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10/30、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。     

非破坏雷电流A分量作用下碳纤维复合材料的动态特性

建立了碳纤维复合材料(CFRP)雷电冲击特性的实验平台,通过实验验证和对CFRP等效电路模型的分析,提出了采用两电极测试系统,通过检测流经CFRP层合板的脉冲电流和其两端的动态电压,研究了CFRP动态特性的测试方法,分析了在雷电流A分量作用下CFRP的动态特性。实验结果表明:在峰值时间为30.2μs、半峰值时间为72.2μs的非破坏雷电流A分量冲击作用下,碳纤维复合材料具有较强的导通能力,并且随着脉冲电流强度从5A增加至100A,其电阻由20Ω减小至2Ω左右,即具有显著的非线性;CFRP试品两端的电压先于电流达到峰值,材料整体显示出一定的电感效应。利用建立的CFRP层合板的等效电路模型,对CFRP在雷电流冲击下表现出的动态电阻非线性、电感特性、高导电微碳纳米管(MCNT)夹层对材料动态伏安特性的影响等现象进行了合理的解释。研究结果为CFRP的电气特性、树脂热降解、温度场分布以及热失重等研究提供了必要的理论支撑,同时为CFRP在航空航天领域的广泛应用奠定了坚实的基础。     

碳纤维复合材料单向层合板自传感特性

通过测试碳纤维/环氧复合材料(CFRP)单向层合板单轴拉伸和循环拉伸时的电阻变化,研究了碳纤维复合材料单向层合板自传感特性.结果表明:不同铺层方向CFRP单向层合板拉伸时体积电阻变化特性各不相同,该电阻变化特性比应力、应变能更多地反映有关材料内部结构变化的信息;CFRP单向层合板具有压阻效应,压阻效应随着应力的增加而增加,偏轴拉伸、横向拉伸时压阻效应比纵向拉伸时要大,且随铺层方向角的增大,压阻效应越来越明显.利用CFRP单向层合板这种自传感特性,可实现在线实时自监测以及对其损伤、破坏的自诊断.     

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。     

基于改进桥联模型的CFRP层合结构抗冲击载荷动态力学性能研究

为研究碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在冲击载荷下的力学响应,本文基于桥联模型,采用含应变率效应的动态本构方程以及屈服准则,对CFRP层合板进行了优化设计和动态压缩强度分析.利用相关文献中的层合板准静态及动态试验结果,对改进的桥联模型程序进行验证,结果吻合良好.在此基础上,对比分析了几种CFRP层合板铺层设计方案,优选并制备其中一铺层的层合板,实施了中等应变率的压缩试验,前期理论计算结果与试验结果有较好一致性.本文工作可用于抗高冲击载荷CFRP层合结构的优化设计及性能预测.     

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。     

碳纤维增强复合材料雷击电-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。     

基于层合叠加理论的CFRP多向层合板铣削力建模

针对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)多向层合板设计中常用的典型纤维铺层方向,实验研究CFRP单向层合板的铣削力随纤维方向角及加工参数的变化规律,使用BP神经网络,获取不同加工参数下的CFRP 4种典型铺层方向单向层合板铣削力数据;基于BP神经网络结果数据和切削力层合叠加理论,建立CFRP多向层合板铣削力预测模型。研究结果表明:纤维方向角是影响铣削力的最主要的因素,该CFRP多向层合板铣削力预测模型精度可以达到85%以上。     

碳纤维复合材料层合板在低速冲击下的力学响应

利用改进的霍普金森杆对不同铺层方式的碳纤维复合材料层合板(CFRP)进行低速冲击试验,分析不同铺层顺序下,CFRP层合板的动态力学响应。搭建了基于高速三维数字图像相关方法(3D-DIC)的实验测量系统,该系统由3台高速相机组成,其中两台组成3D-DIC观测系统,用于三维成像,另外一台记录子弹飞行姿态,从而计算子弹飞行的速度。利用3D数字图像相关技术可以得到层合板损伤后的位移场,然后进行差分得到材料损伤后的应变场。利用ABAQUS/Explicit仿真软件对试验结果进行模拟,试验结果和模拟结果吻合较好,从而验证了3D-DIC在研究碳纤维复合材料层合板抗冲击性能中的有效应用。     

