混杂短纤维增强复合材料弹性模量预测

在现代工程结构中，纤维增强复合材料具有较高的刚度重量比、优异的耐久性和设计灵活性等优点，因此得到了广泛应用．本文结合细观力学中的Mori-Tanaka方法和Halpin-Tsai方法推导了混杂碳纤维和玻璃纤维增强复合材料有效弹性模量的解析表达式．通过引入参数λ，提出了计算随机方向混合纤维增强复合材料弹性模量的新模型，分析了纤维长径比和体积分数对复合材料弹性模量的影响．结果表明，复合材料的弹性性能对纤维长径比和体积分数非常敏感．根据提出的理论，混杂纤维增强复合材料的弹性模量处于单一纤维（纯碳纤维或纯玻璃纤维）增强复合材料弹性模量之间．对于单一纤维增强复合材料，采用Halpin-Tsai方法计算的复合材料弹性模量高于Mori-Tanaka方法计算结果．     

石墨/玻璃纤维夹层结构混合复合材料层压板的振动分析

本文应用考虑了横向剪切变形的有限元法及阻尼单元模型对石墨/玻璃纤维夹层结构混合复合材料层压板进行振动分析,求出其固有频率、振型和阻尼值。讨论了理论计算和实验的结果。本文还讨论了改变石墨纤维在此类板中的含量对有效弯曲模量及振动模态参数(固有频率、振型及阻尼值)的影响。     

复合材料层合板单搭胶接力学性能检测技术与分析

胶接工艺缺陷对单搭胶接接头的拉伸剪切性能有着重要的影响。为了研究不同单搭接胶接层厚度对不同材质复合材料层合板胶接性能的影响规律,通过喷水穿透法超声C扫描对试样的剪切区域进行无损检测,并分别采用1mm、2mm、4mm的胶层厚度,以碳纤维/玻璃纤维复合材料层合板为被粘物,进行单搭胶接拉伸剪切性能试验。检测及试验结果表明:当胶层厚度h1mm时,对于相同材料的被粘物,胶层厚度越大,试件胶接接头剪切强度越小;相同的粘接剂厚度,以碳纤维增强复合材料板为被粘物的试件胶接接头剪切强度大于以玻纤增强复合材料板为被粘物的试件胶接接头强度;胶粘剂与碳纤维被粘物表面的润湿效果要优于胶粘剂与玻纤被粘物表面的润湿效果。     

复合材料层板损伤后刚度衰退的实验研究

对复合材料单向板进行了0°、90°、45°拉伸实验,对铺层为[0°/90°]、[±45°]的层合板进行了拉伸实验,对玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维缠绕的NOL环试样分别进行了短梁剪切实验。实验结果表明:碳纤维/环氧树脂基体复合材料单向板没有明显的非线性行为,而层合板在树脂开裂、面内及层间剪切破坏导致的刚度降低却很明显。层间剪切破坏不仅导致剪切刚度的降低,还会引起弯曲刚度的降低。玻璃纤维、芳纶纤维增强树脂基复合材料在三点弯曲实验过程中体现了较强的抗损伤能力,韧性较好;而碳纤维增强树脂基复合材料抗层间损伤能力较差。本文用标准实验方法,跟踪载荷-变形曲线,得到了用于应力分析的刚度衰减系数。用最大应力准则及实验得到的刚度衰减系数,对直径为1400mm的纤维缠绕壳体进行了变形分析,计算结果与实验值一致性较好。     

