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推进技术 2024年

作者：朱爱玲李洋屠泽灿叶大海毛军逵常焜南京航空航天大学材料科学与技术学院中国航发湖南动力机械研究所中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室南京航空航天大学能源与动力学院

针对陶瓷基复合材料（CMC材料）在航空发动机高温部件中应用时的冷却需求，考虑到CMC材料内部非均质非均匀结构和热物性特征与均质金属材料的巨大差异，探究了CMC材料编织结构几何参数对气膜综合冷却效果的影响，研究中以三维五向编织CM... 详细信息

针对陶瓷基复合材料（CMC材料）在航空发动机高温部件中应用时的冷却需求，考虑到CMC材料内部非均质非均匀结构和热物性特征与均质金属材料的巨大差异，探究了CMC材料编织结构几何参数对气膜综合冷却效果的影响，研究中以三维五向编织CMC材料为例，建立了反映材料内部细观编织结构的平板气膜全尺寸计算模型，从细观纱线尺度引入各组分热物性参数，计算分析了不同编织角度和纤维束截面尺寸等几何特征参数对气膜综合冷效的影响规律。研究结果表明，纤维束由于导热系数相对较高成为平板内部的主要热量传输通道，编织角发生变化时纤维束方向也随之改变，进而影响材料内部热量传输通道及整体各向异性等效导热系数。本文计算工况下，在气膜孔下游0-10D（D为气膜孔直径）区域，编织角度为40°时气膜综合冷效相对较高；在远离气膜孔区域，气膜板的冷却效果随着编织角度的增大而减弱。纤维束截面尺寸的改变对气膜综合冷效的影响较小，但是随着纤维束截面尺寸的增加，平板内部温度更加均匀。

关键词：陶瓷基复合材料编织角度截面尺寸气膜冷却各向异性导热系数

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基于FEM的编织角对碳纤维圆管拉伸性能影响研究

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复合材料科学与工程 2022年第9期 28-34页

作者：李德宝朱锐祥祖磊陈世军张骞张桂明吴乔国合肥工业大学机械工程学院合肥230009 合肥工业大学土木与水利工程学院合肥230009

本文在细观力学的基础上,建立有限元模型,以预测编织单胞的拉伸模量。首先,采用参数化建模建立二维三轴编织结构模型,并与实际样件比较,研究了编织角对编织圆管单层厚度和纤维含量的影响。结果表明,在同种建模方法下,随着编织角度逐渐增... 详细信息

本文在细观力学的基础上,建立有限元模型,以预测编织单胞的拉伸模量。首先,采用参数化建模建立二维三轴编织结构模型,并与实际样件比较,研究了编织角对编织圆管单层厚度和纤维含量的影响。结果表明,在同种建模方法下,随着编织角度逐渐增大,纤维体积含量呈现先增后趋于稳定的趋势,单层厚度出现变薄的现象,且纤维挤压堆积得以减轻。然后,通过有限元模拟,预测出单胞的应力应变和模量值;经对比,该预测结果与实验结果吻合。最后,采用东丽T700碳纤维和环氧树脂编织成二维三轴圆管,根据GB/5349标准进行了复合材料二维三轴编织圆管的轴向拉伸实验,研究了不同编织角度对二维三轴编织复合材料圆管轴向拉伸性能的影响,以及编织角度对模量的影响;结果表明编织角度越小,模量越高,轴向拉伸性能越好。

关键词：编织圆管拉伸实验编织角度拉伸模量

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界面角度对碳纤维复合材料层合板的分层行为研究

界面角度对碳纤维复合材料层合板的分层行为研究

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作者：伊泽元浙江理工大学

学位级别：硕士

新材料是21世纪重点发展的产业,复合化是新材料技术发展的重要趋势,先进的复合材料更成为新材料发展的重要方向。复合材料已与金属材料、聚合物材料及陶瓷材料并列为四大材料体系。随着社会的发展,复合材料的合成品越来越多,使用的工艺... 详细信息

