用长度为40 mm,厚度为1.2 mm,铺层顺序为[0°/90°]s的正方形补片时修补效果最好。     

固体火箭冲压发动机补燃室绝热层烧蚀试验方法

基于自主研发的氧-煤油烧蚀试验系统,发展了一种用于固体火箭冲压发动机补燃室热结构及材料烧蚀研究的试验方法。采用该方法开展了某型室温硫化硅橡胶基绝热材料的烧蚀试验,试验分别在含氧化铝粒子侵蚀和无粒子侵蚀条件下进行,并根据SEM图对比分析了粒子对材料表面微观形貌的侵蚀效应。结果表明:无粒子侵蚀条件下的试样经烧蚀后膨胀并分层,其平均线烧蚀率为-0.025mm/s;而粒子侵蚀条件下的试样平均线烧蚀率为1.901mm/s,试样中心区域的陶瓷层被粒子完全破坏,只留下极薄的热解层和裸露的碳纤维端部,碳纤维周围的基体主胶、颗粒填料及芳纶纤维均被高速焰流氧化剥离,充分说明粒子对绝热层材料的强剥蚀破坏效应;同时也验证了该方法能较好地模拟固冲发动机补燃室内的烧蚀热环境,可用于材料配方的筛选和耐烧蚀性能测试。      

基于剩余疲劳寿命的金属板/复合材料胶接修补分析

采用复合材料补片对含中心裂纹的铝板进行胶接修补,利用ANSYS有限元软件中的INTER204单元来模拟胶层,运用APDL语言参数化建模,分析了复合材料补片的长度、宽度以及厚度对裂纹板剩余疲劳寿命的影响规律。结果表明:增加补片的宽度和厚度可以增加CCT板剩余疲劳寿命,而增加补片的长度却使CCT板剩余疲劳寿命减小。     

补片尺寸对胶补飞机蒙皮强度的影响

采用三维弹塑性有限元法探讨了应急胶接修补飞机蒙皮裂纹损伤时,圆角矩形补片尺寸变化对补强水平的影响。合理选取圆角矩形补片的长度和宽度尺寸,可提高被修复蒙皮的强度,进而提高被修复损伤飞机的安全性。     

多向铺层碳/环氧复合材料特性及声发射分析

 本文对六种多向铺层的碳纤维增强环氧复合材料的拉伸破坏性能进行了研究,并采用声发射技术监测其损伤扩展过程,分析了它们的破坏机理。 新型的高性能碳纤维增强环氧复合材料应用于宇航、机械及体育器具等,由于工作条件及受力情况是复杂的,采用多向铺层才能满足受拉、压、弯、剪、扭等不同载荷的分别组合,具体铺层设计要针对主要承力情况来确定。多向铺层复合材料的损伤破坏比单向铺层的情况复杂,更需要采用试验的手段来研究它们的力学性能和破坏机理。在非破坏性测试中声发射技术的特点在于能够配合加载装置在进行试验过程中检测并记录复合材料的破坏过程,而且不移动探头的位置即可监测材料的较大区域,因此应用愈来愈多。声发射技术是利用材料或构件受力变形或损伤过程中应变释放产生弹性波这一原理来检测材料的缺陷、退化和破坏,评定材料的性能。声发射技术可以检测复合材料的剪切破坏及拉伸屈服破坏、分层及纤维断裂、粘接强度等。 本工作对六种多向铺层碳/环氧复合材料（包括0/90、±45°、30/60和三种碳布）进行拉伸试验,确定了它们的强度、模量、最大应变率及泊松比,给出六种不同铺层的应力应变关系以及声发射信号量的关系。采用声发射技术配合显微镜观测手段分析不同铺层的碳/环氧材料的声发射表征     

"湿热"老化对复合材料胶补金属结构 力学特性的影响

通过玻璃纤维复合材料补片对含穿透双边裂纹的铝合金板进行单面胶接修补,测试修补试件"湿热"(加温浸泡)老化实验前后力学性能,并与未修补试件进行对比,分析老化前后修补结构的破坏模式、失效机理,评估"湿热"老化对修补结构疲劳裂纹扩展寿命和承载能力的影响。结果表明:"湿热"老化降低了复合材料补片削弱疲劳裂纹之间干涉效果的能力,老化试件从裂纹的扩展长度小于未老化试件的;距离补片越近,沿金属板厚度方向疲劳裂纹扩展速率越慢,老化后复合材料补片减缓沿金属板厚度方向疲劳裂纹扩展速率的作用下降;老化严重削弱了修补结构承载能力恢复率和疲劳裂纹扩展寿命,老化试件的承载能力恢复率下降为未老化试件的45%,疲劳裂纹扩展安全寿命下降为未老化试件的63.7%;老化降低了胶层与金属之间的粘合力,造成了复合材料补片的提前脱落,胶层的破坏模式由内聚破坏转变为界面破坏。     

