碳纤维增强复合材料雷击损伤电-热耦合仿真及因素影响

为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)在雷电流作用下的烧蚀损伤,对CFRP进行了雷电流电-热耦合效应仿真和不同参数影响分析。首先,对试件进行了电-热耦合有限元分析;并在温度叠加法的基础上进行改进,完善了温度引起复合材料的性能变化;利用ABAQUS软件进行了碳纤维增强复合材料雷击损伤电-热耦合仿真模拟,和实验结果对比验证了仿真的有效性。结果表明:相同波形雷击电流,峰值越高,损伤面积越大,损伤深度越大。之后,利用改进方法分别研究不同因素对雷击作用下CFRP烧蚀损伤的影响,结果表明复合材料的电导率、比热、密度是影响烧蚀损伤的重要因素。     

弯曲复合材料层合板雷击损伤影响分析

复合材料已在民航客机上得到广泛的应用，但由于导电性、导热性较低等原因，致使在雷击附着后出现较大范围的烧蚀损伤，威胁民航客机的运行安全。为了能够更安全地让复合材料应用于民航客机上，研究民机常用弯曲复合材料雷击防护特性，建立弯曲复合材料雷击损伤电热耦合有限元模型，并研究不同因素对弯曲层合板雷击损伤性能影响。结果表明，弯曲层合板相比于未弯曲的层合板，由于热导率的影响，致使其在50kA峰值雷击电流作用下，烧蚀面积增加了1.5倍，深度扩大至第六层，最小层的损伤面积增加了10.67倍；此外，雷击电流峰值、弯曲角度对雷击损伤结果影响较大，而长宽比、纤维铺层方向、厚度由于弯曲层合板电势、热导率的影响致使其影响程度较小，此与未弯曲层合板的雷击影响因素影响特点具有较大的差异性。     

航空碳纤维复材板电-磁-热多场联合仿真与分析

针对电磁涡流感应在实现碳纤维增强复合材料（CFRP）快速内部加热时内部多场问题尚缺少系统理论研究的情况,对航空碳纤维复材板进行了电-磁-热多场联合仿真与分析。首先,从CFRP的物理属性出发,分析其涡流热产生的物理原理;其次,设计不同叠层数目碳纤维复合材料,根据碳纤维复合板材电磁涡流形成规律,分析线圈输入功率/电压以及复材叠层数目对涡流热效应的影响;再次,使用电-磁-热联合多场有限元模型对感应加热过程中电磁涡流场和温度的分布情况进行仿真分析;最后,通过实验验证有限元模型计算结果。结果表明,涡流效应中碳纤维板可以产生呈闭环的感应电流,感应电流在碳纤维复材板上呈中间低、四周高的分布状态;在25 V的固定输入电压下,单层碳纤维板的热升温效应最明显,稳定温度约为141.4 ℃;随着输入功率/电压提升,双层碳纤维复合板材涡流热效应随之增大,达到热稳定所需时间也同步增加。通过电-磁-热联合多场有限元模型和验证实验,研究感应加热过程中电磁涡流场和温度的分布规律,对推动电磁涡流热效应在航空碳纤维复材感应焊接等领域的工程应用具有参考价值。     

湿热条件下Z-pin增强复合材料层合板性能研究

对湿热条件下Z-pin增强复合材料层合板的力学性能进行了研究,考虑温度、湿度以及pin的插入造成微观结构改变对材料弹性模量的影响,建立了 Z-pin增强复合材料层合板在湿-热-力耦合作用下的本构模型.利用有限元对在湿热条件下Z-pin增强复合材料单层层合板的损伤破坏进行了模拟,并与现有文献的实验结果进行对比.结果表明:...     