新材料是21世纪重点发展的产业,复合化是新材料技术发展的重要趋势,先进的复合材料更成为新材料发展的重要方向。复合材料已与金属材料、聚合物材料及陶瓷材料并列为四大材料体系。随着社会的发展,复合材料的合成品越来越多,使用的工艺也越来越先进,人们开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等高性能增强材料,并使用高性能树脂、金属与陶瓷为基体制成先进复合材料。因其高比强度和模量,轻重量和强可设计性,以碳纤维作为增强材料的先进复合材料在航空航天、国防军工、建筑、体育、汽车等领域得到了广泛的应用,有着广阔的发展前景但在其使用寿命中,复合材料也有非常严重的一个缺点,即存在制造缺陷或者受外载荷拉伸后不稳定,容易产生分层失效,从而威胁到复合材料汽车/飞机的结构稳定性和安全性。由于在实际工程问题中,Ⅰ型断裂发生的频率较高,因此,研究碳纤维复合材料层合板在Ⅰ型断裂情况下的分层行为,分析其分层原因,为碳纤维复合材料层合板的损伤结构容限设计提供理论支持十分有必要。本文采用试验与数值模拟相结合的方法研究了不同编织角度的碳纤维层合板分层行为。在试验方面首先设计了三种不同编织角度的层合板结构试样:45//45:[PW/45/PW/45//S];PW//45:[PW/45/PW/45//AS];PW//PW:[45/PW/45/PW//S]其中PW是平纹织物,45为45°编织物,“//”表示预制裂纹位置,“S”代表对称,“AS”代表反对称。在实验过程中我们发现实际裂纹长度的测量比较困难,很难记录动态的裂纹扩展长度。为了解决这个问题,本文利用工业高速相机对整个试验过程进行记录,结合先进的深度学习,开发了一种基于STDC语义分割的自动裂纹识别系统测量实时裂纹扩展曲线,为断裂韧性的计算提供技术支持。随后这三种试样在双悬臂梁(DCB)试验下分析其力学响应曲线,同时采用声发射(AE)装置收集其声学信号,对损伤进行探测,记录损伤演化过程,在声学信号处理过程中根据person相关系数选取相关系数较小的特征进行K-means聚类。在数值模拟方面,使用ABAQUS/Explicit建立有限元宏观模型,捕捉动态过程中试样的损伤状态、应力分布以及失效机理。在研究结论方面,发现在双悬臂梁分层试验下,界面角度不同对损伤的起始点、断裂韧性都有着较大的影响。在断裂韧性方面45//45结构优于另外两种结构,其中PW//45试样的断裂韧性最小,这可以归因于这组试样的分层界面是不对称的,导致纤维束与基体之间的粘合程度较低裂纹以粘结型的方式扩展,更容易发生分层现象。45//45试样的断裂韧性较大,这可以归因于其横线角度纤维的存在能够抵抗分层行为的发生,纤维之间的大空隙会造成该结构具有较多的富树脂区,富树脂区会导致裂纹以内聚型方式扩展而不是粘结型扩展,并且富树脂区会在分层过程中消耗更多的能量,导致其拥有较高的断裂韧性。PW//PW结构具有对称界面所以其断裂韧性高于PW//45结构,但其纤维间的空隙较小,使其富树脂区少于45//45结构,导致断裂韧性略弱于45//45结构。通过超景深三维光学显微镜观察断口表面可以发现,PW//PW、45//45结构的表面呈现粗糙、不平整等特征,由于其断裂韧性较大,在发生损伤后,结构刚度退化也较严重。PW//45结构的断口表面相对平整、光滑,在发生分层损伤后结构退化相对轻微以渐进型损伤为主,因此选择合适的编织角度进行结构设计十分必要。从有限元仿真结果看,仿真形成的载荷-位移曲线与实验结果基本一致,第一次载荷大规模下降对应的内聚层损伤形貌也与结构相吻合,证明用数值模拟的方法来预测分层损伤是较为可靠的。

关键词：编织复合材料板编织角度 Ⅰ型断裂分层损伤行为有限元仿真

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复合材料弹簧成型工艺的研究

复合材料弹簧成型工艺的研究

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作者：周涛上海工程技术大学

学位级别：硕士

弹簧作为一种基础零件被广泛应用于工业生产实践中,但目前采用传统金属制造的弹簧质量大、性能的提升逐渐达到瓶颈。而碳纤维增强复合材料比强度高、密度低、耐腐蚀和耐疲劳性能优异,是未来高性能材料的发展趋势。本文首先对复合材料弹... 详细信息

