基于仿真方法的CFRP复合材料孔隙率与超声衰减系数的关系

为从超声衰减机制角度解释碳纤维增强树脂基（CFRP）复合材料孔隙率P与超声衰减系数α之间呈非唯一对应关系的原因,针对厚度为2 mm的热压罐成型单向CFRP层板,建立了具有不同孔隙尺寸的CFRP模型（P=0.5%~3.5%）,并采用数值计算方法得到衰减系数α值。当孔隙横向尺寸D=56 μm,即归一化波数kD=2π D/λ <1（超声波波长λ ≈560 μm）时,α随P增大而缓慢线性增加;当D=93 μm（kD ≈ 1）时,α随P增大呈对数增长。仿真结果表明,超声波在含孔隙CFRP中传播时,随着归一化波数的不同,超声波衰减可能包括瑞利散射和随机散射两种机制,孔隙形貌的随机复杂性导致CFRP孔隙率与超声衰减系数之间呈现非唯一对应关系。     

砂浆中邻近集料表面最近间距分布的数值模拟

采用具有粒子动态混合密实功能的SPACE 系统, 实现了高集料体积分数模型砂浆结构的生成。从而, 以3 种细集料粒径分布的模型砂浆(其中一种的粒径范围为0.125～1.34 mm , 另外两种的粒径范围为0.25～5.00 mm) 结构为例, 研究了集料细度和集料体积分数(φ= 40 %～70 %) 对邻近集料表面最近间距分布的影响。结果表明, 集料细度增加和集料体积分数增大都会使大尺度邻近集料表面最近间距出现的概率减小、小尺度邻近集料表面最近间距出现的概率增加, 且峰值概率的位置向小间距方向偏移。另外, 邻近集料表面最近间距的分区段累计概率结果分析表明, 3 种模型砂浆结构的邻近集料表面最近间距分布的57 %以上小于10μm。最后, 邻近集料表面最近间距的平均值的分析结果显示, 当集料体积分数在40 %～70 %之间变化时, 邻近集料表面最近间距的平均值在54.6～1.1μm 之间变化; 当砂浆中集料的体积分数在50 %～70 %之间变化时, 邻近集料表面最近间距的平均值与集料的体积分数基本上呈线性关系; 单位砂浆体积下集料的表面积的变化对邻近集料表面最近间距的平均值有影响, 但二者之间的比值并非常数。     

近平板圆柱涡激振动风洞试验研究EI北大核心CSCD

此次研究对水平板附近低质量比(m*=43.6)圆柱的涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)问题开展了风洞试验,其中圆柱与平板的间隙范围为0≤S/D≤2.5。结果表明:当S/D=0时,随着约化速度U*的增加,圆柱始终保持静止;当0相似文献   

激光选区熔化成形原位自生TiB2/Al-Si复合材料的微观组织和力学性能

利用激光选区熔化（SLM）技术制备了原位自生TiB₂纳米陶瓷颗粒增强Al-Si基复合材料,并对成形后的TiB₂/Al-Si复合材料进行不同的热处理。通过XRD物相分析、SEM微观组织观察、电子背散射衍射（EBSD）、EDS元素扫描分析和力学拉伸试验等对TiB₂/Al-Si复合材料的微观组织进行观察和力学性能测试。研究表明,在原位自生TiB₂纳米陶瓷颗粒和SLM快速凝固特性的共同作用下,SLM成形的原位自生TiB₂/Al-Si复合材料具有超细晶结构,平均晶粒尺寸为1.1 μm;TiB₂/Al-Si复合材料的力学性能优异,屈服强度为262 MPa,抗拉强度为435 MPa,延伸率为11.88%。对比经不同热处理的TiB₂/Al-Si复合材料,直接时效处理（150℃/12 h）的TiB₂/Al-Si复合材料性能最优,抗拉强度达到488 MPa,提高了53 MPa,延伸率降低至7.2%。     

面向CFRP损伤检测的改进L1正则化EIT方法

由于碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)具有导电特性,因此可利用电阻抗层析成像(electrical impedance tomography, EIT)技术实现结构损伤检测。考虑EIT电极位置、数量有限以及电场软场特性的影响,其灵敏度矩阵呈现非均匀分布特征,导致场域内不同位置成像效果差别较大。该研究基于传统L1正则化的边缘锐化特性,提出了一种改进L1正则化方法。该方法通过分析损伤重建电导率分布规律,发现其在各邻域梯度分布的特征,并利用此特征保留L1正则化可能滤除的有效数据,在保证重建图像锐利边缘的同时,改善了不均匀灵敏度分布导致的区域成像精度差别。为验证所提出方法的有效性,仿真中设计了不同类型、不同相对位置的损伤模型,并且通过搭建的16电极EIT测试系统对损伤CFRP样品进行测试。仿真和试验结果表明,改进后的L1正则化方法不仅能重建更多位置上的损伤图像,而且不同程度地提高了各类损伤重建图像的精度。     

