2025年(復(fù)合材料設(shè)計(jì)工程師)復(fù)合材料設(shè)計(jì)技術(shù)試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分。每題只有一個(gè)正確答案，請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填入括號(hào)內(nèi)）1.在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板設(shè)計(jì)中，若采用[0/45/90/45]s對(duì)稱鋪層，其面內(nèi)剪切模量G12主要受哪一組鋪層角度控制？A.0°與90°B.45°與45°C.0°與45°D.90°與45°答案：B2.對(duì)于環(huán)氧樹脂基碳纖維單向預(yù)浸料，下列哪一項(xiàng)不是影響其固化度測(cè)定的DSC曲線關(guān)鍵參數(shù)？A.玻璃化轉(zhuǎn)變溫度TgB.殘余放熱峰面積ΔHresC.熔融焓ΔHmD.起始固化溫度Tonset答案：C3.在夾層結(jié)構(gòu)面板芯材界面剝離強(qiáng)度測(cè)試中，根據(jù)ASTMC297標(biāo)準(zhǔn)，試樣寬度通常為：A.25mmB.50mmC.75mmD.100mm答案：B4.采用HalpinTsai方程預(yù)測(cè)短纖維復(fù)合材料縱向彈性模量時(shí)，若纖維長(zhǎng)徑比l/d→∞，則方程漸近值對(duì)應(yīng)于：A.混合律下限B.混合律上限C.Cox剪切滯后解D.修正混合律答案：B5.在真空輔助樹脂灌注（VARI）工藝中，為了降低干斑風(fēng)險(xiǎn)，樹脂粘度應(yīng)控制在：A.50–150mPa·sB.200–500mPa·sC.600–900mPa·sD.1000–1500mPa·s答案：A6.對(duì)于碳纖維/環(huán)氧層合板，在濕熱環(huán)境下發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下降的主要機(jī)理是：A.樹脂氧化B.纖維基界面脫粘C.樹脂塑化D.纖維吸濕膨脹答案：C7.在復(fù)合材料沖擊后壓縮（CAI）試驗(yàn)中，沖擊能量通常按：A.試樣厚度平方歸一化B.試樣寬度歸一化C.試樣面密度歸一化D.試樣長(zhǎng)度歸一化答案：A8.采用TsaiWu張量準(zhǔn)則進(jìn)行二維失效分析時(shí)，需獨(dú)立測(cè)量的強(qiáng)度參數(shù)共：A.2個(gè)B.3個(gè)C.5個(gè)D.6個(gè)答案：C9.在風(fēng)電葉片主梁帽鋪層優(yōu)化中，為提高屈曲穩(wěn)定性而增加的±45°鋪層比例一般不宜超過(guò)：A.15%B.30%C.45%D.60%答案：B10.關(guān)于碳纖維表面等離子體處理，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是：A.可提高表面粗糙度B.會(huì)引入含氧官能團(tuán)C.處理時(shí)間越長(zhǎng)界面剪切強(qiáng)度越高D.過(guò)度處理可能導(dǎo)致纖維單絲強(qiáng)度下降答案：C二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分。每題有兩個(gè)或兩個(gè)以上正確答案，多選、少選、錯(cuò)選均不得分）11.下列哪些因素會(huì)顯著降低碳纖維/環(huán)氧層合板的層間斷裂韌性GIC？A.樹脂交聯(lián)密度過(guò)高B.纖維表面未上漿C.固化冷卻速率過(guò)快D.吸濕率0.3%E.采用高韌性環(huán)氧體系答案：A、B、C12.在熱壓罐成型過(guò)程中，可能導(dǎo)致層合板厚度超標(biāo)的原因包括：A.預(yù)浸料樹脂含量偏高B.固化壓力不足C.保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)D.真空袋破損E.升溫速率過(guò)快答案：A、B、D13.關(guān)于芳綸纖維（Kevlar?）增強(qiáng)復(fù)合材料，下列描述正確的是：A.密度低于碳纖維B.壓縮強(qiáng)度高于玻璃纖維C.對(duì)紫外敏感D.適合高沖擊韌性需求E.易吸濕導(dǎo)致界面弱化答案：A、C、D、E14.在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，可作為嵌入式傳感元件的有：A.光纖布拉格光柵B.電阻應(yīng)變片C.碳納米管薄膜D.壓電陶瓷PZTE.形狀記憶合金絲答案：A、C、D15.采用有限元漸進(jìn)失效分析層合板時(shí)，常用退化策略包括：A.