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热固性树脂基复合材料固化变形和残余应力数值模拟研究综述

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复合材料学报 2017年第3期34卷 471-485页

作者：丁安心李书欣倪爱清王继辉武汉理工大学理学院武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室

固化变形和残余应力给复合材料的应用带来威胁,准确的预测固化变形和残余应力可以为复合材料的结构和工艺设计提供调整依据,减小固化变形和残余应力。数值模拟方法因其简单、预测精度高而被广泛采用。本文主要介绍了复合材料固化变形和... 详细信息

固化变形和残余应力给复合材料的应用带来威胁,准确的预测固化变形和残余应力可以为复合材料的结构和工艺设计提供调整依据,减小固化变形和残余应力。数值模拟方法因其简单、预测精度高而被广泛采用。本文主要介绍了复合材料固化变形和残余应力数值模拟流程中包含的热传导-固化模块、流动压实模块和应力变形模块。重点详述了应力变形模块中本构方程和模型-构件之间相互作用力研究的最新发展,为固化变形和残余应力预测提供方向和参考。简要讨论当前复合材料固化变形和残余应力预测的主要发展方向。

关键词：残余应力固化变形数值模拟本构关系压实模具-构件相互作用力

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三维粘弹性复合材料层合板固化残余应力研究

应用力学学报 2016年第5期33卷 779-785,933页

作者：孙亮亮丁安心祖磊王继辉武汉理工大学材料科学与工程学院武汉430070

应用改进的有限元算法,综合考虑了碳纤维复合材料固化过程中树脂的化学收缩、应力松弛、材料的热收缩,建立了一个基于三维线性粘弹性的积分模型对复合材料层合板热压罐成型工艺过程中产生的残余应力进行了研究。结果表明：本文提出的方... 详细信息

应用改进的有限元算法,综合考虑了碳纤维复合材料固化过程中树脂的化学收缩、应力松弛、材料的热收缩,建立了一个基于三维线性粘弹性的积分模型对复合材料层合板热压罐成型工艺过程中产生的残余应力进行了研究。结果表明：本文提出的方法能够完整地模拟树脂的固化过程并计算层合板的固化残余应力;对于文中的正交对称层合板而言,热收缩是影响残余应力大小的主要因素;固化完成后,0°铺层内的中面中心区域层间残余应力值接近于0,边缘区域会迅速增加,容易发生分层破坏;任意点处,轴向应力比其他两个方向的应力高出1~2个数量级;残余应力值沿厚度方向有较大变化;树脂的应力松弛行为会在一定程度上降低残余应力。

关键词：聚合物基复合材料残余应力固化应力松弛三维粘弹性

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燃煤电厂用FRP烟囱安全系数的选择

复合材料学报 2013年第S1期30卷 236-239页

作者：丁安心王继辉倪爱清武汉理工大学材料科学与工程学院武汉430070

结合燃煤电厂运行工况和国内目前最常用FRP烟囱材料选择和设计,利用实际的工程测试数据和GRP liners中的相关安全系数的规定,验证FRP烟囱安全系数与材料的分散性、设计温度的具体关系。结果表明,FRP烟囱在80℃的运行温度范围内,按照GRP ... 详细信息

结合燃煤电厂运行工况和国内目前最常用FRP烟囱材料选择和设计,利用实际的工程测试数据和GRP liners中的相关安全系数的规定,验证FRP烟囱安全系数与材料的分散性、设计温度的具体关系。结果表明,FRP烟囱在80℃的运行温度范围内,按照GRP liner中规定的计算公式得到A3的取值偏高,A3取值可以适当的降低。刚度计算中,模量取平均值或按式(3)计算得到的基准值,平均值与基准值的比值在1.2附近,A1的比值为1/1.2,按两种取值得到的真实的安全系数相差不大。强度计算中,强度取平均值或按式(3)计算得到的基准值,平均值与基准值的比值在1.3附近,A1的比值为1/1.2,按基准值设计时,其真实的安全系数要大于按平均值设计的安全系数。

