CFRP-OFBG板加固损伤钢梁抗弯疲劳试验及其寿命预测研究

为研究采用碳纤维增强复合材料(CFRP)加固后钢梁的疲劳性能,采用自主研发的具有自监测性能的智能碳纤维-光纤光栅板(CFRP-OFBG板)加固受损钢梁,在完成常幅荷载四点弯曲疲劳试验的基础上,研究不同应力幅作用下CFRP-OFBG板加固钢梁的疲劳性能。借助有限元方法,建立“三维实体”有限元模型,结合J积分计算方法求解得到加固钢梁裂纹尖端的应力强度因子,基于线弹性断裂力学理论建立疲劳裂纹扩展模型,对CFRP-OFBG板加固钢梁的疲劳裂纹扩展寿命进行预测。研究表明：CFRP-OFBG板的加固作用可有效提高受损钢梁的疲劳寿命,延缓裂纹扩展速率,改善裂纹尖端的受力状态,降低裂纹尖端的应力强度因子;在循环荷载作用下,CFRP-OFBG板加固试件的疲劳寿命均随着应力幅的增大呈现递减趋势。将试验结果与预测结果相比较,发现加固试件疲劳寿命预测值比试验值略高,分析认为,这主要是因为在有限元模拟时没有考虑到试验中CFRP-OFBG板的局部剥离。     

焊接、拉挤成型CFRP板与湿法缠绕成型CFRP布加固钢梁疲劳特性对比分析

采用3种不同方法,即焊接、碳纤维复合材料(CFRP)板或湿法缠绕成型CFRP布粘结,对有缺陷的钢梁进行加固,研究加固后钢梁的疲劳性能。选用了2种不同的CFRP材料和2种环氧树脂,对每根梁跨中截面的受拉翼缘进行削切。CFRP板和CFRP布加固钢梁的屈曲模式不同。研究发现,1层CFRP板和环氧树脂加固方法延长的疲劳寿命是单一焊接方法的7倍;4层CFRP布加固梁能够将疲劳寿命延长3倍。根据试验数据的平均值绘制S-N曲线,通过其预测类似CFRP材料加固钢梁的疲劳寿命,使用条形应变仪测定裂纹扩展速率。疲劳荷载作用下CFRP板抵抗裂纹扩展的性能优于CFRP布。最大应力和裂纹扩展速率之间的关系能够用于预测类似CFRP材料加固钢梁的裂纹扩展长度。     

带端部锚具碳纤维复材板加固开裂钢梁的界面剥离规律研究

黏接界面是碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢结构的最薄弱环节,尤其是钢梁缺陷处黏接层易开裂导致加固结构的破坏。对带端部锚具的CFRP加固开裂钢梁进行静载和疲劳试验,记录了试验过程中钢梁裂纹尖端开裂和胶层剥离情况。试验结果表明:静载作用下,界面剥离发生在跨中裂缝处并向两端延伸,端部锚具防止了CFRP板的通长剥离;端部锚具进一步提高了加固梁的极限承载能力,有利于提高加固梁的安全性;疲劳荷载作用下,界面剥离扩展速率在纯弯段基本不变,在弯段外加速扩展;静载作用下,钢梁腹板裂纹尖端开裂过程较缓,具有明显的塑性变形阶段,而疲劳荷载作用下裂纹尖端开裂则呈现突发性。     

基于断裂力学的焊接钢梁疲劳寿命数值分析

研究应用断裂力学理论和有限元方法来数值模拟和预测焊接钢结构疲劳寿命的方法。首先基于两种具有不同焊接构造细节的钢梁疲劳试验中裂纹形成位置和扩展途径,建立了基于应力强度因子概念的疲劳裂纹扩展模型及相关参数;然后讨论如何利用有限元软件ABAQUS进行疲劳裂纹扩展过程中裂纹前缘的单元网格划分和应力强度因子的J积分计算,给出了疲劳寿命预测计算流程。最后经预测结果与试验结果的比较,验证了焊接钢结构疲劳寿命的数值分析模型和方法的适用性。     