碳纤维增强复合材料微观烧蚀行为数值模拟

碳纤维增强复合材料已广泛应用于烧蚀热防护系统中,其微观结构直接影响材料的烧蚀行为,因此材料微观烧蚀机制分析对材料设计和制备具有重要意义.本文采用有限体积法并引入固体相体积分数与界面重构技术,建立了碳纤维增强复合材料微观烧蚀数值模型.利用该微观烧蚀数值模型对碳基体包裹单根碳纤维进行烧蚀模拟,将数值模拟的烧蚀形貌与解析解结果进行对比,验证了数值求解方法的正确性.对单向碳纤维增强复合材料在不同碳纤维倾斜角下的微观烧蚀行为进行了模拟分析,得到了碳纤维倾斜角对微观烧蚀行为的影响规律.研究发现:对于碳纤维的抗氧化性能比基体强的情况,当氧扩散速率远远大于碳氧反应速率时,碳纤维将出现"笋尖"状的烧蚀形貌;当碳氧反应速率远远大于氧扩散速率时,纤维和基体将以相同速率烧蚀.当碳纤维的抗氧化性能比基体强时,纤维倾斜角会对材料微观烧蚀行为产生较大影响;相反,则影响不显著.     

碳纤维增强复合材料微观烧蚀行为数值模拟

碳纤维增强复合材料已广泛应用于烧蚀热防护系统中,其微观结构直接影响材料的烧蚀行为,因此材料微观烧蚀机制分析对材料设计和制备具有重要意义.本文采用有限体积法并引入固体相体积分数与界面重构技术,建立了碳纤维增强复合材料微观烧蚀数值模型.利用该微观烧蚀数值模型对碳基体包裹单根碳纤维进行烧蚀模拟,将数值模拟的烧蚀形貌与解析解结果进行对比,验证了数值求解方法的正确性.对单向碳纤维增强复合材料在不同碳纤维倾斜角下的微观烧蚀行为进行了模拟分析,得到了碳纤维倾斜角对微观烧蚀行为的影响规律.研究发现:对于碳纤维的抗氧化性能比基体强的情况,当氧扩散速率远远大于碳氧反应速率时,碳纤维将出现"笋尖"状的烧蚀形貌;当碳氧反应速率远远大于氧扩散速率时,纤维和基体将以相同速率烧蚀.当碳纤维的抗氧化性能比基体强时,纤维倾斜角会对材料微观烧蚀行为产生较大影响;相反,则影响不显著.      

玻璃纤维增强MC尼龙复合材料的摩擦磨损性能研究

通过碱催化阴离子聚合反应制备玻璃纤维增强单体浇铸尼龙复合材料(GFMCPA),在MM-200型摩擦磨损试验机上研究了在干摩擦和水润滑条件下,不同玻璃纤维含量对尼龙复合材料摩擦磨损特性的影响,并借助扫描电子显微镜观察其磨损表面形貌.结果表明:玻璃纤维含量对尼龙复合材料的摩擦性能具有显著影响;玻璃纤维质量分数达到30%后复合材料具有较好的耐磨性;在水润滑条件下,复合材料的摩擦系数和磨损量较干摩擦时大幅度降低;玻璃纤维含量低的尼龙复合材料的磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损;玻璃纤维含量高的尼龙复合材料的粘着磨损减少,磨损机制主要表现为磨粒磨损和疲劳磨损.     

Al_2O_(3f)+C_f/ZL109干摩擦磨损行为及其人工神经网络分析

采用挤压铸造法制备了氧化铝及碳短纤维混杂增强 Ｚ Ｌ１０９ 合金复合材料,考察了该复合材料的干摩擦磨损行为．结果表明：该复合材料的摩擦磨损性能随纤维总体积分数的增加而降低;当纤维总体积分数一定时,随碳纤维含量的增加复合材料摩擦磨损性能降低．采用人工神经网络技术对该复合材料的干摩擦磨损试验结果进行了综合分析,其结果与试验值吻合较好．分析表明：纤维总体积分数较小时,碳纤维含量对复合材料耐磨性的影响较大,随纤维总体积分数的增大其影响减弱;无论纤维总体积分数如何变化,碳纤维含量对复合材料摩擦系数均有较大影响,这是其自润滑作用的结果;载荷较小时,该复合材料摩擦磨损的跑合时间较长;随载荷的增大摩擦系数减小;磨损达到稳态后载荷对复合材料摩擦系数的影响不大     