关键词：燃煤电厂 FRP烟囱安全系数

基于多尺度数值模型的复合材料各向异性热膨胀系数预测

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复合材料学报 2023年第2期40卷 1208-1217页

作者：万佩夏辉刘晨贾吉龙何学丁安心解放军某部南京210000 武汉理工大学材料科学与工程学院武汉430070

依据复合材料内部纤维在基体内的排布规律及层合板铺层特性,基于多尺度方法,建立单层板和层合板代表性体积单元(RVE)模型,施加相应的边界条件,预测单层板的热膨胀系数和工程常数,进而预测复合材料层合板各向异性的等效热膨胀系数。通过... 详细信息

依据复合材料内部纤维在基体内的排布规律及层合板铺层特性,基于多尺度方法,建立单层板和层合板代表性体积单元(RVE)模型,施加相应的边界条件,预测单层板的热膨胀系数和工程常数,进而预测复合材料层合板各向异性的等效热膨胀系数。通过与实验数据对比发现,基于正六边形单层板RVE模型预测的热膨胀系数,相比理论预测值,整体更接近实验值,其中预测的单向T300/5208碳纤维增强环氧树脂基复合材料、P75/934碳纤维增强环氧树脂基复合材料和C6000/Pi碳纤维增强环氧树脂基复合材料的横向热膨胀系数与实验结果的误差分别只有3%、1%和2%;采用单层板RVE预测的单向ECR/Derakane 510C玻璃纤维增强乙烯基酯树脂基复合材料的工程常数与实验值最大相差7.5%;层合板RVE模型预测的正交AS4/8552碳纤维增强环氧树脂基复合材料厚度方向的热膨胀系数与实验结果误差可以忽略,只有0.08%。最后以大型复合结构常用的正交铺层结构为研究对象,基于给出的单层板和层合板RVE模型预测了不同铺层复合材料烟道层合板的等效热膨胀系数,环向铺层比例对厚度方向的热膨胀系数影响较小。

关键词：代表性体积单元数值模拟层合板正交铺层多尺度

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吸湿老化后碳纤维增强乙烯基脂树脂复合材料高低温力学性能

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复合材料学报 2023年第6期40卷 3279-3290页

作者：魏建辉刘明高进城张裕恒丁安心武汉第二船舶设计研究所武汉430061 武汉理工大学材料科学与工程学院武汉430070 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉430070

碳纤维增强乙烯基酯树脂复合材料(CFRP)是海洋和舰船工程领域广泛应用的结构材料,在复杂海洋环境和服役工况下,材料面临湿热和极端温度的考验。本文研究了树脂和CFRP在水浴过程中的质量和形貌变化及水浴吸湿后CFRP在3种测试温度下(−30... 详细信息

碳纤维增强乙烯基酯树脂复合材料(CFRP)是海洋和舰船工程领域广泛应用的结构材料,在复杂海洋环境和服役工况下,材料面临湿热和极端温度的考验。本文研究了树脂和CFRP在水浴过程中的质量和形貌变化及水浴吸湿后CFRP在3种测试温度下(−30℃、室温和70℃)的力学性能演变。FTIR和液相色谱-质谱联用实验结果表明乙烯基酯树脂在水浴过程中发生了水解,而吸湿后CFRP的微观形貌观察表明纤维-基体界面的存在会改变树脂基体的吸湿行为。低温、高温和水浴120天后室温测试环境下,CFRP的压缩强度相比未吸湿试样的室温初始强度,分别降低了27.4%、36.2%和32.8%;而低温环境下面内剪切强度提升了35%,高温环境下降低了27%,水浴120天后提升了7%,显示温度对CFRP面内剪切强度的影响大于湿热老化。此外,动态热力学性能测试显示初始阶段的吸湿会导致CFRP储能模量和玻璃化转变温度(Tg)降低,但后期储能模量和Tg会部分恢复。

关键词：碳纤维增强树脂复合材料乙烯基树脂湿热老化水解力学性能

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基于单轴拉伸有机硅凝胶超弹性性能参数的确立及结构有限元仿真

