缠绕型CFRP圆管轴压力学性能

缠绕型CFRP管由于其编织角度的灵活性可以根据需要设计出力学性能不同的管构件,而缠绕型CFRP管的受力安全性能是其分析和应用的基本问题之一。首先对3种不同缠绕角度和长细比CFRP管进行压缩试验,着重观察了树脂基碳纤维增强复合材料的刚度、极限强度以及细观破坏模式。其次基于Chamis C. C. 刚度修正模型、开发了可以模拟各向异性材料拉压双模量的本构子程序（Usermat）,从而将Chamis C. C. 刚度修正模型导入ANSYS主程序中。并采用复合材料Hashin破坏准则验证了其本构模型。在此基础上,对加载过程进行了数值模拟,与试验结果进行比较,证明本构模型具有很好的适应性。最后基于试验结果与数值分析结果,得到了缠绕型CFRP细长管屈曲荷载计算公式。     

复合材料翼面壁板剪切稳定性

基于长桁铺层数不同的两块复合材料翼面T型加筋壁板试件SS-1和SS-2开展剪切稳定性试验。试件SS-1和SS-2的L型层合板铺层分别为11层和14层,腹板铺层分别为22层和28层,缘条铺层分别为15层和18层。采用提出的工程方法进行壁板的剪切屈曲应变分析,方法中考虑了长桁尺寸和铺层数的影响,并应用有限元弧长法进行试件屈曲载荷、后屈曲承载能力及剪切屈曲模态分析。试验结果表明,屈曲发生之前试件蒙皮处于均匀纯剪切应变状态,后屈曲阶段试件发生了长桁-蒙皮脱粘破坏失效,长桁铺层数较多的试件SS-2具有更高的屈曲载荷和蒙皮局部屈曲应变。工程方法计算得到试件SS-1和SS-2的剪切屈曲应变相对于试验结果的误差分别为–14.9%和–9.2%。有限元弧长法分析得到试件SS-1的屈曲载荷和屈曲应变误差分别为1.9%和2.7%,且剪切屈曲模态与试验结果一致。弧长法对不同长桁铺层数的研究结果表明,长桁铺层较少时,壁板发生整体失稳的材料破坏,而长桁铺层数较多时,更容易发生长桁与蒙皮的脱粘失效。      

GFRP管-铝合金管纤维缠绕齿连接接头拉伸试验

为了实现复合材料-铝合金连接,提出了一种新型GFRP管-铝合金管纤维缠绕齿连接接头,对2组GFRP管-铝合金管缠绕齿连接接头试件进行了拉伸试验,观察了试件的受力过程和破坏形态,获得了荷载-位移曲线和荷载-轴向应变曲线,同时利用有限元模型分析了GFRP管-铝合金管缠绕齿连接接头拉伸作用下的破坏机制。结果表明：接头试件的破坏模式为GFRP管齿的逐齿剪切破坏,破坏过程表现出延性特征并产生较大的轴向位移,试件对应GFRP管的平均极限拉应力为213.22 MPa;接头依靠齿的层间抗剪传递轴力,GFRP管齿是接头受力的薄弱部位,且各齿承受不均的荷载分配;齿的破坏始于齿根的角点处。     

CFRP-钢管混凝土结构研究的进展与展望

在预制的CFRP-钢管内部浇筑混凝土而形成以承受压力为主的构件,或者对需要增加新功能的或轻微受损的既有钢管混凝土结构进行CFRP增强、修复和加固,形成所谓的CFRP-钢管混凝土(CFRP-CFST)结构。CFRP-CFST可以充分发挥三向受压混凝土抗压强度高的优点,同时可以避免钢管的屈曲,并且承载力更高、耐久性更好。介绍了CFRP-钢管混凝土构件和节点静力性能和滞回性能的研究现状,包括试验研究、有限元模拟、理论分析、承载力指标以及构造措施等,最后指出了CFRP-CFST的复合受力、耐火性能以及框架和结构体系等后续研究内容。     