Al2O3f+Cf/ZL109干摩擦磨损行为及其人工神经网络分析

采用挤压铸造法制备了氧化铝及碳短纤维混杂增强ZL109合金复合材料,考察了该复合材料的干摩擦磨损行为.结果表明该复合材料的摩擦磨损性能随纤维总体积分数的增加而降低;当纤维总体积分数一定时,随碳纤维含量的增加复合材料摩擦磨损性能降低.采用人工神经网络技术对该复合材料的干摩擦磨损试验结果进行了综合分析,其结果与试验值吻合较好.分析表明纤维总体积分数较小时,碳纤维含量对复合材料耐磨性的影响较大,随纤维总体积分数的增大其影响减弱;无论纤维总体积分数如何变化,碳纤维含量对复合材料摩擦系数均有较大影响,这是其自润滑作用的结果;载荷较小时,该复合材料摩擦磨损的跑合时间较长;随载荷的增大摩擦系数减小;磨损达到稳态后载荷对复合材料摩擦系数的影响不大.     

铝-碳纤维复合材料复合防护屏设计与实验研究

针对空间碎片防护性能要求,本文设计了一种新型的多层铝-碳纤维复合材料防护屏,本文应用二级轻气炮对铝防护屏、碳纤维环氧复合材料防护屏及铝-碳纤维环氧复合材料防护屏进行了高速撞击实验,对比了三种防护屏的防护性能,研究了厚度和面密度相同时防护屏的防护性能差异。研究结果表明铝-碳环氧复合材料复合防护屏具有更加优异的防护性能。     

分块法研究圆柱绕流升阻力

 使用新的分块耦合方法，分别对单圆柱和串列双圆柱绕流进行了数值 模拟. 对于单圆柱绕流，低$Re$下计算所得到的定常涡尺寸与实验非常接近. 对于 串列双圆柱绕流，研究分析了改变双圆柱中心间距对上下游圆柱的升阻力系数和脉动频率所 产生的影响，计算结果与实验非常吻合，为进一步研究涡致振动提供了依据.     

土-结构相互作用体系合成模态阻尼比的振动台模型试验研究

本文籍振动台模型试验。研究了SSI体系的合成模态阻尼比问题。文中首先阐明了在SSI体系直接动力分析中应采用合成模态阻尼比的观点。研究了合成模态阻尼纟的实测确定方法。并在不同工况下，通过对模型不同部位测点的传递函数，基本频率，基本合成模态阻尼比等实测数据考虑，验证了SSI体系合成模态的存在性，合成模态阻尼比与相同应变下不考虑相互作用的单纯地基土体或刚性地基结构阻尼比的差异性及其在递增动力作用下的变化规律。     

玻璃纤维增强尼龙1010复合材料的摩擦学性能研究

利用ＷＺＭ－１微型注塑机制备了玻璃纤维增强尼龙复合材料,在环－块摩擦磨损试验机上考察了玻璃纤维含量和试验条件下对其摩擦学性能的影响,并利用扫描电子显微镜对其磨损机理进行了分析。结果表明：在给定试验条件下玻璃纤维含量对复合材料的摩擦学性能有显著影响,玻璃纤维质量分数介于２５％～３０％之间时增强效果较好;复合材料的摩擦系数随载荷的增加而下降,达到最小值后,又随载荷的增加而持续上升;其磨损质量损失则随载荷的增加而持续增大,复合材料的磨损以粘着磨损为主,随载荷的增加转变为以玻璃纤维的破坏和磨平为主。     

组合结构振动的等效阻尼比

本文采用滞后阻尼的假定，在获得组合结构含有滞后阻尼系数的复频率方程后，进而导出了一种分析组合结构体系效阻尼比的方法，只要在实数范围内，采用通常的特征值方法或所选用２的软件。便可获得各种组合结构任一阶等铲阻尼比，简单且实用，本文最后给出了一个组合悬臂结构和组合高层建筑筒体结构的实例。     

Analysis of frequency-domain vibration response of thin plate attached with viscoelastic free layer damping