段塞流作用下海底悬跨管道涡激振动特性分析

对海底悬跨管道在段塞流和涡激振动(VIV)耦合作用下的动力响应进行了数值模拟。基于向量式有限元(VFIFE)法考虑内部段塞流动,结合尾流振子模型建立了海底悬跨管道涡激振动分析模型,研究了不同Taylor气泡或液塞平移速度(v_T=3～5 m/s)、不同液塞长度(L_S=15D～45D)下悬跨管道的横向振动特性。结果表明：海底悬跨管道涡激振动的锁振区间受段塞流作用的影响有向后延展的趋势;Taylor气泡平移速度的增加、液塞长度的减小会显著增加锁振区间;液塞长度的增长将会增大管道振动响应幅值。     

以冰晶体为模板制备蒙脱石质介孔材料及表征

探索了以冰晶体为模板制备钠基蒙脱石质(Na-MMT)介孔材料的可行性. 当蒙脱石(MMT)微凝胶分散液的浓度控制在1.8%~2.1%范围, MMT微粒在0.15~0.60μm之间时, 冻干后的MMT微粒呈层状分布, 且具有宏观层状组装纹理. MMT多孔结构体系中存在着介孔结构, 介孔孔径主要分布在35~45nm, 介孔孔隙呈现出楔形特征. 其晶胞层间距d(001)由1.238nm 增至1.901nm, 比表面积由原始的16.5m²/g增至213.6m²/g.     

大批量微细刀具HFCVD涂层制备的温度场仿真与试验分析

采用热丝化学气相沉积法制备金刚石涂层微细刀具的过程中,刀具表面温度场分布的均匀性与稳定性对金刚石涂层的质量具有决定性的作用。本文采用有限容积法,对微细刀具表面沉积金刚石涂层过程中的温度场分布进行了仿真研究,采用Taguchi正交试验法考察了热丝直径d、热丝高度H、热丝间距D以及热丝长度L对温度场均匀性的影响,并获得了最优参数组合,即d=0.65mm,H=12mm,D=27mm以及L=160mm。对比仿真与实际测温试验结果,发现两者之间的偏差不超过4%,验证了仿真模型具有较高精度。采用仿真获得最优参数进行的沉积实验结果表明,放置在沉积区域不同位置的微细刀具表面均被涂覆了一层厚度均匀、组织结构良好的金刚石涂层,从而验证仿真结果的正确性。     

碳纤维束铆钉锚固下CFRP布加固梁的力学性能

粘贴碳纤维布(CFRP)加固梁时,通常需对其进行锚固,避免发生因CFRP布过早剥离而无法充分利用其抗拉强度。但当梁施工空间较小,梁侧面形状不规则时,CFRP布锚固较困难,采用新型碳纤维束铆钉锚固的方式能够很好地解决这一弊端。本文通过对四组不同锚固方式下的CFRP布加固梁进行四点受弯承载力试验,对比分析加载过程中各梁的力学性能和破坏规律,研究表明碳纤维束铆钉锚固下CFRP布加固梁强度和刚度都有显著增强。进一步对碳纤维束铆钉锚固方法优化,得到最佳碳纤维束铆钉锚固深度约为80mm,最佳锚固间距约为200mm。     

聚酰亚胺/二氧化钛纳米复合薄膜制备与耐电晕性

采用原位聚合法制备不同TiO₂组分聚酰亚胺(PI)/纳米TiO₂复合薄膜, 薄膜厚度50μm。 测试结果表明, TiO₂呈球状颗粒, 直径约为100 nm, 聚酰亚胺呈片状, 尺寸约为2μm×1μm。随着TiO₂含量的增加, 复合薄膜介电常数和介电损耗增大, 击穿场强先增加后降低; 在40 kV/mm电场强度下, 复合薄膜耐电晕老化寿命增加, 纯PI薄膜寿命为3 h, 20wt%TiO₂含量薄膜寿命达到25 h; TiO₂颗粒耐电晕能力强, 与聚合物形成界面相, 改变材料陷阱能级, 有利于空间电荷的扩散和热量的传输, 在薄膜表面形成放电阻挡层, 降低局部放电对薄膜内部的侵蚀, 显著提高薄膜耐电晕老化寿命。     

Microscopic observation of voids and transverse crack initiation in CFRP laminates

In situ three-point bending tests under observation using scanning electron microscopy were performed for specimens including voids to investigate the effect of voids on transverse crack initiation in carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) laminates. First, initial failure load (i.e. applied load at the first transverse crack initiation) was investigated. Microscopic strain distributions were then measured by digital image correlation analysis using SEM pictures taken before and during loading in the in situ tests. In addition, specimens including voids and transverse cracks after the in situ tests were observed using X-ray computed tomography to clarify transverse crack onset locations with respect to void shapes and distributions. These experiment results suggested that voids actually caused strain concentration and corresponding local plastic deformation, and finally resulted in reduction of macroscopic initial failure strains in CFRP laminates.     

