机械工程学院黄庆学院士团队梁建国教授课题组在碳纤维复合材料领域取得新进展

我校机械工程学院黄庆学院士团队梁建国教授课题组在碳纤维复合材料领域取得突破，研发了空间分布式多束碳纤维同步缠绕装备并设计了相应控制策略；提出了一种纳入界面影响的短纤维复合材料非线性力学行为预测模型框架。相继在国际著名学术期刊《Chaos, Solitions and Fractals》以及《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》上发表题为“Dynamic analysis of the nonlinear fiber oscillator with fractional-order control in multi-filament fiber winding”与“Multiscale modeling of elasto-plastic behavior for short fiber composites considering interfaces”的研究论文。

团队针对新型多束碳纤维缠绕设备在高压容器缠绕过程中的碳纤维振子动力学行为，提出了一种耦合抑制型分数阶PD（CS-FOPD）控制策略。采用多尺度法分析二自由度系统主共振，推导稳态响应并结合Routh-Hurwitz判据评估稳定性，结果通过数值模拟进行了验证。并进一步探究了CS-FOPD控制在不同参数下对系统幅频特性、控制性能、多稳态现象、吸引域结构及全局分岔的影响。在无耦合控制下，分析主–超谐共振行为，并运用Lyapunov方法与Melnikov理论预测系统混沌的产生。仿真结果表明，该控制策略能够有效抑制系统振动，显著提升了设备的动态稳定性与控制性能，为新型多束碳纤维缠绕设备的稳定性提升与性能优化提供了关键理论依据。论文通讯署名单位太原理工大学机械工程学院，刘江林副教授为通讯作者，2023级硕士生房鑫磊为论文第一作者（DOI: 10.1016/j.chaos.2025.116385）。

针对短纤维复合材料非线性机械响应的精确预测模型对于其广泛应用具有重要意义。目前，取向平均（OA）方法在计算效率和预测准确性之间实现了较好的平衡，但由于忽略了纤维与基体界面的相互作用，常导致结果系统性偏高。为此，团队提出了一种融合界面效应的非线性预测模型框架。在传统OA方法基础上，结合分子动力学（MD）模拟与微滴脱粘实验获取纤维-基体界面特性，并引入内聚区模型以在OA框架内刻画界面力学行为。该模型成功预测了短碳纤维增强尼龙6复合材料的压缩非线性力学性能，并通过实验验证了其准确性。此框架将有效助力短纤维复合材料的服役性能评估与优化设计。论文通讯署名单位太原理工大学机械工程学院，梁建国教授为通讯作者，2021级博士生赵润田为论文第一作者（DOI: 10.1016/j.compositesa.2025.109095）。

研究工作获得了国家自然科学基金面上项目、山西省科技重大专项等项目的资助。