基于扩展有限元的组合梁推出试验精细化分析

大量工程实践表明,组合梁的破坏主要源于抗剪栓钉的疲劳破坏。在疲劳荷载下,承受拉压循环应力的栓钉裂纹萌生、扩展至最终断裂,使钢梁与混凝土的组合作用失效,所以研究栓钉中裂纹萌生及扩展规律对实际工程具有重大意义。扩展有限元(eXtended Finite Element Method,XFEM)是近年来发展起来的一种求解涉及移动非连续问题的有效方法。基于ABAQUS平台利用此方法建立了组合梁推出试验的模型,进行了静力承载力以及疲劳寿命分析,模拟了栓钉中裂纹从萌生到断裂失效的过程,并根据计算结果拟合推出了试验中栓钉的应力幅-寿命曲线,与试验结果及相关规范进行了对比。结论表明扩展有限元的方法具有较强的裂纹模拟能力,计算方便,结果精确,可推广应用于此类断裂问题。     

不同纤维增强复合材料加固钢梁疲劳性能试验研究

对外贴高弹模碳纤维增强复合材料(高弹模CFRP)板、高强度CFRP板、钢丝-玄武岩纤维复合板(SBFCP)和焊接钢板等加固人工受损钢梁疲劳性能进行试验研究,分析不同材料加固对钢梁疲劳性能的影响,讨论钢梁疲劳加固效果的影响因素。试验结果表明:等拉伸刚度加固条件下,纤维增强复合材料加固钢梁的疲劳寿命总体上是未加固钢梁的3.33～5.26倍,而焊接钢板加固钢梁的疲劳寿命是未加固钢梁的1.74倍;与传统焊接钢板加固相比,纤维增强复合材料可以推迟钢梁裂纹的萌生,降低裂纹的扩展速率和钢梁的残余挠度,增加构件的疲劳寿命,改善构件的破坏模式,其中高弹模CFRP板加固效果最理想,而SBFCP加固性价比最高;加固材料和界面对疲劳性能有明显的影响。     

焊接钢梁裂纹扩展速率及其参数研究

通过对美国公路协作规划(NCHRP)的102号和147号报告中焊接钢梁A441(相当于我国的Q345钢)的疲劳试验数据进行再分析,得出疲劳裂纹扩展速率的概率分布,并对Paris裂纹扩展速率公式中的参数进行了统计分析,为我国老钢桥的剩余疲劳寿命的可靠性预测提供技术支持。     

交叉型裂纹扩展的近场动力学分析

为了研究交叉型裂纹的扩展模式及主次裂纹长度比值对裂纹扩展模式的影响,基于近场动力学(peridynamics,PD)理论建立模型,在本构方程中引入长程力作用,采用体积修正提高计算精度。基于该数学模型编写Fortran程序对含交叉型裂纹二维板的裂纹扩展进行数值模拟。以T形交叉型裂纹为例,分析拉伸载荷作用下主次裂纹长度比值对裂纹扩展的影响,计算无量纲应力强度因子并与解析解进行对比。结果表明:近场动力学方法可以很好地对T形裂纹的结构裂纹扩展进行模拟;主次裂纹长度比值增大,裂纹扩展速率有减小的趋势,并且由次裂纹引发的裂纹扩展夹角有增大的趋势。     

B780CF钢焊接接头疲劳裂纹扩展速率可靠性研究

对B780CF钢在不同的焊接工艺下疲劳裂纹扩展行为进行试验,研究其概率疲劳规律。采用七点递增多项式拟合方法,计算了一系列不同焊接工艺下相同裂纹长度存活率分别为50%、90%、95%、99%、99.9%的裂纹扩展速率,得到了不同焊接工艺下疲劳裂纹扩展速率曲线及表达式。定量分析了在不同可靠度下焊接工艺对疲劳裂纹扩展速率及Paris公式中两个重要参数的影响。     

钢桥面板横隔板弧形开孔疲劳裂纹扩展三维数值模拟

文章针对正交异性钢桥面中横隔板弧形开孔处的典型疲劳开裂,基于线弹性断裂力学理论,采用ANSYS软件建立了三维裂纹扩展数值模拟方法。在此基础上,利用相互作用积分法计算得到的裂纹尖端应力强度因子K作为基本参量对该部位三维疲劳裂纹扩展特性进行研究。研究结果表明:正交异性钢桥面板横隔板弧形开孔处疲劳开裂以张开型开裂为主,同时随着疲劳裂纹扩展的不断进行,应力强度因子幅值不断增加,说明裂纹扩展速率也在加快;该处疲劳裂纹扩展到后期为穿透型疲劳裂纹,裂纹前缘趋于平齐。因此,对于横隔板弧形开孔处疲劳裂纹可以采用板单元进行二维疲劳裂纹扩展模拟,简化计算工作量,更高效进行后续研究工作。     