碳纤维增强型复合材料在非破坏雷电流脉冲下的动态导电特性

为了研究碳纤维增强型复合材料(CFRP)层合板在雷电流脉冲作用下的动态导通机制,建立了CFRP动态导电特性实验平台,通过研究非破坏性10/30、20/60及40/120μs的雷电流脉冲作用下CFRP层合板的动态响应,分析了铺层结构、试样夹持方式及雷电流参数对CFRP动态导电特性的影响。研究结果表明:在100～1 000A的雷电流作用下,受到内部铺层结构的影响,CFRP层合板厚度方向电导率(10-3 S/mm)远小于平面方向电导率(100S/mm),具有各向异性非线性电导率;CFRP层合板表现出明显的电感效应,即动态电压超前于电流,动态伏安特性曲线中上升与下降阶段不重合;施加的雷电流上升速率越低、波长越长,CFRP层合板动态电导率越大;CFRP层合板在雷电流脉冲作用下所表现出的电感效应与碳纤维丝的电感特性密切相关。CFRP动态导电特性及导通模型的研究能够为CFRP雷电直接效应热电耦合模型的建立以及CFRP性能优化和结构提升提供理论支撑。     

雷击作用下复合材料层合板的烧蚀损伤表征及剩余强度影响因素分析

为表征复合材料雷击烧蚀损伤,基于唯象分析方法,建立了雷击烧蚀损伤引起的材料力学性能退化模型. 采用连续损伤力学(CDM)方法提出了复合材料雷电烧蚀损伤的三维渐进损伤退化模型,采用Hashin和Yeh分层失效准则,验证了失效点的发生情景. 根据所建立的模型和刚度矩阵渐进损伤退化模型的编码,利用ABAQUS软件并结合UMAT子程序预测了拉伸载荷下雷电烧蚀损伤复合材料层合板的残余强度,最终的仿真精度验证了该模型的有效性.     

碳纤维增强型复合材料在非破坏雷电流脉冲下的动态导电特性

为了研究碳纤维增强型复合材料(CFRP)层合板在雷电流脉冲作用下的动态导通机制,建立了CFRP动态导电特性实验平台,通过研究非破坏性10/30μs,20/60μs及40/120μs的雷电流脉冲作用下CFRP层合板的动态响应,分析了铺层结构、试品夹持方式及雷电流参数对CFRP动态导电特性的影响。研究结果表明:在100~1000 A的雷电流作用下,受到内部铺层结构的影响,CFRP层合板厚度方向电导率(10-3 S/mm)远小于平面方向电导率(100 S/mm),具有各向异性非线性电导率。同时发现CFRP层合板表现出明显的电感效应,即动态电压超前于电流,动态伏安特性曲线中上升与下降阶段不重合;此外,施加的雷电流上升速率越低、波长越长,CFRP层合板动态电导率越大。CFRP层合板在雷电流脉冲作用下所表现出的电感效应与碳纤维丝的电感特性密切相关。CFRP动态导电特性及导通模型的研究能够为CFRP雷电直接效应热电耦合模型的建立以及CFRP性能优化和结构提升提供实验与理论支撑。     

碳纤维增强型复合材料在非破坏雷电流脉冲下的动态导电特性

为了研究碳纤维增强型复合材料(CFRP)层合板在雷电流脉冲作用下的动态导通机制,建立了CFRP动态导电特性实验平台,通过研究非破坏性10/30μs,20/60μs及40/120μs的雷电流脉冲作用下CFRP层合板的动态响应,分析了铺层结构、试品夹持方式及雷电流参数对CFRP动态导电特性的影响。研究结果表明:在100~1000 A的雷电流作用下,受到内部铺层结构的影响,CFRP层合板厚度方向电导率(10-3 S/mm)远小于平面方向电导率(100 S/mm),具有各向异性非线性电导率。同时发现CFRP层合板表现出明显的电感效应,即动态电压超前于电流,动态伏安特性曲线中上升与下降阶段不重合;此外,施加的雷电流上升速率越低、波长越长,CFRP层合板动态电导率越大。CFRP层合板在雷电流脉冲作用下所表现出的电感效应与碳纤维丝的电感特性密切相关。CFRP动态导电特性及导通模型的研究能够为CFRP雷电直接效应热电耦合模型的建立以及CFRP性能优化和结构提升提供实验与理论支撑。     