弹簧作为一种基础零件被广泛应用于工业生产实践中,但目前采用传统金属制造的弹簧质量大、性能的提升逐渐达到瓶颈。而碳纤维增强复合材料比强度高、密度低、耐腐蚀和耐疲劳性能优异,是未来高性能材料的发展趋势。本文首先对复合材料弹簧的环氧树脂基体进行配方的设计优化,通过对树脂基体力学性能实验确定了环氧树脂、固化剂、稀释剂的种类和配比。其次,采用模压法制备复合材料弹簧棒材并结合弹簧棒材的受力,探究加捻工艺对复合材料弹簧芯棒性能和微观结构的影响。最后,探究了碳纤维增强复合材料弹簧的制备工艺并结合弹簧的受力情况采用弹簧芯棒缠绕碳纤维加强层的方法对弹簧进行强化,研究碳纤维加强层编织角度以及编织层数对复合材料弹簧性能的影响。实验结果表明:采用芳香族胺固化剂能获得拉伸强度更高的环氧树脂基体。复配环氧树脂能有效的发挥树脂之间的协同作用,获得综合性能优异的环氧树脂基体。E-44环氧树脂有较高的拉伸强度而AG-80环氧树脂有着优秀的剪切强度,往AG-80环氧树脂中添加E-44能够保持较强的剪切强度的同时获得拉伸强度的提升。当mAG-80:mE-44=60:40时树脂基体有着最优异的力学性能,此时,树脂基体拉伸强度达到相比于纯E-44环氧树脂和纯AG-80环氧树脂分别提升了11.69%和34.38%。而活性稀释剂的加入能增加树脂基体的冲击韧性,虽然扫描电镜分析表明,稀释剂的添加并不能使环氧树脂基体转变为韧性材料,但是当稀释剂的添加量为15/100时,树脂基体冲击韧性提高了43.69%。综合分析确定以下树脂基体的配方为mAG-80:mE-44:m稀释剂:m固化剂=60:40:15:25,此时,剪切强度达到了127MPa,冲击韧性达到了46.7 KJm-2,拉伸强度为79MPa。碳纤维适当加捻能提高复合材料致密度的同时降低孔隙率。但是,捻度太大,反而不利于复合材料致密度的提升。当捻度为20n/m时,致密度最大为71.4%而孔隙率为0.293%。同时,采用模压法制备了碳纤维增强复合材料棒材,研究加捻工艺对复合材料棒材性能的影响。在一定的捻度范围内,随着捻度的增大,棒材的拉伸强度逐渐增大,但如果超过了捻度临界值,其拉伸强度反而下降。扫描电镜观察发现,适当的捻度有利于树脂与碳纤维的充分浸润,改善树脂与碳纤维的界面性能,从而提高复合材料棒材的拉伸性能。当捻度为20n/m时,拉伸强度最大为1521.5MPa,比未加捻时强度提高了有11.4%,断裂延伸率提高了9%;通过模压法制备了碳纤维增强复合材料弹簧,研究编织工艺对复合材料弹簧性能的影响。研究表明:碳纤维加强层编织角度对复合材料弹簧的性能有着至关重要的影响,当编织角度为45°时,所制备的弹簧有着最优秀的弹簧常数。碳纤维加强层为偶数层时,弹簧常数明显好于奇数层,本次实验当加强层数为4时,有着最好的弹簧常数;复合材料弹簧的密度,随着加强层数的增大逐步稳定在1.74g/cm3左右。

关键词：碳纤维复合材料加捻弹簧编织角度

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编织复合材料接头力学性能分析

编织复合材料接头力学性能分析

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作者：董雷哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

三维多向编织复合材料作为一种新型的先进材料,可以编织任意复杂形状的构件,具有更高的强度和刚度,更高的冲击韧性和损伤容限。另一方面多向编织复合材料能有效地减轻航天器的结构质量,增加有效载荷,是当今航天新材料的研究重点和发展... 详细信息

三维多向编织复合材料作为一种新型的先进材料,可以编织任意复杂形状的构件,具有更高的强度和刚度,更高的冲击韧性和损伤容限。另一方面多向编织复合材料能有效地减轻航天器的结构质量,增加有效载荷,是当今航天新材料的研究重点和发展方向。但是以复合材料桁架结构作为卫星主结构的卫星平台在我国还是不成熟的,对于使用复合材料编织而成的结构构件的力学性能研究还较少。因此,开展卫星用编织复合材料结构的力学性能分析是迫切的和必要的。本文研究的对象是编织复合材料接头结构,接头套筒采用碳纤维编织复合材料,支撑杆件采用缠绕式石墨纤维复合材料。首先,根据复合材料接头结构的几何尺寸建立有限元模型,使用壳单元对模型进行网格划分,并用有限元分析软件ANSYS计算分析了编织复合材料接头结构在外载荷作用下,对于不同的纤维编织角度,以及在复合材料接头结构不同的位置添加加强筋的情况,给出了结构的位移和应力分布。通过分析,确立了接头结构的设计方案。接着,采用三维体单元对所确立的方案进行有限元计算。通过对计算数据的分析,发现新确立的设计方案能够满足使用要求。本文的分析结果为复合材料接头结构的设计提供了参考依据。

关键词：三维编织复合材料接头结构编织角度力学性能

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碳纤维织物在室内空间中的设计与性能研究

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合成材料老化与应用 2020年第3期49卷 93-95,130页

作者：董静上海东海职业技术学院上海200241

为了将现代碳纤维织物应用于室内空间设计,对比分析了编织角度和纤维含量对单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料拉伸强度、拉伸模量和破坏模式的影响。结果表明,单2试样的最内层和最外层角度的差值高于单1和单3试样,造... 详细信息

为了将现代碳纤维织物应用于室内空间设计,对比分析了编织角度和纤维含量对单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料拉伸强度、拉伸模量和破坏模式的影响。结果表明,单2试样的最内层和最外层角度的差值高于单1和单3试样,造成纤维体积分数明显减小,拉伸强度明显降低;二维2试样的最内层编织角相较于二维1和二维3分别增加5°和3°,最内层编织角都相比增加了3º,纤维体积分数分别减小3.02%和2.87%,拉伸强度分别减小30.22MPa和7.7MPa;编织角和纤维含量都会对单向编织对称铺层复合材料和二维编织对称铺层复合材料的拉伸强度和拉伸模量造成显著影响。相较于单向编织对称铺层复合材料,二维编织对称铺层复合材料中的裂纹或者裂缝变得杂乱无章,但破坏最严重的区域都出现在外侧,而1/2宽度处的破坏相对较轻。

关键词：碳纤维室内空间设计编织角度纤维含量拉伸性能

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