孔洞对爆生裂纹动态扩展行为影响研究

试验研究含有预制裂纹的砂岩圆板在爆炸荷载下不同孔洞间距(S)对裂纹动态扩展行为的影响。试验中采用应变片测试获取爆炸加载波形作为AUTODYN数值模拟裂纹扩展效果及ABAQUS数值计算应力强度因子的加载力。试验中采用CPG测得裂纹起裂—扩展时刻,根据测得试验数据得出普适函数,对ABAQUS计算所得应力强度因子进行修正最终得到裂纹动态极限应力强度因子。通过对比分析在不同孔间距下裂纹的动态极限应力强度因子,裂纹扩展长度及裂纹扩展速度得出以下述结论:(1)孔洞对爆炸荷载下的预制裂纹动态扩展行为有所影响,且孔洞间距越小其影响效果越显著;(2)一般情况下裂纹的起裂极限应力强度因子要略高于扩展极限应力强度因子,裂纹的扩展速度对裂纹扩展极限应力强度因子有一定影响,且二者总体趋势呈反比;(3)当裂纹扩展至孔洞附近时,由于孔洞的作用提高了裂纹的扩展极限应力强度因子,进而降低了裂纹的扩展速度并减小了裂纹的扩展长度。此外若将孔洞视为隧道光面爆破中的辅助孔或周边孔,那么研究结论可为隧道光面爆破中控制断面内的原生裂纹扩展长度,以期达到隧道围岩最大程度上的完整性提供理论支撑。     

用DDM实现弹性体裂纹演化的动态跟踪

本文采用位移不连续数值方法 (DisplacementDiscontinuityMethod ,简称DDM)求解二维复合型裂纹在任意荷载条件下的断裂扩展问题。针对二维裂纹的破坏演化特征 ,建立了外荷载逐次增量及在最大拉应力准则下 ,沿裂纹扩展方向的单元自动追加的裂纹扩展动态过程的DDM跟踪方法。得到了单裂纹条件下的理论解及其与规则排列的双裂纹实验结果高度吻合的计算结构。该方法直接在裂纹体上划分单元 ,并且在裂纹演化过程中仅需在原有基础上追加单元 ,程序实现简单、单元数少 ,便于在微机上实现多裂纹的扩展模拟。     

爆炸载荷下Ⅰ型裂纹的起裂及扩展规律研究

为了研究爆炸载荷作用下I型裂纹的断裂韧度参数及扩展规律,首次将裂纹扩展计(crack propagation gauge,CPG)和内部单裂纹圆盘(single internal crack circular disc,SICCD)试件引入到爆炸载荷下的韧度测试中。试验采用了大尺寸PMMA试件和示波器、超动态应变仪搭接的测试系统,并利用动态有限差分软件AUTODYN和有限元软件ABAQUS建立数值计算模型,通过试验–数值法得出I型裂纹的裂纹扩展速度、动态起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度等断裂参数。试验结果表明:(1)预制裂纹在扩展过程中,扩展路径出现拐点时,会产生明显的止裂现象,当裂纹再次起裂时,速度会明显上升。(2)CPG能够更加精准地监测裂纹的扩展规律,结合试验–数值法能够很好地计算出裂纹的起裂韧度等动态参数,为爆炸试验断裂参数的获取提供了一种新型的测试方法。(3)初步的分析表明爆炸载荷下动态止裂韧度要大于动态起裂韧度和动态扩展韧度。     

含裂纹试件双轴压缩裂纹扩展数值模拟研究

为研究内水压作用下的岩石内部裂纹扩展规律,利用围线积分计算裂纹在水压及单、双轴压力下的裂纹扩展特性,并与现有的试验结果进行了对比。研究结果表明:单、双裂纹首先在裂纹的尖端生成“翼形裂纹”,水力压裂因子越大,单裂纹翼裂纹与原预制裂纹的夹角越小;水力压裂因子越大,监测点的裂纹扩展速率越快,对于单裂纹而言,断口处的扩展速率要高于长轴,对于双裂纹试样,裂纹内侧的扩展速率则要大于外侧;水力压裂因子越大,1、2、3型应力强度因子也越大。研究成果为认识水压力以及双轴应力下的单、双内裂纹扩展机理提供了一定的参考。     

用DDM实现弹性体裂纹演化的动态跟踪

本文采用位移不连续数值方法（Displacement Discontinuity Method,简称DDM）求解二维复合型裂纹在任意荷载条件下的断裂扩展问题，针对二维裂纹的破坏演化特征，建立了外荷载逐次增量及在最大拉应力准则下，沿裂纹扩展方向的单元自动追加的裂纹扩展动态过程的DDM跟踪方法，得到了单裂纹条件下的理论解及其与规则排列的双裂纹实验结果高度吻合的计算结构。该方法直接在裂纹体上划分单元，并且在裂纹演化过程中仅需在原有基础上追加单元，程序实现简单，单元数少，便于在微机上实现多裂纹的扩展模拟。     