CFRP复合材料孔隙形貌特征的统计分析

采用光学显微镜观察和统计分析的方法研究了孔隙率(P)在0.03%～4.96%范围内的16组碳纤维增强树脂(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)复合材料中孔隙的平均长度、平均宽度及平均宽长比等参数的变化规律。结果表明:CFRP复合材料的孔隙形貌在整体上呈现统计特性,当孔隙率0.03%≤P0.5%时,孔隙截面接近圆形,孔隙平均长度和平均宽度分别为10～50μm和10～30μm,平均宽长比为0.5～0.8;当孔隙率0.5%≤P3.0%时,孔隙截面逐渐趋向于椭圆形,孔隙平均长度和平均宽度分别为50～70μm和20～30μm,平均宽长比为0.5～0.6;当孔隙率3.0%≤P≤4.96%时,大多数孔隙截面呈现长条形,孔隙平均长度和平均宽度分别为50～100μm和30～40μm,平均宽长比0.35～0.5;同时,CFRP复合材料的孔隙形貌也具有随机特性,不同孔隙率试样之间和同一试样不同部位之间,其孔隙形状、尺寸及分布都可能存在明显差异。     

考虑孔隙缺陷的CFRP微观切削仿真与实验研究

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在航空航天等领域应用广泛。在CFRP制造过程中难以避免会产生孔隙等缺陷,对后续的切削加工造成一定影响。在考虑了CFRP成型过程形成的孔隙缺陷基础上,运用有限元仿真模拟方法,从纤维-树脂-界面尺度建立了含孔隙缺陷的CFRP微观切削仿真模型,研究了不同孔隙率条件下不同纤维排布方向的CFRP微观切削行为,并通过实验验证了仿真模型的正确性。研究结果表明:孔隙的存在会增加刀具的“空切”现象,从而对CFRP切削过程的切削力、材料破坏及亚表面损伤、材料能量等产生影响。随孔隙率的增加,切削力呈下降趋势,孔隙边缘的纤维产生整体断裂的倾向增加;孔隙对0°、45°和135°纤维排布方向的CFRP切削加工的面下损伤影响不大,在纤维排布方向为90°条件下,孔隙率高于3vol%时对加工表面的面下损伤具有较大影响;在材料内部能量耗散方面,“顺切”(纤维方向角小于90°)时的总耗散能低于“逆切”,随孔隙率增加,总耗散能降低。      

基于临界折射纵波递归定量分析的纯铁疲劳损伤无损评价EI北大核心CSCD

利用超声检测技术无损评价金属材料的疲劳损伤程度,是保证高性能零部件承载性能和服役可靠性的重要手段。以工业纯铁低周疲劳损伤为研究对象,提出将临界折射纵波(critically refracted longitudinal,L_(CR))与递归定量分析相结合的无损评价方法。结果表明:拉-压加载过程中表现为循环硬化,随加载周次增加至1000周次,L_(CR)波幅值及对应归一化幅值差A_(dif)整体呈单调变化,5 MHz检测频率的灵敏度高于2.25 MHz。进一步对L_(CR)波进行递归定量分析,递归图随疲劳损伤发展变化明显,提取归一化递归度差RR_(dif)作为损伤指标,较时域、频域和时频域最大幅值等指标的灵敏度显著提升,增加幅度最大可达44%,为早期疲劳损伤的无损评价提供了新手段。     

Experimental investigation of bond characteristics between CFRP fabrics and steel plate joints under impact tensile loads

In recent years, the use of adhesively-bonded fibre-reinforced composite materials has attracted widespread attention as a viable alternative for the retrofitting of civil infrastructure such as buildings and bridges. This has been particularly the case for concrete structures. The retrofitting of metallic bridges and buildings with FRP materials, however, is still in its early stages. In real life, these structures are subjected to dynamic loads. Therefore, it is necessary to understand the bond behaviour between steel and the strengthening materials for both static and dynamic loads. To examine the bond between steel plates and carbon fibre-reinforced polymers (CFRP) fabrics, this paper describes the experimental procedures and results of double strap steel joints loaded at different loading rates (2 mm/min, 3.35, 4.43 and 5 m/s). In this test program, ultimate load-carrying capacity, effective bond length, failure mechanism and strain distribution were examined for all loading rates. Different numbers of CFRP layers with different bond lengths were investigated. Experimental findings reveal that the maximum improvement in joint capacity occurs at a rate of 3.35 m/s. It was observed that the effective bond length is insensitive to loading rate for both joints. The failure modes and strain distributions, however, exhibit little difference between static and dynamic conditions.     

