基于渐进损伤的纤维全缠绕铝内胆气瓶自紧工艺

采用渐进损伤的分析方法对纤维全缠绕铝内胆气瓶的力学行为进行分析。基于三维Hashin失效准则,自定义刚度折减方案,编译VUMAT子程序,实现了复合材料层合板损伤的产生和演化过程的模拟。依据经典网格理论并结合实际情况,建立气瓶有限元模型。分析了复合材料层渐进损伤发展和累积的过程,验证了自紧工艺对提高气瓶承载力的必要性,提出了合理的自紧力范围。研究结果表明,损伤发生的顺序或可能性:基体拉伸拉伸分层纤维拉伸/基体压缩,且损伤大都从螺旋缠绕层开始。除基体拉伸损伤由封头向筒体发展,由复合材料外层向内层发展,其余损伤大都从筒体中部向两端发展,由内层向外层发展。当自紧力为最大工作压力的1.5~1.65倍时,气瓶的应力分配得到改善,承载能力得到提高。从减少复合材料的损伤和最大程度降低内衬应力的角度,最优自紧力应为最大工作压力的1.5倍。     

空心石英纤维/酚醛树脂复合材料的结构与性能

将石英纤维空心化,并通过模压成型方法制备了空心纤维/酚醛树脂复合材料。结果表明,空心纤维的空腔直径为4～7μm,随着纤维空心度增大(0～0.5),纤维的力学强度提高。在相同的纤维体积分数下,当纤维空心度从0增大到0.5时,复合材料的密度和热导率分别从1.63 g/cm3和0.49 W/(m·K)降低到1.46 g/cm3和0.41 W/(m·K),烧蚀性能保持不变。采用此方法制备的空心纤维/酚醛复合材料同时具有良好的隔热、防热性能。     

PBO和芳纶纤维单丝拉伸性能影响因素分析

使用等速拉伸试验仪测试了进口和国产聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维、芳纶纤维的单丝力学性能,探究了不同制样条件、测试条件对有机纤维单丝拉伸性能的影响,影响因素包括拉伸速率、试样标距、纤维含湿率以及热老化温度。结果表明:试样标距由5 mm增至60 mm,4种纤维的Weibull统计强度均逐渐减小;随着拉伸速率由5 mm/min增至200 mm/min,4种纤维的Weibull强度均表现出先增大后减小的变化规律;随着吸湿率增加,进口PBO和芳纶纤维强度逐渐下降;随着老化温度升高,纤维的单丝拉伸强度下降,进口PBO和芳纶纤维在300℃热处理40 h后强度分别下降39.1%和51.6%。     

高密度脉冲电流对SiCp/Al板材裂纹的修复作用

针对SiCp/Al材料塑性低、容易产生裂纹的缺陷,研究了高密度脉冲电流对SiCp/Al板材裂纹的修复作用。采用室温拉伸方法预制裂纹,在扫描电子显微镜(SEM)下标定裂纹后,对试样进行脉冲电流(电流密度为31.25A/mm~2)处理,对比分析脉冲电流处理前后裂纹形貌,测试电流处理对含裂纹试样力学性能的影响。结果显示,脉冲电流处理后,试样表面尺寸较小的裂纹直接被焊合,尺寸较大的裂纹宽度减小并且尖端出现了熔化现象;对比试样脉冲电流处理前后的延伸率发现,脉冲电流处理可以使试样预变形后的延伸率提高38%。采用电-热-力耦合的数值分析方法求得通电后SiCp/Al板材裂纹附近的电流场、温度场和应力场,并进行了脉冲电流处理对裂纹修复的机理分析,为脉冲电流修复技术的应用奠定理论基础。     

纤维增强复合材料力学性能预测及试验验证

针对纤维均匀排布的单向纤维增强复合材料结构力学性能预测问题,基于复合材料细观力学有限元方法,研究建立了代表体积元(RVE)模型,并施加周期性边界条件,实现了纤维增强复合材料基本力学性能的预测。通过将应用上述RVE模型所获取的B/Al纤维增强复合材料力学性能预测结果与解析解和试验数据进行对比表明,施加周期性边界条件的RVE模型的力学性能预测结果与解析解和试验数据吻合良好,验证了所建立计算模型的有效性。基于单向连续纤维增强SiC/TC4复合材料板材的力学性能测试试验,获取了不同铺层方案结构的纵向/横向弹性模量和泊松比,得到的纵向/横向弹性模量计算值与各自试验值均值的误差均小于5%,表明弹性力学性能参数基本一致,计算模型具有合理性。      