基于RPC试件的爆炸应力波作用下I型裂纹扩展行为的研究

为了研究爆炸荷载下I型裂纹的扩展行为,提出带预制裂纹的矩形板试件(RPC)。采用均匀且透明性好的有机玻璃制作试件。实验系统由超动态应变仪、示波器、恒压电源、电阻应变片以及裂纹扩展计组成。电阻应变片与裂纹扩展计分别被用于测量爆炸荷载与裂纹扩展速度。采用扫描电镜对裂纹扩展断面进行观察。在AUTODYN中模拟RPC试件中的裂纹动态扩展现象,采用JWL方程描述爆生产物的状态,线性状态方程被用于模拟有机玻璃压力与密度的关系,并采用修改的最大主应力准则预测材料的破坏状态。基于位移外推法,在ABAQUS中建立计算裂纹尖端动态应力强度因子的数值模型。通过实验与数值结果可得:(1)爆炸应力波作用下I型裂纹会形成稳定扩展阶段与不稳定扩展阶段;(2)裂纹稳定扩展阶段会形成粗糙度逐渐降低的断面,裂纹不稳定扩展阶段形成的断面较为光滑;(3)裂纹在稳定扩展阶段的速度是在一定范围内波动变化的。     

中低速冲击载荷下巷道内裂纹的动态响应

 由于爆破开挖,巷道内常含有径向裂隙,并影响巷道的稳定性,为了详细地研究含径向裂纹巷道在冲击载荷作用下的动态断裂行为,采用砂岩材料制作巷道模型试样进行中低速冲击动态断裂试验,并采用AUTODYN有限差分软件进行数值模拟分析。分析巷道对称轴线上的径向裂纹在冲击荷载作用下的扩展特性及止裂现象,并采用试验–数值–解析法计算出裂纹的起裂韧度及扩展速度等参数。研究结果表明：(1) 巷道围岩在静力载荷作用和动力载荷作用下的破坏行为有较大差异,动力载荷下破坏仅是裂纹尖端处的起裂、扩展;而静力载荷下破坏除了发生在裂纹尖端处,也会在巷道拱肩、拱脚及两侧帮处发生破坏。(2) 巷道对称轴线上的裂纹在冲击载荷下的扩展路径大致沿着裂纹的原方向扩展,扩展路径中存在明显的止裂现象。(3) 采用试验–数值–解析法能够较好地计算出裂纹的起裂速度及扩展速度,进一步采用位移外推法能够求解出巷道内裂纹的动态应力强度因子时程曲线,利用测试的裂纹起裂时间确定起裂韧度。     

岩石裂纹流变扩展的细观机理分析

应用裂纹奇异单元,建立了用于裂纹流变扩展计算的细观力学模型。采用这一模型,分析了含微裂纹的紧凑拉伸试件,在给定位移和给定荷载作用下,主裂纹流变扩展过程;研究了给定位移加载和给定荷载加载条件下主裂纹与微裂纹相互作用过程,得到了裂纹流变扩 的细观力学机理。     

基于MLS的增强型数值流形法在动态裂纹扩展中的应用

采用数学覆盖和物理覆盖两套覆盖系统,使数值流形法能自然地处理裂纹问题。为了将基于移动最小二乘插值(MLS)的数值流形法(MLS-NMM)应用到动态裂纹扩展中,通过引入Bathe隐式时间积分方法来提高时间离散的计算精度,并采用一种新的自由度继承策略解决动态裂纹扩展过程中能量不一致问题,结合动态裂纹扩展的断裂力学准则,编制基于MLS-NMM的模拟动态裂纹扩展程序。通过典型算例的计算分析表明,该方法能有效准确地模拟裂纹的动态扩展。     

基于XFEM的岩石裂纹扩展数值模拟

扩展有限元法(XFEM)采用水平集法描述裂纹,以单位分解方法改进形函数,可以很有效的模拟含裂纹问题。以ABAQUS软件为平台,利用XFEM计算了有限板应力强度因子,模拟了大理岩三点弯曲荷载下的裂纹开展状况。结果表明,扩展有限元法能有效的对裂纹扩展过程进行仿真,计算结果满足工程要求,为解决实际复杂问题提供了方便的途径。