The effects of flaws and voids on the shear properties of CFRP

The shear properties of solid CFRP rods and tubes containing flaws and voids have been studied. The behaviour of tubes containing flaws parallel to the long axis can be described in terms of fracture mechanics, observed differences in critical flaw length between specimens being due to differing material properties. A qualitative theoretical explanation of the critical flaw length is given. The effect of flaws perpendicular to the long axis is dependent on the geometry of the specimen. Solids rods are not particularly sensitive to flaws. Voids reduce shear properties steadily until, at 5 vol % voids, values are only 30% of those for void-free CFRP. Previous theoretical treatments are not successful because the real void size and spatial distributions are unlike those assumed. It is suggested that fracture mechanics cannot be used to analyse the shear properties of materials containing voids.     

环氧复合材料层板热压成型孔隙缺陷影响因素

针对玻璃纤维/环氧复合材料, 采用真空袋和热压机工艺, 研究了层板中孔隙含量、 形态及其分布规律, 考察了成型温度、 工艺压力、 预浸料吸湿量、 铺层方式等因素对孔隙缺陷的影响, 并应用Kardos气泡模型对实验结果进行了理论分析。结果表明: 孔隙缺陷的主要影响因素随工艺方法而变化, 单向层板中孔隙率的分布规律有着很好的一致性; 同时Kardos气泡模型可用于判断孔隙缺陷的形成状况。      

碳纤维无纺布对CFRP层板层间的增韧作用及机制

为了揭示短纤维无纺布对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层板层间韧性的影响规律,测试了不同面密度(1.95、3.90、7.80和15.60 mg/cm2)和不同纤维平均长度(0.8 mm和4.3 mm)的碳纤维无纺布增韧的CFRP层板I型层间断裂韧性。实验结果表明:对于不同短纤维增韧的CFRP层板,平均长度为0.8mm的短纤维增韧效果优于平均长度为4.3mm的短纤维,并且面密度为7.8mg/cm2、厚度约为150μm、平均长度为0.8mm的碳纤维无纺布显著提高了CFRP层板的层间断裂韧性,与未改性的CFRP层板相比,其能量释放率最大可提高99%。光学显微镜观察结果表明环氧基体中长度为0.8mm的短纤维具有三维交织结构,该结构可以有效地阻止裂纹的扩展;SEM观察结果表明短纤维从环氧基体中的脱粘和拔出以及短纤维周围环氧基体的塑性变形是CFRP层板的主要增韧机制。研究结论为层板短纤维增韧技术的应用奠定了基础。     

孔隙对碳纤维增强环氧树脂复合材料超声衰减系数及压缩性能的影响

孔隙对碳纤维增强环氧树脂（CF/EP）复合材料的力学性能和破坏模式有显著的影响,因此需要建立准确的孔隙率无损检测评估方法,并基于所评估的孔隙率提高CF/EP复合材料压缩性能预测的可靠性。本文主要研究了孔隙对CF/EP复合材料的超声衰减系数和压缩性能的影响,通过降低固化压力至0.7~0.2 MPa和延长预浸料室温贮存时间至30~180天的方法,制备了不同孔隙率的CF/EP复合材料层压板,通过金相验证其孔隙率在0%~3.0%之间,孔隙类型主要为层中孔隙和层间孔隙。通过理论和试验的方法,基于超声反射法建立了孔隙率与超声衰减系数的关系曲线,由孔隙引起超声衰减系数为α_v=1.08P_v2(P_v为孔隙率),与前人基于超声穿透法所得的超声衰减系数α_v=0.61P_v2较好地符合2倍声程的关系。对不同孔隙率的CF/EP复合材料层压板进行压缩测试实验,特别考虑了贴片和加载方向对测试结果的影响。从细观角度研究了含孔隙的CF/EP复合材料层压板的压缩破坏模式。结果表明:CF/EP复合材料层压板的压缩强度随孔隙率增加而下降,孔隙率增加至2.5%时,压缩强度下降13.7%,孔隙细观特征影响压缩破坏的形式,主要原因是孔隙诱发微裂纹的萌生和扩展,削弱了纤维与树脂间的结合力并引发纤维微屈曲。