凹腔火焰稳定器组件界面的适配性研究

为研究超燃发动机凹腔火焰稳定器组件中陶瓷导流块与稳定器壳体的连接可靠性,针对来流马赫数6.0,总温1660K,总压2.5MPa的来流,计算了整个燃烧室的内表面温度分布。以此为输入条件,以凹腔火焰稳定器子结构为研究对象,并通过热传导分析计算得到凹腔火焰稳定器的体温度。对凹腔火焰稳定器进行了应力-应变分析,计算中特别考虑了碳化硅复合材料与陶瓷导流块的拉伸与压缩弹性模量不等这一特性。在全粘接情况下,从分析结果可以看出,由于导流块热膨胀系数高于稳定器壳体热膨胀系数,导流块将承受较大的压应力。在两者的粘接区端部均有较高的剪切应力及拉伸或压缩正应力,二者适配性较差。为了改善粘接区端部的应力集中问题,给出了中部粘接的连接方式。计算结果显示,粘接区域端部的正应力和切应力分别减小了78%以上和60%以上,此连接方式可较好地改善初始连接方式造成的稳定器壳体与导流块间的连接适配性差的问题。     

含通孔损伤复材壁板螺接修理接头拉伸性能试验研究

采用单向拉伸试验,测试了含通孔损伤的复合材料壁板和含通孔损伤的螺接修理接头壁板的单向拉伸强度,评估了含通孔损伤的复合材料壁板的螺接修理接头效果,研究了含通孔损伤对复合材料螺接修理接头的破坏载荷、破坏模式、应力分布的影响。试验结果表明:含通孔损伤的复合材料壁板及其修理板的典型破坏模式均为横向拉伸破坏;与无通孔板相比,含通孔损伤的螺接修理接头拉伸强度恢复率达到44.2%;应变读数表明,补片能够较好地缓解母板损伤孔边缘的受载,从而有效提高结构拉伸强度。     

含孔复合材料层板疲劳损伤扩展的实验研究

 本文对一种多向对称铺层的T300/914C碳-环氧复合材料含孔层合板,在拉-压疲劳加载下的损伤扩展进行了实验研究。通过研究层板刚度的变化、试样破坏前的应力-应变特性和损伤的分布,分析了试样破坏机理,阐明了损伤扩展的特征,并对一些实验条件下的分层增长给出了经验的表征。     

含中心裂纹铝合金板复合材料单面胶接修复后的疲劳特性

采用碳纤维复合材料对中心裂纹铝合金板进行了单面胶接修复,测试了修复结构的疲劳性能,包括铝合金板的裂纹扩展速率、补片与铝合金板之间的界面脱粘和修复结构的疲劳剩余强度.结果表明:复合材料胶接修复能有效地降低铝合金板的裂纹扩展速率,提高其疲劳寿命;胶接的补片使铝合金板的疲劳裂纹扩展纹线线型发生变化,且线型变化集中在裂纹扩展初始阶段;疲劳导致修复结构出现界面脱粘,脱粘区域近似椭圆形,且界面脱粘面积随疲劳周次的增加而增加.     

盐雾环境对复合材料修复铝合金板疲劳性能的影响

采用单向碳/环氧复合材料补片真空袋压工艺单面修复含中心裂纹铝合金板,进行0-1700h盐雾梯度腐蚀试验,测试并对比分析了各腐蚀时间结点上试件修复前后的疲劳性能,从疲劳寿命、疲劳临界裂纹长度和Paris公式材料常数(C和m)的变化三个方面考察不同盐雾腐蚀深度对铝合金裂纹板修复前后的疲劳性能差异。结果表明:碳/环氧补片胶接修复铝合金板能大幅度提高疲劳寿命,且未经修复的裂纹板在腐蚀1700小时后疲劳寿命下降53.8%,而修复板仅为38.6%。修复板疲劳裂纹临界长度acr大于未修复裂纹板,且随盐雾腐蚀时间延长,裂纹板和修复板acr变化不大,可作准判据使用。由试验数据得到的不同腐蚀时间上试样的材料常数C和m随腐蚀时间延长而减小。利用Paris公式可较好拟合铝合金板疲劳寿命及Paris区内的疲劳裂纹扩展行为,但疲劳寿命预测值与实际值的差异由未经腐蚀时的5%左右增大到腐蚀1500h时的10%左右。     