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复合材料学报 2022年第2期39卷 823-833页

作者：俞星辰倪爱清李小阳王继辉丁安心武汉理工大学材料科学与工程学院武汉430070 中国工程物理研究院电子工程研究所绵阳621900

为了研究有机硅凝胶的超弹性性能,在-30~30℃的环境温度范围内采用单轴拉伸(UT)实验,对灌封用硅凝胶的力学性能进行表征,获得了硅凝胶在不同温度下的应力-应变曲线。研究发现,硅凝胶初始弹性模量在-30~0℃的范围内与温度正相关,在0~30... 详细信息

为了研究有机硅凝胶的超弹性性能,在-30~30℃的环境温度范围内采用单轴拉伸(UT)实验,对灌封用硅凝胶的力学性能进行表征,获得了硅凝胶在不同温度下的应力-应变曲线。研究发现,硅凝胶初始弹性模量在-30~0℃的范围内与温度正相关,在0~30℃的范围内与温度负相关。随后,据UT实验数据讨论在有限元模拟中植入超弹性本构方程(Neo Hookean、Mooney-Rivlin、Yeoh、Arruda-Boyce等)的选取策略及参数确定方法,基于优选的Neo Hookean模型建立了一个温度相关超弹性本构模型,以描述硅凝胶在较大温度范围内的应力-应变响应。然后,利用商业有限元分析软件ABAQUS提供的UHYPER子程序描述与温度相关的Neo Hookean超弹性模型,结合布拉格光纤光栅监测技术(Fiber Bragg grating,FBG),选取观测点,对典型硅凝胶灌封结构在-30~30℃高低温循环进行数值模拟和实验监测。结果表明,应变的实验测试值和数值仿真结果相差7%,验证了本文建立的超弹性本构方程的可靠性和实际应用价值。

关键词：硅凝胶超弹性高低温循环 FBG 灌封结构

机载WIDAS地表观测的BRDF原型反演算法验证

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遥感学报 2019年第4期23卷 620-629页

作者：何丹丹焦子锑董亚冬张小宁张虎丁安心北京师范大学地理科学学部遥感科学与工程研究院北京100875 遥感科学国家重点实验室北京师范大学北京100875 天津师范大学城市与环境学院天津300387

地表反照率表征地面对太阳辐射的反射能力,在地表能量平衡中起着重要的作用。2008年黑河的WATER实验中,针对机载红外广角双模式成像仪(WIDAS)观测角度小的特点,发展了一种基于MODIS二向性反射分布函数(BRDF)原型估算WIDAS反照率的算法... 详细信息

地表反照率表征地面对太阳辐射的反射能力,在地表能量平衡中起着重要的作用。2008年黑河的WATER实验中,针对机载红外广角双模式成像仪(WIDAS)观测角度小的特点,发展了一种基于MODIS二向性反射分布函数(BRDF)原型估算WIDAS反照率的算法。然而,在2012年黑河HiWATER实验中,WIDAS的观测角度范围由早期30°观测天顶角升级为最大观测天顶角52°,这一改造对数据预处理(辐射定标、大气校正和多角度配准)产生影响,使WIDAS数据出现明显的噪声,为WIDAS地表反照率的反演带来新挑战。针对新问题,采用新的地表观测数据,进一步验证了BRDF原型算法反演机载WIDAS反照率的能力。为了获取准实时BRDF先验知识,基于核驱动模型和各向异性平整指数(AFX)首先准实时提取了实验区5种MODIS的BRDF原型;然后,将其作为先验知识应用到黑河WIDAS机载数据的反照率反演中;最后,利用实验区的反照率实测数据进行算法验证。本研究比较了3个算法处理该问题的能力:(1)基于BRDF原型作为先验知识的算法;(2)完全基于核驱动的全反演算法;(3)基于朗伯假设的方法,通过算法对比分析,可更好地分析验证算法(1)的性能。结果表明:(1)BRDF原型算法反演精度最高且稳定,尤其是当观测数据位于垂直主平面时,全反演算法由于缺少大角度观测数据的约束,更容易出现异常值;BRDF原型算法的最大绝对误差为0.034,相对于全反演算法和朗伯假设方法精度分别提高了约18%和71%;(2)针对2012年黑河机载WIDAS观测噪声较大的新问题,BRDF原型反演算法表现出了良好的抗噪声性能。通过对WIDAS反照率反演和验证进一步表明,在多角度观测数据信息量不足以进行全反演,且观测受噪声影响较大时,BRDF原型作为先验知识,提供了一种有效解决该问题的手段,对提高反照率反演的精度、增强反演的稳定性有重要作用。

