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摘要： 埃塞俄比亚毛衫基地是践行“一带一路”倡议和中非论坛精神、深化集团“全球布局、跨国经营”战略以及布局非洲，打造非洲纺织服装产业链的重要举措2024年9月，中非合作论坛峰会在北京举办。会议期间，埃塞俄比亚外长塔耶在北京的一场商务论坛上表示，埃塞俄比亚投资环境优越，他希望埃塞俄比亚能成为中国企业的第二故乡。此前的2023年10月，中埃两国宣布双边关系提升为全天候战略伙伴关系。

关键词： 三维编织复合材料   伽马射线   碳纳米管   纳米界面层   抗辐照性能   多尺度辐照损伤  

摘要： 近年来,三维编织碳纤维增强复合材料在航空航天领域的应用不断创新和发展。然而,长期暴露在高能辐射环境中会导致碳纤维增强树脂基复合材料(CFRPs)中纤维、基体和纤维/基体界面等组分的性能退化,尤其是界面对辐射的影响最为敏感,从而造成复合材料的多尺度损坏,降低复合材料的结构稳定性和力学性能,这是不可规避的问题。揭示不同编织结构的三维编织复合材料在辐射环境下的损伤演化规律,并对界面相予以增强来提高复合材料的抗辐照性能,意义重大亟待研究。本课题目的在于凭借实验表征,在原子,微观和宏观尺度上来研究三种编织结构的复合材料辐照损伤前后损伤变化规律,以及采用化学气相沉积的方法(CVD),在碳纤维与基体之间引入了一种由碳纳米管(CNTs)增强的纳米界面层并探究其抗辐照性能。主要研究内容如下: (1)通过控制打纬力度设计了18°,28°,38°三种编织角度的碳纤维预成型体对应的三维编织复合材料分别称为3D-18°,3D-28°,3D-38°。显微CT观察和相关计算证实,辐照导致的界面损伤增加了三维编织复合材料的缺陷体积,从最初的2.7%增加到4.8%。研究发现编织结构在宏观尺度上对伽马辐照表现出不同的响应,其中3D-38°表现出最高的压缩性能保留率,在暴露于1000 KGy的伽马辐照后为83.40%,而3D-28°,3D-18°分别为81.93%和79.12%,造成这种结果微观上的原因由纳米压痕表征发现辐照后碳纤维周围形成了一个了3-4μm宽的加强环形区域,界面的存在有助于辐射能量的消耗和分散,从而避免对近界面区域的树脂造成损伤,并促进该区域交联反应的发生。 (2)在编织角度为18°的预制体上均匀生长CNTs来构筑界面增强的三维编织复合材料(称为3D-18°@CNTs),伽马辐照前,3D-18°的面外压缩屈服强度从138.73 MPa增加到3D-18°@CNTs的175.86 MPa,增加了26.8%。与3D-18°相比,3D-18°@CNTs的低速面外冲击响应机制发生了明显的改变。3D-18°的峰值应力从189.21 MPa增加到3D-18°@CNTs的245.43 MPa,增加了29.71%。伽马辐照后,3D-18°@CNTs的面外压缩和面外冲击性能均高于3D-18°。吸收剂量达到1000 KGy后,辐照后3D-18°@CNTs的压缩性能保留率比3D-18°高5.16%,而辐照后3D-18°@CNTs的冲击性能保留率与3D-18°基本一致,在准静态压缩性能测试中纳米界面层的抗辐照性能表现的更显著。

