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基于固化变形分析优化设计抛物面反射器模具

复合材料科学与工程 2024年

作者：王富强牛雪娟天津工业大学机械工程学院天津市现代机电装备技术重点实验室

针对固化成型中模具与结构件CTE不匹配导致的固化变形，采用真空导流工艺制备碳纤维织物增强复合材料模具并采用顺序热力耦合的分析方法，分析多种材质的模具对构件固化成型精度的影响。针对复合材料模具易变形的缺陷，借助HyperMesh软... 详细信息

针对固化成型中模具与结构件CTE不匹配导致的固化变形，采用真空导流工艺制备碳纤维织物增强复合材料模具并采用顺序热力耦合的分析方法，分析多种材质的模具对构件固化成型精度的影响。针对复合材料模具易变形的缺陷，借助HyperMesh软件设计模具肋板支撑结构并对肋板位置及厚度进行优化设计。研究结果表明：模具材质为复合材料时，模具构件热传导系数差异不明显，构件各处的温度分布较为均匀。相较于金属模具钢，模具材质为复合材料时，构件的位移变形量减少了30%，Z向位移减少了46%。对比无肋板支撑的复合材料模具，旋转抛物面的位移变形量减少了13%，Z向位移基本保持一致。

关键词：固化变形复合材料模具优化设计顺序热力耦合

气流展纤工艺中不同压差和送丝速度对碳纤维展宽的影响

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宇航材料工艺 2023年第4期53卷 97-102页

作者：牛雪娟徐妍慧天津工业大学机械工程学院天津300387 天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387

为探究气流展纤工艺中不同出口压差和送丝速度对碳纤维丝束展宽效果的影响,依据Venturi原理,搭建气流展纤试验平台,并记录大丝束碳纤维展宽过程,计算不同工艺参数下碳纤维丝束在不同阶段的展宽率和展宽均匀程度。研究结果表明:通过搭建... 详细信息

为探究气流展纤工艺中不同出口压差和送丝速度对碳纤维丝束展宽效果的影响,依据Venturi原理,搭建气流展纤试验平台,并记录大丝束碳纤维展宽过程,计算不同工艺参数下碳纤维丝束在不同阶段的展宽率和展宽均匀程度。研究结果表明:通过搭建的气流展纤试验台,能获得展宽率高于400%,展宽均匀程度在90%以上的碳纤维丝束,得到的碳纤维丝束的展宽率与出口压差呈正相关,与送丝速度呈负相关;碳纤维丝束的展宽均匀程度与出口压差呈负相关,与送丝速度呈正相关。

关键词：气流展纤碳纤维束气压差送丝速度

变刚度CFRP层合板在低速冲击下的分层失效分析

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固体火箭技术 2022年第3期45卷 431-437页

作者：牛雪娟李辰阳刘江雨天津工业大学机械工程学院天津300387 天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387

通过窄带曲线铺放技术制备获得变刚度复合材料层合板结构件,不仅可大大增加结构件设计优化的自由度,还可以改善其机械特性。开发了基于三维Hashin失效准则的VUMAT用户子程序,分析变刚度复合材料层合板在低速冲击工况下的渐进损伤行为。... 详细信息

通过窄带曲线铺放技术制备获得变刚度复合材料层合板结构件,不仅可大大增加结构件设计优化的自由度,还可以改善其机械特性。开发了基于三维Hashin失效准则的VUMAT用户子程序,分析变刚度复合材料层合板在低速冲击工况下的渐进损伤行为。以CFRP常刚度层合板和七组不同变刚度铺层百分比的层合板为研究对象,研究变刚度碳纤维复合材料层合板在低速冲击载荷下的力学响应特性,以分层损伤面积和能量吸收为指征进行对比分析。变刚度铺层百分比为50%的层合板单层损伤面积相比常刚度层合板减少了2.57%,且层合板底层没有出现分层损伤的完全失效情况。研究结果表明,合理的变刚度铺层可以提升层合板的抗弯刚度,并使层合板在低速冲击载荷下吸收能量更少,提高了抗分层损伤性能。