复合材料“T”形长桁压缩性能研究

压缩性能是飞机中央翼用“T”长桁上壁板的重要指标。为验证有限元分析方法模拟“T”形长桁压缩破坏过程的合理性,本文选取单根“T”形长桁作为试验件,并根据铺层和尺寸的不同将试验件分为4种。运用工程算法计算了长桁的局部屈曲载荷、压损载荷；用有限元算法计算了长桁的屈曲载荷、压损载荷；通过试验获得长桁的局部屈曲载荷、屈曲载荷和压损载荷。比较分析上述3种方式得到的结果,可以发现:工程计算结果与试验结果误差偏大,误差达到8%~50%,且全部偏于保守；有限元计算结果与试验结果较接近,误差在10%以内；利用有限元模拟试验件的压缩破坏过程得到的载荷-位移曲线与试验结果比较一致。研究结果表明,有限元计算分析方法可实际工程应用,为设计人员提供设计依据。     

基于分层损伤分析的碳纤维增强树脂复合材料-金属传动轴扭转性能

为提高油动四旋翼无人机载重能力,对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-金属传动轴进行研究。CFRP-金属传动轴扭转强度影响因素为CFRP管制孔质量问题和传动过程中销钉对连接孔的挤压作用。研究导致CFRP管孔入出口分层损伤的力学行为,揭示了CFRP管制孔质量的影响机制并优化了制孔工艺。利用扭转试验对销接式CFRP-金属传动轴和附有内外衬套的混合式CFRP-金属传动轴进行对比分析。结果表明:在CFRP管内外附有铝合金衬套可有效减少制孔时的分层损伤,使孔入口质量提高了4.4%,孔出口质量高了8.3%,同时抑制销钉对连接孔的挤压作用。优化后的传动轴承受扭矩从499 N·m提高到952 N·m。      

复合材料翼面壁板轴压稳定性

基于T型长桁铺层数不同的两块复合材料翼面加筋壁板试件SC-1和SC-2,开展轴压稳定性试验研究,并提出一种预测屈曲载荷及最小后屈曲承载能力的工程分析方法,结合有限元特征值屈曲分析方法、有限元弧长法对试件的屈曲载荷、屈曲模态及后屈曲承载能力进行分析。试验结果表明,铺层数较多的试件SC-1的蒙皮局部屈曲应变较高,壁板也具有更高的屈曲载荷。在后屈曲阶段,SC-2加载到试验屈曲载荷的2.4倍未发生材料破坏和长桁蒙皮间脱粘损伤。工程分析方法和特征值屈曲分析能够准确预测壁板的屈曲载荷,最大误差分别为-9.3%和-2.8%,工程分析得到SC-2的最小后屈曲承载能力为试验屈曲载荷的2.09倍。有限元弧长法分析得到两件试件的屈曲载荷误差均小于1%,并具有壁板轴压屈曲模态预测和变形跟踪能力。      

复合材料圆柱壳的轴压屈曲失效试验

为了研究高径比大于1的复合材料圆柱壳的轴压屈曲性能及其失效模式,对2组单向纤维圆柱壳和3组外侧环裹环向纤维圆柱壳进行了轴压试验,观察了试件的受力过程和破坏形态,获得了荷载-位移曲线和荷载-应变曲线,利用有限元模型分析了单向纤维圆柱壳两种屈曲形式的破坏机制,对比分析了两种铺层试件的轴压性能。结果表明:单向纤维复合材料圆柱壳出现先纵向劈裂后板壳屈曲和先柱壳屈曲后纵向劈裂的两种破坏模式;外侧环向纤维可改善圆柱壳的轴压性能,屈曲发展有一定的阶段性并表现出延性特征,破坏形式和承载力均较为稳定。     