ISBN: (纸本)9787572514890

关键词： 三维编织   预制件   有限元   应力   损伤  

摘要： 三维编织复合材料(3DBC)是一种具有高强度、高模量的三维纺织结构复合材料,被应用于航空航天领域。三维编织预制件精确的尺寸与其低损伤编织是实现三维编织预制件功能的关键。编织过程中,纱线的应力分布规律与其损伤失效机理是目前急需解决的问题。本课题采用实验与有限元相结合的方法,建立介观与微观尺度有限元模型研究四步法三维编织过程中纱线的应力应变分布规律和损伤机理,分析摩擦系数和打纬高度对三维编织预制件性能的影响。基于Fortran语言编写用户自定义VUMAT子程序引入损伤Hashin失效准则,研究纱线摩擦系数和打纬高度对预成型体结构以及纱线应力和损伤分布的影响。结果表明: (1)编织结构的变形与纱线的应力分布密切相关,纱线的应力与应变具有同时变化的趋势;在编织过程中,最大应力和最大应变都出现在交织点附近。随着编织的进行,最大应力和最大应变分布的位置向下移动;在打纬过程中,每次打纬后纱线的应力都会降低。打纬过程不仅能改变纱线交织的位置,又能释放纱线张力,改善其应力分布不均的情况;在各方向应力对单元损伤的贡献中,剪切应力占主导位置,轴向应力对单元损伤的贡献最少,对纱线单元消除的贡献比例小于2%;随着纱线摩擦系数和打纬高度的增加,三维编织预制件编织角增加;在一定范围内,摩擦系数越大,打纬高度越高,在交织区域以及纱线与打纬棒接触区域的纱线所受应力更大。 (2)在编织过程中,预制件的结构随着编织循环在逐渐收紧;在打纬过程中,打纬棒到达最高处时最先产生断丝,断丝位置位于纤维相互交织的区域。打纬过程纤维的损伤程度比纤维移动过程更严重;纤维摩擦系数越大,打纬高度越高,纤维相互交织的区域出现纤维挤压的现象越严重。 本课题对提高三维编织预制件结构稳定性及其复合材料力学性能具有重要的指导意义,为低损伤制备高质量的三维编织预制体提供参考价值。