2D-C/SiC槽型梁承载性能试验研究

陶瓷基复合材料典型结构件的承载性能研究不足。针对2D–C/SiC槽型梁开展弯扭组合加载下的损伤–破坏特性试验研究,通过变形监测和裂纹观测,分析了槽型梁试件的承载性能、损伤过程及其失效机理。结果表明,复杂加载下,分层和屈曲是2D–C/SiC槽型梁的主要损伤形式,其破坏过程非常复杂,应变响应通常发生波动和突变,力学性能严重劣化,极限承载能力较低。与完好试件相比,翼缘开孔试件的损伤–断裂机理发生改变,分层起始载荷与局部屈曲载荷明显降低。     

双面贴补层合板压缩屈曲渐进损伤分析

贴补复合材料层合板在压缩载荷作用下的屈曲破坏强度及其损伤演化过程对于复合材料结构修理具有重要意义。本文基于应变和黏聚区模型(CZM)建立了贴补复合材料层合板的渐进损伤分析模型,引入复合材料与胶层的损伤判据和刚度退化方案,计算了结构屈曲强度。数值仿真结果和实验数据吻合较好,验证了模型的有效性。基于该模型,采用非线性有限元方法研究了压缩载荷下双面贴补复合材料层合板的屈曲损伤演化过程,并讨论了补片参数对结构屈曲强度的影响。研究结果表明:双面贴补复合材料层合板屈曲后,处于拉伸和压缩状态下的铺层中的损伤程度存在差异;增大补片直径与厚度可以在一定程度上提高双面贴补复合材料层合板的屈曲强度。     

平面铝板上的压电振动除冰方法

以平面铝板为对象,对压电振动除冰方法进行了理论与实验研究。使用有限元方法(FEM)分析了压电片(PZT)长度和厚度对所激发结构模态振动强度的影响。建立了冰层的二维受力模型,分析接触面上的切应力分布,为除冰模态的选取提供指导。结果表明,理想情况下当PZT长度约为某模态半波长的奇数倍时,对该模态的激发效果最好,此外压电片长度还受到结构表面应变分布的影响。在满足强度要求的前提下,压电片厚度应尽量小。结构与冰接触面上的最大切应力出现在结冰边缘部位,大小与结构表面的应变有关,在振动节线附近的切应力最小。实验获得了较好的验证结果,除冰功率约为36.5 W/m2,比电热除冰方法的功耗低1~2个量级。     

平纹编织C/SiC复合材料在室温和高温环境下的拉伸行为

通过单向拉伸试验,对比研究平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料在室温和高温(1300℃,包括惰性气氛和湿氧气氛)环境下的宏观力学特性,并采用光学显微镜和扫描电镜对试件断口进行显微观察,分析其损伤模式和破坏机理。结果表明:C/SiC复合材料的室温和高温拉伸行为通常表现为非线性特征,在低应力时就开始出现损伤;纤维与基体之间界面滑行阻力的降低使C/SiC复合材料在高温惰性气氛环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的高;碳纤维的氧化严重影响材料的承载能力导致高温湿氧环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的低;C/SiC复合材料室温和高温下的拉伸均呈现韧性断裂,断口较为相似,只是纤维拔出长度和断口的平齐程度有所不同,其中高温惰性气氛环境下纤维拔出最长,高温湿氧环境下试件断口有明显的被氧化痕迹;0°纤维束表面基体开裂、明显的层间分层以及0°纤维和纤维束的拔出和断裂同时携带90°纤维束拔出是C/SiC复合材料在室温和高温下的拉伸破坏机理。     

搭接长度对CFRP-Al双搭接接头应变分布和失效模式的影响

首先,采用碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）与Al制备不同搭接长度双搭接胶接试验件,利用万能试验机进行拉伸试验,获得载荷-位移曲线和胶接接头失效形貌。然后,依据试验数据,基于连续损伤力学模型和3D Hashin失效判据模拟CFRP层合板损伤与演化,使用内聚力模型模拟胶层和基体损伤,获得CFRP层间应力分布与截面应力分布曲线。最后,在此基础上分析不同搭接长度下双搭接接头载荷-位移曲线与接头破坏模式,研究CFRP内部铺层应力分布对失效形貌影响,探究不同搭接长度下双搭接接头破坏机制。结果表明：搭接长度由20 mm增加至40 mm时,胶接接头力学性能显著提高;搭接长度大于40 mm后,搭接长度对力学性能的影响逐渐减弱。拉伸载荷导致90°纤维附近基体的1和2方向应力较大,产生应力集中,接头发生剪切与剥离破坏。双搭接接头失效过程为一侧发生剪切与剥离破坏,接头转变为单搭接结构,之后瞬间发生失稳,较大的剥离力使接头另一侧发生破坏。