负载条件下CFRP加固轴心受压钢管短柱受力性能研究

该文以试验、有限元与理论相结合的方法研究CFRP(碳纤维)布加固轴心受压钢管短柱构件;以不同负载百分比、不同CFRP粘贴方式为对比参数,研究了加固后构件的受力性能。主要讨论了对于不同负载程度、CFRP粘贴方式对加固后构件极限承载力和破坏形态的影响。通过试验与有限元数值模拟及参数分析,得到随着负载百分比的增大,加固后构件极限承载力呈下降趋势,在极限状态下,构件的破坏形态主要为端部局部屈曲破坏;在构件端部粘贴CFRP的加固效果优于中部加固效果;随着CFRP加固层数的增大,构件极限承载力随之增大,但增大百分比在达到一定程度后呈现下降趋势;随着构件厚度的增大,负载百分比和CFRP层数对构件承载力的影响呈下降的趋势,通过理论与试验和有限元结果的对比分析,得出采用该文所推导的理论可以用于负载条件下加固构件的承载力计算。     

复合材料圆柱壳轴压屈曲性能分析

对完整复合材料圆柱壳轴向压缩性能进行了试验研究,得到了圆柱壳结构的破坏载荷和各测量点的载荷-应变曲线,通过分析得出结构的破坏形式为屈曲破坏。利用ANSYS有限元软件建立了模型,对复合材料圆柱壳进行屈曲分析,将有限元计算的结构变形和屈曲载荷与试验结果进行对比,计算结果与试验结果一致,验证了模型的有效性。利用建立的有限元模型,分析了开口尺寸和铺层角度对含矩形开口的复合材料圆柱壳屈曲载荷的影响。在开口处加装复合材料口盖对结构进行补强,补强后的柱壳结构满足强度设计要求。     

Analysis of multi-layered filament-wound composite pipes under combined internal pressure and thermomechanical loading with thermal variations

The composite pipes manufactured by filament winding technology have anisotropic behavior owing to different reinforced ply angles. Composite pipes can be exposed to the thermomechanical loading due to hot fluid that flows into them. In this paper, based on the three-dimensional anisotropic elasticity, an exact elastic solution for thermal stresses and deformations of the pipes under internal pressure and a temperature gradient has been studied. Giving heat convection conditions the variation of temperature field within the pipe is obtained by solving the conduction equation at the wall. The influence of temperature field in the governing equations of thermoelasticity has been considered via a constitutive law. The shear extension coupling is also considered because of lay-up angles. Stress, strain and deformation distributions for different angle-ply pipe designs are investigated using the present theory.     

基于三维Puck失效准则及唯象模量退化的复合材料臂杆屈曲分析

针对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）臂杆结构在压缩和扭转载荷条件下屈曲与后屈曲问题,采用三维Puck失效准则和基于唯象分析的模量退化方法,同时考虑层合结构就位效应及沿纤维方向应力对横向强度的影响,建立了一种适用于考虑渐进失效CFRP结构的屈曲分析方法,并通过编写有限元软件ANSYS的USERMAT子程序进行了数值实现。与文献中实验结果的对比表明,上述方法能够分析复合材料结构的渐进失效过程和后屈曲承载特性,预测精度高。进而采用此方法,详细分析了某航天器臂杆结构在承受压缩与扭转载荷条件下的屈曲载荷及后屈曲特性。      

复合材料夹芯梁屈曲破坏模式及极限承载

为研究复合材料夹芯梁在轴压作用下的屈曲、后屈曲特性及承载能力,进行了试验研究与有限元仿真。首先,开展了系列复合材料夹芯梁屈曲特性试验,研究了铺层比例、梁长度、表层厚度及芯层厚度等因素对其屈曲、后屈曲破坏模式及极限承载的影响;然后,基于非线性屈曲理论,采用三维内聚力界面单元模拟面芯脱粘,并引入初始预变形及材料损伤准则对复合材料夹芯梁在轴压下的屈曲特性及极限承载进行仿真研究。结果显示:界面脱粘是屈曲破坏的重要模式;仿真计算的极限承载与试验结果相比,误差控制在10%以内。所得结论表明该方法可有效预报复合材料夹芯梁的后屈曲路径、破坏模式及极限承载。      

Optimization of shear-deformable laminated plates under buckling and strength criteria

A shear deformable laminated theory is used to study the optimal design of rectangular plates under biaxial compressive loads. Such loads lead to plate failure by buckling or material failure which corresponds to the violation of the selected strength criterion. The minimum of the two loads (buckling load or material failure load) determines the critical failure load for a given set of problem parameters. At the optimum values of the ply angles, buckling or both failure criteria may be operational depending on the laminate thickness. The present study investigates the effect of laminate thickness on the optimal design and gives numerical results for symmetrically laminated angle-ply plates.     