关键词： 三维六向编织复合材料   深海耐压壳   压缩力学行为   多尺度计算   失效机理  

摘要： 当前,寻求航行速度快、下潜深度大、续航时间长的海洋作业潜水器已成为重点发展前沿方向。其中,耐压壳是载人潜水器、无人潜水器和水下滑翔机等海洋装备的核心部件,直接决定了其承载能力及结构稳定性。近年来,碳纤维增强树脂基复合材料因其低密度、高比强度、高比模量、抗腐蚀和抗疲劳等性能优势,已在海洋装备上得到广泛应用。目前,复合材料耐压壳的细观形式多为层合结构。但随着下潜深度的增加,在静水压作用下,层合复合材料耐压壳易出现分层损伤和结构失稳,最终导致整体构件失效,严重威胁海洋装备的服役安全性。因此,探索新型结构复合材料耐压壳,提升其抗压缩性能,以满足更大下潜深度已成为当前工业界和学术界共同关注的热点问题。 本文以深潜器用复合材料耐压壳为需求牵引,选用“仿竹节”三维六向编织结构,制备碳纤维/环氧树脂三维六向编织复合材料。在此基础上,重点研究了静水压下三维六向编织复合材料的吸湿机制与力学性能。采用实验和数值模拟相结合的方法,系统地探究了三维六向编织复合材料耐压柱壳在承受轴向压缩、径向压缩以及静水压作用下的力学响应与损伤演化机制。旨在阐明三维六向编织复合材料耐压壳在不同加载条件下的失效机理,以期为三维六向编织复合材料耐压壳在深海潜水器的应用提供数据和理论支撑。具体研究内容和结论如下: (1)选用T700-12K碳纤维及环氧树脂中的双酚A型E-51、双酚F型CYDF-170和氢化双酚A型EP-4080e,制备了三种碳纤维/环氧树脂三维六向编织复合材料。设定测试工况为10 MPa静水压下吸湿80 h,开展了碳纤维/环氧树脂三维六向编织复合材料吸湿机理分析和拉伸、压缩和弯曲力学性能测试,并采用多层级表征方法,理清了静水压下材料吸湿与力学性能的作用机制。结果表明:静水压下吸湿会导致三维六向编织复合材料的内部孔隙增大,诱发纤维/基体界面脱粘及基体微裂纹,进而导致复合材料的拉伸、压缩和弯曲载荷下降了11%～46%。同时,在静水压下吸湿后,相比于碳纤维/CYDF-170复合材料和碳纤维/EP复合材料,碳纤维/E-51复合材料保持了优异的力学性能,其力学性能保持率分别为88.28%、53.15%和80.08%,这为后续三维六向编织复合材料耐压壳的选材提供了数据支撑。 (2)以“仿竹节”三维六向编织结构为研究对象,设计了径厚比分别为60、30和20的圆柱壳编织预制体,通过真空辅助树脂传递模塑成型工艺制备了T700-12K碳纤维/E51环氧树脂三维六向编织复合材料耐压柱壳。在此基础上,建立了微观纤维束-细观单胞-宏观构件的多尺度模型,使用三维Hashin失效准则和刚度折减方法,模拟计算了细观单胞的弹性模量和失效强度,其纵向拉伸和压缩强度的数值模拟结果与实验结果吻合较好。这为后续分析三维六向编织复合材料耐压柱壳在轴压、径压和静水压下的宏观压缩性能和渐进损伤数值模拟提供了模型支撑。 (3)搭载声发射和高速摄影无损检测设备,采用万能材料试验机开展了三维六向编织复合材料耐压柱壳的准静态轴向压缩实验,获得了力学响应结果,并通过微计算机断层扫描技术分析了三维六向编织复合材料耐压柱壳内部损伤形貌。针对三种不同径厚比耐压柱壳,分别开展了线性特征值屈曲、非线性屈曲和渐进损伤数值模拟,揭示了轴向压缩失效机理。结果表明:当径厚比为60、30和20时,三维六向编织复合材料耐压柱壳的轴向压缩强度分别为131.46 MPa、145.42 MPa和154.99 MPa。数值模拟的力学响应特性及损伤分布与实验结果吻合较好。进一步,径厚比大于30的三维六向编织复合材料耐压柱壳失效以结构屈曲为主,而径厚比小于等于30的三维六向编织复合材料耐压柱壳失效则由材料强度决定。 (4)搭载高速摄影和声发射无损检测设备,利用万能材料试验机开展了三维六向编织复合材料耐压柱壳的准静态径向压缩实验,并通过扫描电子显微镜镜观察了不同径厚比耐压柱壳的细观损伤形貌,获得了力学响应结果;针对不同径厚比耐压柱壳,开展了渐进损伤数值计算,揭示了径向压缩失效机理。结果表明:径厚比为20的三维六向编织复合材料耐压柱壳失效载荷相较于径厚比为30和60的三维六向编织复合材料耐压柱壳径向压缩载荷分别提高了1.21倍和12.20倍。通过误差比较,数值模拟与实验结果吻合较好。三维六向编织复合材料耐压柱壳内六向纱的存在阻止了裂纹的水平扩展,其失效由纤维拔出、纤维断裂、基体开裂和纤维/基体界面脱粘主导。 (5)设计制备了静水压试验所需的钛合金端盖,并进行了三维六向编织复合材料耐压柱壳的密封及防水处理。基于此,结合实时监控技术,开展了不同静水压下耐压柱壳的打压试验,获得了耐压柱壳的损伤过程和水压。同时,通过线性特征值屈曲、非线性屈曲和渐进损伤数值计算,揭示了静水压下三维六向编织复合材料耐压柱壳破坏与径厚比关联规律,阐明了失效机理。结果表明