To predict the vibration response of viscoelastic composite structure, two key issues need to be conducted, one is introducing the constitutive model of viscoelastic material into the analysis model and the other is describing the real damping behavior of viscoelastic composite structure. The emphasis of this study is to obtain the effects of frequency dependence on the vibration response of viscoelastic composite structure and the method of introducing two kinds of damping (viscoelastic material damping and remaining equivalent viscous damping). Vibration response analysis in frequency domain was investigated for viscoelastically damped plate. A cantilever plate attached with the ZN_1 viscoelastic free layer damping (FLD) was chosen to demonstrate the developed method. Frequency-domain response of the composite plate were solved and the obtained results were compared with the experimental values for the purpose of assessing the rationality of the proposed method. In addition, in order to obtain the effects of viscoelastic material parameters on vibration response of viscoelastic composite structure, a detailed parametric analysis was performed. This study shows that the frequency dependent characteristic of viscoelastic material has significant influence on the vibration response in the resonant region and acceptable results can be achieved in the non-resonant region if frequency dependent parameters are substituted by average values of the viscoelastic parameters reasonably in the analysis process.     

具有曲率和惯性非线性以及材料内阻的旋转复合材料轴的主共振

旋转复合材料轴作为一类典型的转子动力学系统,在先进直升机和汽车动力驱动系统中有着广阔的应用前景.研究旋转复合材料轴的非线性振动特性具有重要的理论与实用价值.然而,目前有关旋转轴的非线性振动研究仅限于各向同性金属材料轴,很少考虑材料内阻的影响.本文研究具有材料内阻的旋转非线性复合材料轴的主共振.非线性来源于不可伸长复合材料轴的大变形引起的非线性曲率和非线性惯性,材料内阻来源于复合材料的黏弹性.动力学建模计入转动惯量和陀螺效应.基于扩展的Hamilton原理,导出具有偏心激励的旋转复合材料轴的弯-弯耦合非线性振动偏微分方程组.采用Galerkin法将偏微分方程离散化为常微分方程,采用多尺度法对常微分方程进行摄动分析,导出主共振响应的解析表达式.对内阻、外阻、铺层角、长径比、铺层方式和偏心距进行数值分析,研究上述参数对旋转非线性复合材料轴的稳态受迫振动响应行为的影响.研究发现,角铺设复合材料轴的内阻系数随着铺层角的增大而增大;内阻对主共振响应特性的影响主要体现在对抑制振幅和改变频率响应的稳定性方面;发生在正进动固有频率附近的主共振响应具有典型的硬弹簧非线性特性.本文提出的模型能够用于描述旋转复合材料轴的主共振特性,是对不可伸长旋转金属轴非线性动力学模型的重要推广.     

螺栓松动边界下纤维增强复合薄板的振动测试方法

提出了基于预埋压力传感器的量化测试方法,研究了螺栓松动边界对纤维增强复合薄板振动特性的影响。首先,自主设计并开发了带有预埋压力传感器的螺栓松动边界下复合薄板的振动测试系统,并详细介绍了系统各个部件的组成和功能;然后,归纳出一套合理、规范的松动边界下复合薄板的振动测试流程,并对HF10碳纤维/树脂复合薄板进行了实际测试。结果表明:随着螺栓松动程度的不断增加,复合薄板的固有频率逐渐降低,模态振型的节线位置也发生了不同程度的变化,但其阻尼结果呈现先增大后减小的趋势;而共振和非共振响应呈现先减小后增大的趋势。     

复合纤维增强混凝土阻尼测试装置开发与试验研究

纤维与聚合物的掺入可以明显改善混凝土材料的阻尼性能。本文首先给出了正弦交变激励下粘弹性材料三点弯曲梁阻尼特性关系,其次首次自主开发了大尺寸材料的阻尼性能测试装置,然后利用开发的装置在频率(0.5~2.0Hz)条件下测定了6种不同配比复合纤维增强阻尼混凝土的损耗因子与储存模量,最后对纤维的阻尼增强机理进行了初步探讨。试验结果表明:复合纤维增强阻尼混凝土与素混凝土相比,提高了混凝土的损耗因子80%~200%。主要原因是聚合物分子在外力作用下的内耗增加了普通混凝土的阻尼能力,而纤维的阻尼增强机理在于纤维的掺入增加了纤维与水泥基材的界面摩擦力。