瞬時(shí)剛度降為零B.折減纖維方向模量C.折減剪切模量D.折減橫向模量E.折減泊松比答案：B、C、D三、填空題（每空2分，共20分）16.經(jīng)典層合板理論假設(shè)層間________應(yīng)變連續(xù)，忽略________應(yīng)力。答案：面內(nèi)；層間正/剪（任填“層間”即可）17.當(dāng)碳纖維/環(huán)氧單向?qū)雍习逖乩w維方向受拉時(shí)，其破壞模式主要為________斷裂；若受橫向拉伸，則破壞模式為________開裂。答案：纖維；基體18.在夾層結(jié)構(gòu)彎曲剛度計(jì)算中，等效彎曲剛度D≈________（寫出含面板彈性模量Ef、厚度tf、芯材厚度tc的近似式）。答案：Eftf(tc+tf)2/219.采用真空袋壓工藝時(shí)，為保證充分壓實(shí)，預(yù)浸料堆疊后需在________溫度下進(jìn)行________分鐘冷抽真空。答案：室溫；15–30（任填15–30范圍內(nèi)數(shù)字）20.根據(jù)Griffith斷裂理論，臨界應(yīng)變能釋放率GIC=________，其中σc為臨界應(yīng)力，a為裂紋長(zhǎng)度，E為彈性模量。答案：πσc2a/E21.在RTM工藝充模模擬中，常用的控制方程為________方程與________方程耦合。答案：Darcy；連續(xù)性22.碳纖維表面電化學(xué)氧化處理時(shí)，通常以________作為電解液，電流密度控制在________A/m2量級(jí)。答案：碳酸氫銨或稀硫酸；50–20023.對(duì)于[0/90]4s層合板，其面內(nèi)熱膨脹系數(shù)αx在0°方向主要受________方向鋪層控制，而αy主要受________方向鋪層控制。答案：0°；90°24.在復(fù)合材料螺栓連接設(shè)計(jì)中，端距e與孔徑d之比e/d推薦大于________，以避免________破壞。答案：3；剪切out25.采用紅外熱波無(wú)損檢測(cè)時(shí)，熱擴(kuò)散長(zhǎng)度μ=________，其中α為熱擴(kuò)散系數(shù)，f為調(diào)制頻率。答案：√(α/πf)四、簡(jiǎn)答題（每題8分，共24分）26.闡述真空輔助樹脂灌注（VARI）工藝中“樹脂流動(dòng)前鋒包氣”缺陷的形成機(jī)理，并給出兩條工程解決措施。答案：形成機(jī)理：1.纖維束滲透率各向異性導(dǎo)致樹脂沿纖維方向快速流動(dòng)，橫向流動(dòng)滯后，形成封閉干區(qū)；2.真空袋皺褶或?qū)Я骶W(wǎng)搭接不當(dāng)造成局部低壓死區(qū)，氣體無(wú)法及時(shí)被抽走；3.樹脂粘度上升過(guò)快，后期流動(dòng)阻力增大，氣泡無(wú)法遷移。解決措施：a.在包氣高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域增設(shè)螺旋抽氣管或局部抽氣槽，保證持續(xù)負(fù)壓；b.優(yōu)化注膠口位置與數(shù)量，采用“中心注入、邊緣抽氣”或“梯度注入”策略，使流動(dòng)前鋒單向推進(jìn)，避免匯聚。27.比較熱壓罐（Autoclave）與熱壓成型（Hotpress）兩種工藝在制造高纖維體積含量（>60%）環(huán)氧碳纖維層合板時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)各兩條。答案：熱壓罐優(yōu)點(diǎn)：1.均勻高壓（0.6–0.8MPa）可充分壓實(shí)，孔隙率<1%；2.溫度均勻，適合厚截面件。缺點(diǎn)：1.設(shè)備成本高、能耗大；2.周期長(zhǎng)達(dá)4–6h。熱壓成型優(yōu)點(diǎn)：1.周期短（10–20min），適合批量；2.設(shè)備投資低。缺點(diǎn)：1.壓力受限（<0.3MPa），孔隙率較高；2.溫度均勻性差，厚截面易梯度固化。28.說(shuō)明復(fù)合材料層合板在濕熱環(huán)境下彎曲模量下降的物理機(jī)制，并給出試驗(yàn)室加速老化的標(biāo)準(zhǔn)條件。答案：物理機(jī)制：1.樹脂吸濕后自由體積增加，鏈段運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，導(dǎo)致玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg下降，基體模量降低；2.界面相吸濕膨脹產(chǎn)生微裂紋，削弱載荷傳遞；3.纖維/基體膨脹系數(shù)差異引起內(nèi)應(yīng)力，降低有效剛度。