关键词： 三维编织复合材料   振动能量收集   力电耦合   振动主动控制   PID控制  

摘要： 振动在日常工作和生活中无处不在,从振动中获取能量是一种绿色可持续的能量获取方法,因此,振动能量收集技术受到人们的广泛关注。但是,并非所有振动都适合用于能量收集,有些频率较低、振幅较小或者环境条件复杂的振动,无法有效地转化为可用的电能,这时就需要对振动进行控制,振动主动控制相比较于被动控制和半主动控制具有灵活性高、控制性能好等优势,因此振动主动控制在很多场合成为首选方案。本文将三维编织复合材料和压电材料结合,提出了一种新型的埋入式三维编织压电复合材料结构,以此结构为模型,研究了振动能量收集和振动主动控制。本文的主要研究内容如下: (1)根据三维四步法编织工艺,用B样条曲线对纤维纱线走向进行拟合,利用软件Solidworks构建了埋入式三维编织压电复合材料结构弹性层的几何模型,并在此基础上得到了三维编织复合材料的代表性体积单元(RVE)和有限元模型,并将其导入到Abaqus中进行仿真分析,得到了不同编织角下三维编织复合材料的弹性模量。 (2)将压电材料埋入到三维编织复合材料中,得到了一种新型的埋入式三维编织压电复合材料振动能量收集装置,对其施加外部激励,得到了其动力学模型,并利用Comsol软件对其进行模拟仿真分析,分别研究了不同编织角和不同埋入位置下该结构在不同激励频率、不同负载电阻和不同外部激励加速度下的输出响应。 (3)对压电传感器和压电作动器进行了理论分析,并基于欧拉伯努利梁理论推导出埋入式三维编织压电复合材料结构的状态空间方程。通过Matlab软件利用PID主动控制方法对其进行了振动主动控制仿真,研究了不同编织角、不同压电片作为作动器和不同埋入位置对振动控制效果的影响。

关键词： 编织复合材料   纤维断裂缺陷   纤维屈曲缺陷   基体类型   有限元模拟  

摘要： 三维编织复合材料(3DBC)由于多方向纱线,高结构完整性以及结构可设计性强等特点,常用于航空、航天等领域,比如飞机起落架,飞机尾翼以及风力发电机叶片,这些零部件在长期恶劣条件下服役,内部材料的缺陷会影响零件的性能,最终造成安全隐患,所以其力学性能和纤维损伤识别非常重要。 纤维断裂和屈曲缺陷是三维编织复合材料中不可避免的两种重要缺陷。本工作结合织造过程中的断丝以及屈曲缺陷提出一种测量纤维断丝率的新方法,结果表明纤维束断丝率在2%-46%之间。结合实验表征的断丝率结果,创建微观水平包含断丝和屈曲缺陷单向复合材料(UD)有限元模型,分析缺陷对UD拉伸性能影响;将UD力学性能结果引入四种不同编织角以及三种不同基体体系3DBCs模型中进行压缩测试,以验证模型的可靠性和适应性。 结果表明,纤维断裂和屈曲缺陷导致UD和3DBCs力学性能显著下降。当屈曲度为4.2°和纤维断裂缺陷体积分数为46%共同作用时,UD的强度和模量分别下降38.0%和13.6%,由此看出,缺陷对UD的强度影响大于模量影响。两类缺陷对3DBCs的影响也与编织角有关。当编织角为5°时,屈曲缺陷为4.2°和纤维断裂缺陷体积分数为46%时,导致3DBC的压缩强度和压缩模量分别下降31.2%和12.3%。当编织角为20°时,屈曲缺陷为4.2°和纤维断裂缺陷体积分数为46%时,分别使3DBC的压缩强度和压缩模量下降约12%和6.1%。但随着编织角的增大,压缩性能下降趋势逐渐趋缓。此外,基体类型对3DBCs的影响也不可忽略。影响不同基体类型3DBCs压缩性能变化的主要原因是基体和界面性能的变化。结果表明,降低基体模量和界面K值均导致3DBCs的强度和模量明显降低。当基体模量和K值同时降低时,这种降低现象进一步加剧。 本课题提出的建模方法可预测含有缺陷3DBCs力学性能,以全面评估3DBCs抗压能力。断丝测量以及屈曲建模方法可推广到含有大量纤维断裂和屈曲缺陷的复合材料中。