关键词：复合材料层合板低速冲击分层损伤变刚度铺层

不同流通间隙排布条件下碳纤维束展纤行为研究

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纺织学报 2022年第6期43卷 165-170页

作者：牛雪娟徐妍慧天津工业大学机械工程学院天津300387 天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387

为探究不同流通间隙排布条件下气流展纤器内部流场的分布规律及流场内碳纤维束的受力情况,采用离散单元法,将碳纤维离散为纤维微元,对流场中数千纤维微元的扩散特性进行建模。通过将纤维微元所受各力与流体阻力进行量级比较,最终得到纤... 详细信息

为探究不同流通间隙排布条件下气流展纤器内部流场的分布规律及流场内碳纤维束的受力情况,采用离散单元法,将碳纤维离散为纤维微元,对流场中数千纤维微元的扩散特性进行建模。通过将纤维微元所受各力与流体阻力进行量级比较,最终得到纤维微元运动方程。结合展纤工艺设置相应边界条件,利用COMSOL对流体-纤维微元间的相互作用进行数值模拟,研究流通间隙位置对碳纤维束的运动特性的影响。结果表明,随着流通间隙间距离的增大,流场中促使纤维展宽区域的长度增长,有利于纤维持续受力展开。随着最右流通间隙到纤维出口的距离逐渐减小,阻碍纤维展宽区域的长度减小,有利于纤维束的展宽。

关键词：纤维微元运动碳纤维丝束流固耦合有限元仿真展纤器

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偏置抛物面卫星天线反射器固化变形分析

宇航材料工艺 2022年第6期52卷 65-70页

作者：牛雪娟刘江雨李辰阳天津工业大学机械工程学院天津300387 天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387

偏置抛物面卫星天线反射器由碳纤维预浸料铺制而成,在固化过程中通常会出现热变形、固化收缩变形及机械变形等,且过大的变形会导致反射器反射信号产生偏差。为了有效预测天线反射器在热压罐固化过程中的变形,本文采用线性黏弹性本构模... 详细信息

偏置抛物面卫星天线反射器由碳纤维预浸料铺制而成,在固化过程中通常会出现热变形、固化收缩变形及机械变形等,且过大的变形会导致反射器反射信号产生偏差。为了有效预测天线反射器在热压罐固化过程中的变形,本文采用线性黏弹性本构模型表征纤维增强复合材料在固化过程中的应力-应变关系。采用顺序热-力耦合分析法,对天线反射器内部温度场、固化度场及位移场的分布进行建模,并对铺层结构及降温速率对天线反射器变形的影响开展研究。结果表明:相较于纯0°铺层结构,正交和准各向同性铺层天线反射器z向变形量减小了51%以上,且降低降温速率有助于提高天线反射器的固化型面变形。

关键词：天线反射器碳纤维预浸料固化变形顺序热-力耦合

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基于流场函数的变刚度层合板铺放设计

固体火箭技术 2014年第6期37卷 848-855页

作者：牛雪娟杨涛杜宇天津工业大学机械工程学院天津300387 天津市现代机电装备重点实验室天津300387

文章提出了一种新的变刚度铺层轨迹设计方法,即采用一对互相共轭的标量场函数实现复合材料变刚度铺层的轨迹定义和铺层设计。最后,通过有限元建模和算例对比方法,对直线铺放层合板和变刚度铺放层合板进行压缩特征值屈曲分析和非线性屈... 详细信息

文章提出了一种新的变刚度铺层轨迹设计方法,即采用一对互相共轭的标量场函数实现复合材料变刚度铺层的轨迹定义和铺层设计。最后,通过有限元建模和算例对比方法,对直线铺放层合板和变刚度铺放层合板进行压缩特征值屈曲分析和非线性屈曲分析,得出变刚度铺放层合板的屈曲特性比直线铺放层合构件提高约23.62%,y方向的屈曲变形位移减小为直线铺层构件的59.47%,大幅度提高了构件的抗压缩屈曲特性,同时也验证了该设计方法的可行性和实用价值。

关键词：变刚度铺放标量场函数正交铺层压缩屈曲分析

基于模态柔度的复合材料梁层间损伤识别试验研究

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固体火箭技术 2015年第4期38卷 585-590页

作者：杨涛于湛卉牛雪娟杜宇天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387 天津工业大学机械工程学院天津300387

