碳纤维增强复合材料力学性能退化及失效过程的研究进展

碳纤维增强复合材料（CFRP）内部损伤的不确定性及异质材料多模式损伤耦合的复杂特性,严重制约了构件的低冗余设计以及在苛刻环境下的长寿命可靠应用。随着试验和数值模拟手段的不断进步,有力推动了碳纤维增强复合材料力学性能退化及失效过程的研究,本文在总结国内外复合材料损伤行为研究的基础上,概述了静态、冲击、疲劳载荷以及湿热环境对CFRP损伤演化及失效行为的影响,对CFRP的多种损伤模型、试验方法及所取得的成果进行归纳,并展望了高精度仿真预测建模分析及各向异性材料复杂损伤模式的损伤机理分析等方面的研究发展趋势。     

可变弯度机翼后缘形态重构光纤监测技术

可变弯度机翼是一种变翼型变体飞行器,在飞行过程中可根据不同的飞行环境自适应调整机翼弯度来提高飞行效率,从而适应复杂多样的任务环境。针对可变弯度机翼后缘形态与偏转角度实时监测需求,研究了一种基于光纤布拉格光栅传感器的机翼后缘形态重构方法。采用数值仿真方法分析可变弯度机翼后缘的形态变化特征,得到可变弯度机翼后缘偏转位移与偏转角度之间关系。给出光纤布拉格光栅传感器布局形式,构建了基于应变和曲率信息递推位移重构原理的机翼后缘形态和偏转角度监测系统。基于光纤布拉格光栅传感器的机翼后缘形态重构相对误差约为6.39%,偏转角度辨识相对误差约为7.47%。研究结果表明,所提方法能够为可变弯度机翼后缘形态感知、姿态自适应调整以及气动外形优化提供技术支撑。     

先进战斗机全动V尾抖振动强度设计与验证

大迎角（AoA）机动飞行能力是先进战斗机的标志性指标之一,中国先进战斗机采用V型垂尾布局的气动设计方案,可充分实现其良好的大迎角机动可控飞行。飞机在大迎角机动飞行时,前机身分离流所产生的高强度脱体涡破裂后产生的非定常扰流将不可避免地打在V型垂尾翼面上,导致V尾结构发生严重的抖振,这不仅会影响飞机的飞行品质等性能,还会导致V尾结构的疲劳损伤,大幅增加飞机的使用维护成本。本文详细阐述了其研发设计过程中攻克的以下关键技术：全动V尾抖振风洞试验"刚/弹"组合模型的设计技术与风洞试验方法,抖振风洞试验的动态测试结果向飞机尺度进行相似转换的原理;基于RANS/LES混合算法进行V尾结构抖振响应的CFD/CSD耦合计算方法;基于正加速度反馈（PAF）的V尾抖振响应压电控制技术;V尾抖振动态疲劳载荷谱的编谱方法与试验实施方案。本文为解决中国先进战斗机、无人机V尾结构抗抖振动强度设计与验证建立了一套较完备理论分析技术、设计准则和试验方法。     

炭纤维／环氧树脂复合材料层板连续激光烧蚀数值计算

应用工程软件ANSYS的参数化设计语言(APDL)编制程序,建立了复合材料瞬态温度场和烧蚀的物理数学模型,利用"杀死"单元的方法实现动边界退移的烧蚀与热传导耦合计算,从而完成了对烧蚀尺寸变化的定量描述;采用AN-SYS中处理相变的方法,通过定义材料随温度变化的焓来考虑潜热。考虑了纤维的烧蚀、树脂分解以及辐射和对流热损失,对炭纤维/环氧叠层复合材料在不同辐射时间下激光烧蚀的温度场和烧蚀率进行数值计算,并分析了烧蚀特性和烧蚀机理,计算结果与实验结果吻合较好,可为复合材料热载荷下的失效分析和抗激光加固技术设计提供理论基础。     

Estimation of Transverse Thermal Conductivity of Doubly-periodic Fiber Reinforced Composites

For steady-state heat conduction, a new variational functional for a unit cell of composites with periodic microstructures is constructed by considering the quasi-periodicity of the temperature field and in the periodicity of the heat flux fields. Then by combining with the eigenfunction expansion of complex potential which satisfies the fiber-matrix interface conditions, an eigenfunction expansion-variational method(EEVM) based on a unit cell is developed. The effective transverse thermal conductivities of doubly-periodic fiber reinforced composites are calculated, and the first-order approximation formula for the square and hexagonal arrays is presented, which is convenient for engineering application. The numerical results show a good convergency of the presented method, even though the fiber volume fraction is relatively high. Comparisons with the existing analytical and experimental results are made to demonstrate the accuracy and validity of the first-order approximation formula for the hexagonal array.     