冲击电流作用下碳纤维复合材料的导电特性

针对碳纤维复合材料(CFRP)在航空航天领域应用时的雷电损伤机理以及无损检测的问题,建立了CFRP非破坏性冲击动态伏安特性测试平台,对碳纤维复合材料的动态伏安特性的测量方法进行了研究。通过对流经CFRP上动态电流以及两端动态电压的测试,研究CFRP在非破坏脉冲电流作用下的动态伏安特性。研究发现:冲击电流的幅值、波形以及测量电极均会对CFRP的动态伏安特性产生比较明显的影响。随着冲击电流幅值的增加,CFRP的动态伏安特性曲线在电流上升阶段出现明显的向上偏移;在电流下降阶段,其所对应的动态伏安特性曲线会向下偏移直至趋于重合。当施加在CFRP上的冲击电流的持续时间变长时,明显看出CFRP的动态伏安特性上升阶段和下降阶段所包围的区域逐渐减小。当测量电极尺寸增加时,流过CFRP上的动态电流幅值增大了15%,其动态伏安特性曲线会逐渐向下移动,且随着冲击电流幅值增加,不同测量电极所对应的伏安特性曲线逐渐接近。研究结果为碳纤维复合材料在雷电直接作用时其导电行为以及损坏机理的研究提供了一定的实验基础与理论依据,为碳纤维复合材料的无损检测提供了新的实验思路。     

碳纤维表面处理对室温硫化硅橡胶复合材料性能的影响

以分别经α-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、浓硝酸、浓硝酸-KH550处理的短切碳纤维作为功能组分,制备室温硫化硅橡胶复合材料,研究了碳纤维处理方法对复合材料的力学性能、热性能和烧蚀性能的影响。结果表明,添加经浓硝酸-KH550连续处理碳纤维时,复合材料的性能最好;性能最佳复合材料的拉伸强度和撕裂强度分别为4.0 MPa和20.3 kN/m,起始分解温度提高到509.3 ℃,而线烧蚀率和质量烧蚀率分别降低至0.148 mm/s和0.062 g/s。     

CFRP加固素混凝土拱压缩性能数值模拟

为增强素混凝土拱的工程抗力,发挥碳纤维增强复合材料(CFRP)性能优势,基于ABAQUS对不同CFRP加固形式的混凝土拱进行了数值模拟.通过建立混凝土损伤塑性模型和引入CFRP与混凝土的粘聚力界面关系,得到了不同的加固形式下复合拱结构静力破坏模式,并与试验结果进行了对比分析,获得了混凝土拱在压缩载荷下的损伤扩展情况和界...     

CFRP/Al四钉铆接接头性能研究

碳纤维复合材料（CFRP）作为一种新型轻质材料,与金属的连接问题备受关注.本文设计了CFRP/Al四钉铆接接头试样结构,通过试验与仿真对比,观察单搭接接头和T型连接接头的失效形式、位移-载荷曲线,验证接头三维累计损伤有限元模型的有效性.通过仿真比较不同接头尺寸对四钉接头力学性能的影响.结果表明,在一定范围内,铆钉直径越大,剥离强度越大,铆钉直径为5 mm时,剪切强度最大;铆钉排距为25 mm时,剪切强度最高,剥离强度会随着排距的增加而增大;铆钉列距越大,剥离强度越大,当列距为15 mm时,剪切强度达到最大值.因此,铆接方式能够有效解决CFRP和铝合金的连接问题,并且选择合适的接头尺寸可以提升接头的力学性能.     

碳纤维布包裹改善锈蚀钢筋混凝土柱延性试验研究

研究了碳纤维布包裹对锈蚀钢筋混凝土柱抗震性能的影响.对不同锈蚀程度的试件在不同轴压比下进行了低周反复试验.研究表明,碳纤维布加固锈蚀试件是一种非常有效的技术,碳纤维布的约束作用,避免了剪切裂缝的产生,改善了试件的延性,使试件因锈蚀可能出现的脆性破坏重新转化为塑性破坏,试件的滞回性能明显提高,抗震性能显著改善.     

镀钨碳纳米管增强铜基复合材料的制备及性能

采用羰基热分解法对多壁碳纳米管表面进行镀钨处理,并以镀钨碳纳米管和电解铜粉为原料,进行机械球磨混粉和放电等离子体烧结,制备了镀钨碳纳米管/铜基复合材料.采用场发射扫描电镜观察了粉体和复合材料的组织形貌,并对复合材料物相进行了X射线衍射分析.探讨了镀钨碳纳米管含量和放电等离子体烧结温度对复合材料致密度、抗拉强度、延伸率和电导率的影响.结果表明,镀钨碳纳米管质量分数为1%和烧结温度为850℃时,复合材料的致密度、抗拉强度和电导率最高.与烧结纯铜相比,复合材料的抗拉强度提高了103.6%,电导率仅降低15.9%.     