利用复合材料梁的模态柔度曲率改变率(MFCI)来探讨复合材料无损检测方法。采用锤击法测量计算出复合材料梁的前三阶固有频率和加速度幅值,并采用频谱转换法将加速度幅值转换成振型位移幅值,计算出复合材料梁的模态柔度曲率改变率(MFCI)... 详细信息

利用复合材料梁的模态柔度曲率改变率(MFCI)来探讨复合材料无损检测方法。采用锤击法测量计算出复合材料梁的前三阶固有频率和加速度幅值,并采用频谱转换法将加速度幅值转换成振型位移幅值,计算出复合材料梁的模态柔度曲率改变率(MFCI)值,进而检测出复合材料梁的损伤位置。以损伤的大小、位置、层为要素制作了4组不同工况的对比试件。实验结果表明,损伤单元MFCI的值5.200 6明显高于各无损伤单元MFCI的平均值0.720 5,并且它所对应的横坐标的值反映出损伤位置,发生突变单元的间距反映出损伤的大小;3个不同层上损伤MFCI的值分别为5.200 6、5.982 8、6.883 0,可间接反映出损伤发生在不同的层间位置上。多损伤的情况下,损伤MFCI的平均值为1.192也能识别出损伤位置,但比单损伤MFCI的平均值5.294小很多,说明复合多损伤互相干扰,消弱了损伤识别的效率。通过实验证明了模态柔度曲率改变率法对判断复合材料梁的层间损伤有显著效果。

关键词：复合材料梁层间损伤模态柔度曲率改变率试验研究

炭纤维层合板和铝合金板阶梯形胶接接头拉伸失效实验

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固体火箭技术 2018年第4期41卷 503-508页

作者：杜宇杨涛牛雪娟天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387 天津工业大学机械工程学院天津300387

对炭纤维层合板和铝合金板阶梯形胶接接头的拉伸失效损伤进行了实验研究,分析了搭接长度、粘接体厚度、胶层缺陷、层合板铺层方式对失效载荷、接头强度和失效模式的影响。实验结果表明,失效载荷随着搭接长度的增加而增大,接头强度随着... 详细信息

对炭纤维层合板和铝合金板阶梯形胶接接头的拉伸失效损伤进行了实验研究,分析了搭接长度、粘接体厚度、胶层缺陷、层合板铺层方式对失效载荷、接头强度和失效模式的影响。实验结果表明,失效载荷随着搭接长度的增加而增大,接头强度随着搭接长度的增加而减小;粘接体厚度增大2倍时,接头强度与粘接体厚度并不成正比关系。在胶层内设置微小缺陷对接头强度影响较小,随着搭接长度的增加,影响变得越来越小;增加层合板单向纤维的铺层数,可提高接头的失效载荷和接头强度;各类型试件主要的失效模式为分层失效,有时并伴随有胶层失效和纤维撕裂现象。

关键词：阶梯形胶接失效载荷强度实验

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铺层结构对复合材料层合板固有频率的影响

固体火箭技术 2019年第6期42卷 686-691页

作者：牛雪娟张准杨涛天津工业大学机械工程学院天津300387 天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387

搭建四角简支的复合材料层合板的模态振动实验平台。使用锤击单点激励法获取层合板不同测点位处的频响函数;利用DHDAS动态信号分析系统测得不同铺层结构复合材料层合板的前三阶固有频率,及对应的振型;进一步分析铺层结构对复合材料层合... 详细信息

搭建四角简支的复合材料层合板的模态振动实验平台。使用锤击单点激励法获取层合板不同测点位处的频响函数;利用DHDAS动态信号分析系统测得不同铺层结构复合材料层合板的前三阶固有频率,及对应的振型;进一步分析铺层结构对复合材料层合板的振动特性的影响。结果表明,改变测点位置对层合板整体的固有频率影响较小;复合材料层合板的铺层结构对固有频率有很大影响;[0°/90°/±45°]s4铺层结构的层合板的抗冲击性最强、结构整体的刚度最高。

关键词：复合材料层合板振动模态分析模态振型固有频率铺层结构