关键词： 六角环形三维编织   预制体   编织装备   纱线轨迹   表面性能  

摘要： 三维编织复合材料具有可设计性、轻质、高强、高损伤容限和抗冲击等优异性能,广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。编织预制体由于层间纤维连接,在受力时具有良好的抗分层性能,是获得高安全、高强、轻量化结构复合材料的关键承载结构。然而,目前三维编织预制体制备技术仍以行列式编织技术为主,但该技术处于半手工状态。特别是异形编织预制体,其成形速度慢、编织后的产品一致性差、三维编织预制体使用成本高,限制其广泛应用。旋转式编织技术自动化程度高,携纱器运动灵活,提高三维编织预制体的制备效率高。然而,高灵活度使得三维编织预制体的结构难以预测和控制,同时携纱密度小也限制了旋转式编织技术的发展。因此,本文以三维编织预制体的可控织造为核心,提出六角环形编织工艺,围绕编织工艺—预制体结构关系及三维编织预制体表面性能开展研究。 基于角轮驱动六角形编织原理,分析角轮排布方式对携纱器密度影响。探究角轮驱动六角环形编织预制体的成形规律,发明一种六角环形三维编织预制体的编织方法。根据机械传动设计六角环形装备机械结构,分析编织工艺中携纱器的空间运动规律与受力情况。利用角轮间隙组成类正弦波轨道,代替工程应用编织设备中固有的携纱器运动轨道,极大地提高了携纱器运动轨迹在编织工艺参数中的可控性。利用有限元仿真模拟了优化后机械结构的应力应变场和安全系数,搭建单位携纱密度高于四角环形编织58%的六角环形三维编织装备。 利用ADAMS软件开展六角环形三维编织虚拟样机运动学仿真研究,分析编织过程中携纱器与类正弦波轨道作用力和运动轨迹。提出了一种基于欧拉旋转矩阵建立角轮驱动携纱器编织预制体结构的仿真方法。此种方法利用矩阵运算的方式计算携纱器运动轨迹。利用此方法探究不同编织工艺参数下预制体拓扑结构变化。综合结果表明,编织工艺参数影响编织轨迹和预制体结构,不同角轮旋转角度得到不同纱线拓扑结构。纱线轨迹仿真曲线与ADAMS仿真中携纱器位移的变化曲线规律一致。 基于旋转矩阵模拟预制体结构方法建立编织工艺参数—预制体几何结构关系。针对提出的建立编织预制体结构的仿真方法中,生成纱线曲线无法表征纱线之间体积碰撞与受力情况的问题,引入收缩因子,分析编织交织点处纱线之间相互受力情况。在未改变纤维体积分数的情况下,确保了编织交织点处纱线模型未出现相互渗透。利用提出基于编织参数建立预制体几何模型的方法,发现此种编织方法可成形不同于其他编织方法的加强筋结构预制体。通过编织实验验证此种方法模拟预制体结构的准确性,结果表明加强筋结构可使相同纤维数量下的编织复合材料抗拉强度和最大载荷分别提高7.83%和7.72%。 根据编织工艺参数—预制体结构关系设计编织预制体结构,利用六角环形三维编织装备制备平板三维编织预制体。通过不同的表面处理方法探究不同表面处理方法对碳纤维三维编织预制体表面性能的影响,提出一种协同处理碳纤维三维编织预制体表面,增强三维编织复合材料界面性能的方法。表面处理后碳纤维三维编织复合材料界面性能提高了64.6%。此种表面处理方法增加预制体表面粗糙度和极性官能团浓度,促使预制体与基体界面之间从Cassie-Baxter状态转变到Wenzel状态所形成的机械联锁。实现在不去除碳纤维三维编织预制体表面施胶剂的情况下,提高预制体与基体之间的界面结合力。