光电缆的分布式温度传感网络

提出增加一根光纤光栅与光电缆绕制在一起,用于监测电缆中的实时温度。采朋有限元分析方法,建立了光电缆温度场模型。使用可调谐脉冲激光作为系统光源,在一条光纤上刻制多个相同中心波长的布拉格光栅,即采用全同光栅作为系统的温度传感器,当光电缆线路中温度发生异常时,反射回来的光栅中心波长发生偏移,通过检测反射光中心波长发生的偏移量可以确定光栅温度变化的大小。不同位置的光栅返回光信号所需的时间不同,通过检测和计算光返回的不同时间,可以计算出发生温度变化的光栅位置。实验结果表明,光栅的温度敏感性可以达到11．4pm／℃,光栅的测量温度与实际温度的误差在3％范围内。     

表面处理对三维浅交弯联机织复合材料界面及弯曲性能的影响

以2400 tex无捻玻璃纤维粗纱为原料,在SGA598型三维织机上制备出一种三维浅交弯联机织复合材料预制体,使用硅烷偶联剂KH-570作为表面活性剂,采用涂抹、浸泡的方法对预制体进行表面处理以改善复合材料的界面性能。以环氧树脂E51和固化剂聚醚胺WHR-H023以质量比3∶1的比例组成树脂体系,并将经过表面处理的预制体与树脂基体以质量比1∶1的比例通过手糊的方式复合成型,制得三维浅交弯联机织复合材料。分别借助傅里叶红外光谱仪、原子力显微镜、万能材料试验机、扫描电镜等仪器来测试与验证KH-570对预制体及复合材料的处理效果。结果表明,经过KH-570处理后,预制体表面粗糙度增大、比表面积增加,从而使得纤维与树脂界面结合更加紧密;复合材料的弯曲性能随着KH-570的增加而增强;复合材料主要破坏形式为纤维断裂,纤维在树脂中抽拔现象较少。     

基于FC-1394的空间载荷试验信息系统设计

IEEEl394是一种具有支持等时传输和异步传输的特点的高速串行数据总线,目前已在航天器载荷试验数据传输中得到良好应用,但在未来大型空间飞行器载荷试验信息传输的应用中仍存在重量功耗开销大、传输距离和速率有限等问题.光纤通道作为一种具有良好兼容性、可靠性高、低时延、传输距离远和传输速率高等优点的先进总线技术,可为上层协议提供通用的高速率数据传输通道.基于IEEEl394和光纤通道的基本特性,给出了一种适用于空间载荷试验信息系统的FC-1394桥接方案,并为基于IEEE1394和光纤通道协议映射的空间信息系统数据网络互连提供了一种解决方案.     

干涉型光纤陀螺温度漂移建模与实时补偿

 分析了干涉型光纤陀螺(IFOG)温度漂移的影响因素,通过建立温度与陀螺模型参数之间的线性相关关系,推导出了光纤陀螺温度漂移的分布模型。为了提高陀螺温度漂移模型的适应性,设计了0.25,0.75,1.00 ℃/min三种变温速率的温度试验,并利用小波变换的方法分离数据中的噪声和趋势项。基于温度漂移的分布模型和最小二乘误差（LSE）准则,建立了多参量联合线性模型来估计陀螺温度漂移。采用升温过程和降温过程分段建模的方法将多参量联合线性模型算法进行了简化,并在现场可编程逻辑阵列（FPGA）中分时复用一个全串行有限冲激响应（FIR）滤波器实现了陀螺温度漂移的实时估计。仿真的温度补偿结果及实时的温度补偿结果显示,该方法可以使陀螺温度漂移减小到1/10~2/10。     

Abnormal Shape Mould Winding

为解决网格化芯模的缠绕问题,本文提出了复合材料面片缠绕机理;接着详细分析了面片缠绕过程中的芯模凹曲面上纤维滑线和架空现象,应用微分几何曲面理论和空间几何理论,提出判据及其解决方案;最后,针对飞机发动机进气道的缠绕成型,编制缠绕控制程序并进行相应的实验,验证了面片缠绕方法的可行性。