芳纶纤维/环氧树脂界面相的准静态纳米压痕研究

采用准静态纳米压痕技术表征分析了Kevlar-49/环氧树脂和F-12/环氧树脂两种单向复合材料体系界面相的弹性模量和硬度。结果表明,采用沿单向复合材料纵截面制样的方法,可以得到较平整的芳纶纤维/环氧树脂界面形貌,有利于界面相力学性能的表征。芳纶纤维/环氧树脂界面相的弹性模量和硬度值介于芳纶纤维和环氧树脂的弹性模量和硬度值之间。通过比较分析纤维、树脂和界面相的力学性能,可以推断两种芳纶纤维/环氧树脂体系的界面相厚度均不大于1μm。     

压电纤维复合材料驱动的机翼动态形状控制

利用压电材料实现柔性机翼的主动形状控制,能够有效提高机翼结构效率和气动性能;要实现连续、光滑的高精确形状控制效果,机翼变形过程必须满足一定的动态要求。本文利用在上下翼面反对称铺设的新型压电纤维复合材料——宏纤维复合材料(MFC)提供驱动力矩,研究了机翼扭转变形的前馈轨迹跟踪控制。首先建立了机翼结构有限元模型和气动力载荷模型,采用载荷比拟法得到MFC作动器的控制载荷向量,给出了气动弹性控制方程及其状态空间表达形式。为跟踪预设的变形参考轨迹,以跟踪误差的时域积分为目标函数,对MFC作动器的电压加载历程进行了优化设计。结果表明,采用规划后的电压加载历程,机翼气动弹性响应很好地跟踪了预期参考轨迹,实现了连续、光滑的动态形状控制效果,提高了控制精度。     

基于频响函数的复合材料空间分布模量场识别

针对纤维编织复合材料宏观力学性能的非均匀特性,提出了基于频响函数(FRF)的复合材料梁空间分布弹性模量场的识别方法。采用基于灵敏度分析的方法构造优化问题,以实测和计算加速度频响残差范数最小为目标函数,进而通过迭代求解识别出复合材料梁弹性模量的空间分布。首先,以悬臂梁模型为研究对象进行数值仿真分析,验证识别方法的正确性。进一步开展复合材料梁模态试验研究,将复合材料三点弯曲试验获取的近似均质化弹性模量作为优化问题的初值;利用非接触测量方法获取模态试验中梁上各测点处的动位移响应,并计算得到各测点的加速度频响函数作为优化问题的输入值。结果表明:采用所提出的识别方法获取的模量场计算得到的梁上各处频响函数与试验获取值吻合,且所提方法在实测动响应存在噪声污染工况下是可行的。该方法能够为复合材料等效建模提供更加准确的弹性模量场。     

CCF300/QY8911单向纤维增强复合材料纵向压缩性能预测

提出了一种单向纤维增强复合材料压缩性能的预测方法.该方法基于纤维增强复合材料压缩的微屈曲失效机理与纤维膝切失效机理,对CCF300/QY8911碳纤维增强复合材料单向层合板的纵向压缩性能展开研究.将纤维微屈曲失效与纤维膝切失效机理统一起来,提出一种基于两种失效机理的预测模型,很好地实现了CCF300/QY8911单向纤维增强复合材料压缩性能的预测.通过与试验数据进行比较表明:基于两种失效机理分析的CCF300/QY8911单向纤维复合材料压缩性能预测模型与试验数据符合较好,误差在5%以内.      

先进涡轮盘结构强度对比分析

为减小航空发动机涡轮盘应力,减轻质量,提高发动机推重比,介绍了3种先进涡轮盘,即纤维增强涡轮盘、双辐板涡轮盘和整体涡轮叶盘的结构特点和工艺难点,提出其未来的研制设想;应用有限元分析软件对传统涡轮盘与3种先进涡轮盘进行了强度对比分析和质量计算.结果表明:3种先进涡轮盘在强度和质量方面较传统涡轮盘具有优势,突破相应的关键技术后,可应用于未来高推重比发动机中.