关键词：遥感黑河 MODIS 机载WIDAS 核驱动模型 AFX BRDF原型地表反照率

聚氨酯上浆剂处理PBO纤维复合材料的界面性能

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材料工程 2024年第4期52卷 155-163页

作者：蒋磊徐任信吴书广刘国权丁安心陈杨武汉理工大学材料科学与工程学院武汉430070 宜昌测试技术研究所湖北宜昌443003 河南省特种防护材料重点实验室河南洛阳471023

为了提高聚对苯撑苯并二噁唑(poly-p-phenylenebenzobisoxazole,PBO)纤维/环氧树脂复合材料的界面性能,采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)改性水性聚氨酯得到上浆剂,然后对酸化后的PBO纤维进行表面涂覆处理。采用XPS和EDS分析PBO纤维表... 详细信息

为了提高聚对苯撑苯并二噁唑(poly-p-phenylenebenzobisoxazole,PBO)纤维/环氧树脂复合材料的界面性能,采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)改性水性聚氨酯得到上浆剂,然后对酸化后的PBO纤维进行表面涂覆处理。采用XPS和EDS分析PBO纤维表面的化学组成,利用SEM研究PBO纤维表面及其复合材料撕裂面的形貌,并对PBO纤维的单丝及复合材料的力学性能进行分析。结果表明:经过上浆剂包覆的PBO纤维表面活性基团明显增多,表面O/C(原子比)由0.16提升至0.25,上浆剂能有效修复纤维表面的缺陷;通过调控纤维表面上浆剂含量和结构,可使PBO纤维/环氧树脂单向复合材料的层间剪切强度提高到41.3 MPa,拉伸强度增加到1.70 GPa,相较于未处理的复合材料分别提高了44.9%和15.6%。

关键词： PBO纤维水性聚氨酯上浆剂界面性能剪切强度

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环氧树脂灌封结构固化行为数值模拟和工艺优化

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复合材料学报 2021年第9期38卷 2907-2917页

作者：李小阳康峻铭朱子钊杨鹏王继辉丁安心中国工程物理研究院电子工程研究所绵阳621900 武汉理工大学材料科学与工程学院武汉430070

依据实验测试获得E51环氧树脂的固化动力学和力学性能参数,针对特定尺寸的E51树脂灌封结构,将数值模拟与实验方法相结合,优化树脂的常温固化工艺为"二阶段"中高温固化工艺。首先采用数值模拟方法,分别比较第一段保温平台和第二段保温平... 详细信息

依据实验测试获得E51环氧树脂的固化动力学和力学性能参数,针对特定尺寸的E51树脂灌封结构,将数值模拟与实验方法相结合,优化树脂的常温固化工艺为"二阶段"中高温固化工艺。首先采用数值模拟方法,分别比较第一段保温平台和第二段保温平台不同温度幅值和固化时间对结构内部的温度、固化度和应变的影响,优选固化工艺参数;然后基于光纤布拉格光栅(FBG)监测技术,对优选和原始固化工艺曲线的结构内部的固化温度和应变进行实时在线监测,结果表明了数值模拟的可行性,显示了通过数值仿真优选固化工艺曲线的可靠性;最后实验测试比较优选工艺和原始工艺曲线下制造的E51树脂浇注体性能,结果显示优选工艺制造的树脂浇注体的拉伸强度、压缩屈服强度、弯曲强度和冲击强度相比原始工艺制作的试样分别提高了3.9%、1.5%、14.5%和16.2%。

关键词：固化应力数值模拟灌封结构固化工艺固化环氧树脂光纤布拉格光栅