冲击载荷下Ti/CFRP层合板结构的数值模拟分析

为了研究钛合金/碳纤维增强复合材料(Ti/CFRP)层合板结构的抗冲击性能,采用基于三维Hashin准则的VUMAT材料子程序模拟复合材料层合板的损伤失效,采用内聚力单元模拟层合板与钛合金之间的胶层,采用Johnson-Cook本构模型模拟钛合金的塑性变形及失效,建立了Ti/CFRP层合板结构的冲击损伤有限元模型。分别讨论了冲击动能、钛板的厚度及复合材料的铺层角度等因素对层合板结构的抗冲击性能的影响,结果显示增加钛板的厚度可以有效提高层合板结构的抗冲击性能,Ti/CFRP层合板结构承受冲击载荷发生损伤失效时,失效模式以基体失效与拉伸分层失效为主,合理选择铺层角度可以改善复合材料层合板的抗冲击性能。分析结果可为Ti/CFRP层合板结构的设计及工程应用提供参考。     

雷电流对杆塔接地装置冲击特性影响规律的研究

针对由于雷击输电线路或杆塔所致的电力系统线路跳闸率较高的现象,建立了一种不同幅值雷电流作用下杆塔接地装置冲击系数模型,以用于雷电流对杆塔接地电阻影响的评估计算,提高冲击接地电阻的测量准确度。搭建了土壤火花放电X光拍摄平台,在不同雷电流作用下,得到土壤火花放电具有斑点状-球状-流注状-电弧通道的渐变过程规律,通过不同大小雷电流现场试验,得出不同冲击电流下电感效应对电流阻挡作用及火花效应的散流作用相互制衡关系,进一步通过电感效应与火花效应解耦的方法得到较准确的接地装置冲击电阻。试验结果表明,所建模型实现了通过小雷电流冲击测试得到大雷电流作用下接地装置冲击特性的目的,并可通过小型便携式冲击接地阻抗测试仪,对杆塔冲击接地阻抗进行测试,所计算阻抗与实际阻抗的误差在3%以内,可对输电线路防雷设计、评估、施工、改造等起到指导作用。     

碳纤维天线的刚度仿真

树脂基碳纤维复合材料(CFRP)具有轻质、高强度及高刚度等特点。文章从刚度设计的角度出发,对树脂基碳纤维复合材料天线反射面进行铺层设计,利用有限元分析软件进行刚度仿真。结果表明,所有铺层方式均满足设计要求,但实际铺层时应考虑采取变形最小的准各向同性铺层[90/45/0/-45/-A]S。     

内压作用下CFRP/钢复合管受力性能试验研究

为研究内压作用下碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastic, CFRP)/钢复合管的受力性能,进行了8根CFRP/钢复合管及1根普通钢管的内压荷载试验.试验中考虑的变量有碳纤维布层数、碳纤维布轴向及环向搭接长度.试验结果表明:外贴单层碳纤维布时,CFRP与钢管的协同变形效应随碳纤维布轴向及环向搭接长度的增加而增强,当轴向及环向搭接长度分别达到50mm及200mm时CFRP与钢管变形趋于一致;内压作用下CFRP/钢复合管的荷载-应变曲线呈近似双线性的变化规律,其刚度、屈服强度及极限强度均随碳纤维布层数的增加而增大,试件典型破坏形态为CFRP环向受拉断裂.最后,基于试件典型破坏特征,提出了适用于CFRP/钢复合管的强度计算模型.     

复合材料板弯扭耦合特性数值模拟

为研究复合材料风机叶片弯扭耦合特性,将风机叶片简化为对称非均匀复合材料层合板,研究不同的耦合区域对弯扭耦合效应的影响.在复合材料层合板不同区域对称铺设相同纤维角度的增强板.分析在集中静力荷栽作用下,层合板的静态弯扭耦合特性;结合模态分析方法,利用模态置信准则(MAC),定量分析不同位置耦合层合板的弯扭耦合动态效应.结果...     