加速老化標(biāo)準(zhǔn)：ASTMD5229/D5229M，85°C、85%RH，吸濕平衡或指定時(shí)間（如1000h）。五、計(jì)算題（共41分）29.（10分）已知碳纖維/環(huán)氧單向?qū)雍习澹篍1=140GPa，E2=9GPa，G12=4.5GPa，ν12=0.3。求該材料在平面應(yīng)力條件下的工程常數(shù)ν23（假設(shè)橫觀各向同性）。答案：由橫觀各向同性假設(shè)，ν23=ν32，且滿足E2=E3，G23=E2/[2(1+ν23)]。利用柔度矩陣對(duì)稱性：S22=S33，S12=S13，S44=2(S22?S23)。已知G23=E2/[2(1+ν23)]，又G23可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，但題目未給，故采用近似經(jīng)驗(yàn)：對(duì)于環(huán)氧基體，ν23≈0.4–0.5，取中值0.45。驗(yàn)證：S23=?ν23/E2=?0.45/9=?0.05GPa?1，S22=1/E2=0.111GPa?1，G23=1/(S44)=1/[2(S22?S23)]=1/[2(0.111+0.05)]=3.1GPa，與經(jīng)驗(yàn)值3–3.5GPa吻合。故ν23=0.45。30.（15分）某T300/環(huán)氧層合板[0/45/90/45]2s，單層厚度0.125mm，受Nx=1500N/mm面內(nèi)軸壓。已求得A11=105kN/mm，D11=45kN·mm。忽略屈曲，求：（1）面內(nèi)應(yīng)變?chǔ)舩；（2）0°鋪層應(yīng)力σ1；（3）若0°鋪層壓縮強(qiáng)度σ1C=1800MPa，求極限安全系數(shù)。答案：（1）εx=Nx/A11=1500/105000=0.01429（壓應(yīng)變）。（2）0°鋪層Q11=135GPa，σ1=Q11·εx=135000×0.01429=1929MPa（壓）。（3）安全系數(shù)F=σ1C/|σ1|=1800/1929=0.93，小于1，預(yù)示0°鋪層將發(fā)生纖維方向壓縮破壞，設(shè)計(jì)不合格。31.（16分）風(fēng)電葉片主梁帽采用CFRP矩形層合梁，跨度L=8m，受均布載荷q=18kN/m，梁寬b=120mm，總高h(yuǎn)=60mm，鋪層比0°:±45°=70%:30%，0°鋪層Xc=1400MPa，許用剪切τ=80MPa。要求：（1）按最大彎曲應(yīng)力校核最小鋪層厚度t；（2）按最大剪切校核芯材剪切穩(wěn)定性（假設(shè)芯材承載全部剪切）。答案：（1）Mmax=qL2/8=18×82/8=144kN·m，σ=M·y/I，I=bh3/12=120×603/12=2.16×10?mm?，y=h/2=30mm，σ=144×10?×30/2.16×10?=2000MPa>Xc，不滿足。需增加高度或厚度。設(shè)0°鋪層總厚t0，等效模量Eeff=0.7E0+0.3E±45≈0.7×140+0.3×12=101.6GPa，改用等效截面法，重新計(jì)算中性軸，迭代得h需≥78mm，取80mm，此時(shí)σ=1120MPa<Xc，合格。（2）Vmax=qL/2=72kN，τ=V/(b·hweb)=72000/(120×80)=7.5MPa<80MPa，滿足。六、綜合設(shè)計(jì)題（30分）32.某電動(dòng)垂直起降（eVTOL）機(jī)身地板為碳纖維/環(huán)氧蜂窩夾層板，設(shè)計(jì)指標(biāo)：面密度≤5kg/m2，在均布載荷5kPa下中心撓度≤L/250（L=0.6m簡(jiǎn)支邊），沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度≥200MPa。已知：面板T300/環(huán)氧[0/90]2s，ρf=1600kg/m3，Ef=70GPa，σc=450MPa；鋁蜂窩芯HexWeb?5052，ρc=64kg/m3，Gc=0.12GPa，τc=1.8MPa；膠膜剪切強(qiáng)度τa=25MPa。任務(wù)：（1）確定面板厚度tf與芯材高度tc；（2）計(jì)算沖擊后壓縮強(qiáng)度（CAI）并驗(yàn)證；（3）給出工藝路線（含蜂窩拼接、防潮密封）。答案：（1）剛度控制：簡(jiǎn)支板中心撓度w=αqL?/D，α=0.00406（四邊簡(jiǎn)支方形），D=Eftf(tc+tf)2/2(1?ν2)，設(shè)ν=0.3，令w=L/250=2.4mm，解得D≥5kPa×(0.6)?×0.00406/0.0024=1.1kN·m，迭代得tf=0.25mm，tc=12mm，D=1.25kN·m，滿足。面密度=2tfρf+tcρc=2×0.25×1.6+12×0.064=0.8+0.768=1.568kg/m2<5，