铜网防护层构型对复合材料层合板雷击烧蚀损伤的影响分析

为探究不同构型铜网防护层对于复合材料的雷击防护效果,基于热电耦合方法建立了含铜网防护层的复合材料层合板模型。首先研究了菱形铜网层合板的抗雷击烧蚀效果,并与试验结果进行对比；随后分别对含菱形、圆形及正六边形三种构型铜网防护层的复合材料层合板进行了雷击仿真模拟,分别施加D、A和A+D三种雷电流波形评估了不同雷击分区下的铜网防护效果。研究结果表明：不同几何构型铜网的防护能力有所差异,在2B区域正六边形铜网的防护效果较好,在1A和1B区域菱形铜网的防护效果较好；综合三种电流波形下的平均防护效果,相比未防护层合板,含菱形、圆形及正六边形铜网层合板的雷击损伤分别减少89.1%、81.9%和85.6%。     

飞机复合材料结构对雷击附着点的影响

为了确定使用复合材料结构的飞机雷击特性,采用基于传输线矩阵法的数值仿真技术对飞机的雷击附着特性展开研究。以波音777飞机为例,依据SAE-ARP5416和国内相关标准规定的雷击附着点试验方法,对其进行了全尺寸建模仿真,得到了复合材料在不同设置条件下飞机表面感应电场强度大小及雷击附着点分布的特点。仿真结果表明：当机身采用复合材料结构时,飞机表面的感应电场强度值降低,飞机遭雷击的概率下降;复合材料的相对介电常数增高,对飞机表面感应电场的强度值影响很小;飞机表面复合材料的电导率越高,飞机表面感应电场的强度值越大。     

CFRP超高周三点弯曲疲劳热效应特性实验与数值模拟

针对复合材料超高周三点弯曲疲劳的温升问题,利用商用软件ABAQUS对实验过程中的热效应进行建模与数值模拟研究,得出了疲劳载荷作用下CFRP试样的主体产热阶段与位置,并根据冷却方案设定的基本原则,利用复合冷却方式开展了连续载荷作用下的超声疲劳试验,研究结果表明：CFRP不存在传统的疲劳极限。随着应力水平的改变,CFRP超高周三点弯曲疲劳破坏存在损伤竞争机制,低应力水平下损伤形貌主要以孔蚀形貌为主,高应力水平下主要以分层以及横向裂纹损伤形貌为主。     

湿热耦合环境下碳纤维布加固混凝土界面耐久性能

为研究碳纤维补强聚合物加固混凝土结构在湿热环境下的耐久性能,通过对不同湿热耦合作用下36个CFRP-混凝土试件进行试验研究,分别进行5 d、10 d、15 d的加速湿热老化,并对其进行双剪试验,分析了不同温度、湿度的耦合作用下CFRP-混凝土界面的破坏形态、极限承载力、应变分布及相对位移等力学参数,进而分析湿热耦合环境对界面力学性能及黏结耐久性能的影响。结果表明:湿热老化作用后,CFRP-混凝土界面的界面力学性能有所退化;高温高湿耦合作用对界面的力学性能影响较大,15 d湿热腐蚀后,极限荷载、极限位移、CFRP应变较室温组试件分别下降26. 11%、25. 77%、40. 33%;湿热腐蚀介质渗入黏结界面,引起应变传递及位移发展更为迅速,对加固结构耐久性造成了损伤。     

碳纤维混凝土力电性能的研究现状

碳纤维混凝土是集结构性能和多种功能于一体的复合材料,具有良好的压敏性、温敏性和电磁屏蔽特性。结合近年来对碳纤维混凝土复合材料的研究和普通混凝土材料尺寸效应的研究,综述了碳纤维混凝土复合材料的力电性能及其尺寸效应的影响,同时提出碳纤维混凝土研究所存在的问题,旨在为碳纤维混凝土复合材料的研究提供一定的参考。