铺层角度对碳纤维/环氧树脂基复合材料板等效刚度的影响

为了准确计算复合材料等效刚度,指导复合材料设计过程中铺层角度的选择。该文基于经典层合板理论,建立了考虑拉剪耦合效应的三维层合板等效刚度计算方法。基于该方法对碳纤维/环氧树脂基复合材料板等效刚度随铺层角的变化趋势进行了分析,结果显示:随着铺层角θ_1的增加,铺层方式为(θ_1)_(25)/(θ_2)_(25)的层合板的面内轴向刚度E_x、横向刚度E_y的变化曲线包含变化率显著不同的两个阶段;法向刚度E_z呈正弦变化趋势且当正交铺层时有最大值;面内剪切刚度G_(xy)在θ_1=45°且θ_2=135°时有最大值;面外剪切刚度G_(xz)和G_(yz)变化曲线关于θ_2=90°对称。通过比较层合板与单向板等效刚度发现,选择合适的铺层角度组合能够有效提高结构的法向刚度和面内剪切刚度。     

基于冲击波正反射理论的半封闭结构灭弧特性研究

由于雷电流在泄放过程中会引起绝缘电位差升高,导致接地网出现高电位差,威胁人身安全以及设备的正常运行。为降低杆塔接地电位差,采用半封闭结构压缩电弧产生冲击波,并在冲击波触壁后二次压缩气体形成反射波,以波叠加作用破坏电弧的发展。本文首先通过冲击波正反射理论,分析计算了峰值为10 kA的8/20μs冲击电流产生的正反射波超压值可达4.8 MPa;其次,建立二维轴对称的冲击放电模型,对结构的大电流冲击放电过程进行仿真;最后,进行半封闭结构电流冲击试验。仿真结果显示在10μs半封闭结构内最大压强达4.38 MPa,在80μs左右电导率降至0;试验结果测得冲击电流幅值由9.54 kA衰减到5.72 kA,并在65μs左右电流降至0。仿真与试验结果都表明,半封闭结构能有效熄弧并限制绝缘电位差升高。     

金属基底层上NiO(111)外延薄膜的变温电阻开关特性与隧穿机制

利用射频磁控溅射方法在Pt层上制备了沿111晶向外延生长的NiO薄膜,研究了其晶体微结构和变温电阻开关特性.微结构观测分析发现, NiO(111)薄膜与Pt层满足"立方-立方"晶格生长关系.在周期性外电场作用下,薄膜中氧空位的定向漂移和电极附近银离子的氧化还原反应相互促进,使得在较低的翻转电压下即可在薄膜中形成周期性导通/截断的氧空位导电丝通道,从而使得Ag/NiO(111)/Pt存储单元在室温至80°C测试温度范围里的电流-电压曲线均呈现稳定的双极性电阻开关特性.运用Arrhenius作图法以及肖特基热激发隧穿公式拟合薄膜高阻态电流-温度曲线符合线性关系,表明薄膜高阻态漏电流符合肖特基热激发隧穿机制.     

脉冲功率源用电感动态特性有限元分析

为了研究脉冲功率源模块内的电磁耦合规律,该文采用有限元方法分析了模块内部的电感动态特性。建立了电感线圈三维模型,得到了脉冲功率源工作时电感铜带上电流密度分布和电感值的变化趋势。结果表明,电流分布主要集中于铜带中心及边缘区域;电感值与电流频率近似符合指数关系,瞬态脉冲下的电感随时间增大,电感变化率随时间逐渐减小,电流峰值时刻前电感变化率下降较快;铜带厚度小于1 mm时电感近似为常数,可以忽略电容效应的影响。     

高温环境对含孔复合材料层合板屈曲性能的影响

为了研究高温环境下含有不同直径大小的孔的碳纤维增强复合材料层合板的屈曲性能与室温环境下的屈曲性能之间的差异,首先对纵向压缩载荷作用下碳纤维增强复合材料层合板的临界屈曲载荷的计算理论进行了分析并选定了用于衡量屈曲性能的指标——最小正特征值;随后,在商业化有限元软件ABAQUS中建立了一系列含有不同孔径大小的碳纤维增强复合材料层合板的有限元模型,并通过改变材料的性能参数来模拟碳纤维增强复合材料层合板所处的温度环境.ABAQUS软件的屈曲分析结果表明:高温环境会使得碳纤维增强复合材料层合板的屈曲性能有所下降,且随着孔径的增大,碳纤维增强复合材料层合板的屈曲性能降低得越快.