Optimisation of geometrically non-linear composite structures based on load–displacement control

A design optimisation methodology for beam reinforced composite structures with non-linear geometric behaviour is proposed. The formulation involves displacement, stresses, buckling and size constraints. The Newton–Raphson iterative procedure and the arc-length method are used for tracing equilibrium path and later updating the buckling load and the first ply failure load. The proposed sensitivity analysis model is based on an approach of the adjoint variable method for structures with non-linear geometric behaviour. The optimal design performs on a multilevel scheme based on structural efficiency maximisation exploring the anisotropic properties of the composites and weight minimisation using the ply thickness and the cross-section variables of the stiffeners. To demonstrate the applicability of the proposed developments, optimisation problems considering first ply failure and buckling conditions are presented.     

面内线性变化载荷作用复合材料层合板的振动与屈曲优化

采用广义微分求积（GDQ）法开展了不同边界条件下承受面内线性变化载荷作用复合材料层合板振动与屈曲的分析与优化。针对GDQ法求解面内线性变化载荷工况复合材料层合板屈曲问题存在计算振荡、不收敛现象,提出载荷扰动策略实现了GDQ法对复合材料层合板屈曲问题的稳定高效求解。基于基础圆频率和临界屈曲载荷系数的归一化指标,分析了铺层角度对复合材料层合板综合性能的影响,并结合直接搜索模拟退火算法开展了复合材料层合板的铺层顺序优化。结果表明:铺层角度变化对屈曲性能的影响明显强于频率特性;面内线性变化载荷中,以弯曲载荷作用下复合材料层合板的优化综合性能受边界条件变化的影响最小,而优化铺层角度受边界条件变化的影响最大。研究结果为复杂载荷作用下复合材料层合板的设计提供了参考。      

含拼接铺层碳纤维增强树脂复合材料拉伸破坏机制

对于尺寸较大或形状复杂的结构,通常需要在纤维增强树脂（FRP）复合材料内部对铺层进行拼接处理。铺层拼接会在材料内部引起复杂的应力分布,具有突出的安全隐患。以同一位置处出现不同层数铺层拼接的单向碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料为研究对象,重点分析了铺层拼接对材料拉伸力学性能的影响机制。通过拉伸实验,测试了拼接对其力学强度的影响;用相机记录了破坏过程,并结合数字图像相关技术（DIC）对拼接位置附近的应变场进行了监测。利用有限元模型（FEM）模拟和分析结构的破坏机制,采用3D-Hashin准则和渐进损伤模型对CFRP复合材料铺层进行模拟;采用内聚力模型对胶层失效行为进行描述。实验结果表明,拼接结构的引入大幅降低了材料的抗拉强度。FEM模拟与实验测试结果吻合度高,说明了模型的有效性。综合实验结果和模拟分析得到,铺层拼接处产生应力集中,造成被拼接的两部分分离并伴随拼接铺层和连续铺层的层间剪切破坏;层间破坏发生后,拉伸载荷完全由连续铺层承载。因此,材料的最终承载能力由材料中连续铺层数决定。      

横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱双向偏压力学性能研究及承载力计算

为研究横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱的双向偏压力学性能,对两根横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱试件展开了双向偏压加载试验,探究了不同偏心距对试件在双向偏压荷载下的荷载-变形曲线、破坏模态和截面应变发展状况的影响,分析了波纹板与钢管、混凝土之间的相互作用机理。在试验基础上运用有限元模拟,分析了偏心距、加载角度、钢管厚度、波纹板厚度等多种参数对横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱双向偏压荷载下承载力、延性、刚度等力学性能的影响规律,得出钢管厚度增大柱的极限承载力显著提高,加载角度对极限承载力影响不大等主要结论。最后,参考欧洲《EC4》规范钢混组合柱承载力的计算方法,提出了横肋波纹钢板-方钢管混凝土组合柱双向偏压承载力实用计算公式,以期为工程实践提供参考。