含不同张开角度裂纹结构的动态断裂试验研究

不同结构的动态断裂行为受多个因素影响,其中裂纹缺陷对其影响最为显著。张开型裂纹是工程结构中十分常见的缺陷,而且张开角度往往并不固定。为研究结构的运动裂纹与不同预制角度裂纹相互作用的规律,以张开角度为单一变量,采用动态焦散线试验系统,在冲击荷载下对含不同张开角度裂纹的有机玻璃试件进行三点弯试验。研究发现：裂纹扩展经过不同张开角度的预制裂纹时,都会先扩展至预制裂纹夹角尖端,再从预制裂纹其中一端重新蓄能起裂,然后偏向落锤点方向扩展,最终贯穿整个试件;开口向上的预制裂纹会增加运动裂纹的扩展时长,而且预制裂纹的开口角度越大,对裂纹扩展产生的迟滞效应越大,裂纹贯穿试件的总时长越大;与预制裂纹相互作用阶段,动态裂纹都会先减速后增速至峰值,预制裂纹角度越大,裂纹扩展速度峰值越小,且当预制裂纹角度为180°时的峰值与无预制裂缝试件的峰值非常接近;运动裂纹再次从预制裂纹尖端处起裂时裂纹尖端应力强度因子迅速大幅增加后又迅速减小直至试件完全断裂。     

碳纤维混凝土三向受压力电性能试验研究

试验研究了三向受压碳纤维混凝土的力学、电学性能及力电关系。对连接在直流回路中的碳纤维混凝土试件施加单调及循环荷载,处于三向受压状态的试件所受荷载与其电阻同步变化。用同批试件做单向受压试验,对比发现,在相同的轴向压力下,有围压和无围压的碳纤维混凝土的力电效应具有相似的变化趋势,即荷载增大,电阻下降;荷载减小,电阻上升。不同点是,在单调及循环荷载作用下,三向受压混凝土电阻变化率比单向受压混凝土的大,而且电阻幅值更为稳定。     

定向断裂控制爆破爆生裂纹扩展机理的实验研究

采用新型数字激光动态焦散线实验系统,对缺陷介质双孔定向断裂控制爆破裂纹扩展的动态行为进行了研究。结果表明,预制斜裂纹阻断了爆生主裂纹的扩展,最终两条主裂纹分别与翼裂纹形成相互勾连的形状。爆生主裂纹尖端以张拉应力场为主,其断裂为近似I型断裂。当爆生主裂纹运动到预制裂纹附近时,主裂纹端部应力场与预制裂纹尖端奇异应力场相互叠加,在预制裂纹尖端形成较强的拉剪应力场,且受已有主裂纹面的影响,预制裂纹扩展表现为弯向主裂纹面的弯曲断裂。研究结果可为含节理岩体定向断裂控制爆破提供理论依据。     

碳纤维3D机织预制体弯曲性能

异形结构复合材料构件成型过程中，其内部纤维预制体往往发生显著的宏观变形。预制体的弯曲性能对褶皱缺陷的形成和演化有着决定性影响。采用三点弯曲法对碳纤维3D机织预制体进行了测试，利用Micro-CT技术研究了预制体的微细观变形机制，分析了经纱密度和纬纱密度对预制体弯曲性能的影响规律。结果发现：3D机织预制体的临界弯曲能量随着组织点密度的增加大致呈线性增大的趋势。预制体弯曲变形主要由经纱屈曲度变化、局部压缩屈曲和经纬纱层间滑移等微细观变形构成。     

生产过程中风力发电机塔筒钢板开裂原因

某风力发电机塔筒钢板在压制成筒形过程中发生开裂。通过宏观观察、断口分析、化学成分分析、力学性能试验、金相检验及低倍检验等方法对风力发电机塔筒钢板的开裂原因进行了分析。结果表明:钢板板坯上存在裂纹类的缺陷,在加热炉中发生了氧化和脱碳,经过轧制后形成了折叠裂纹。在随后的钢板压制成筒形过程中,钢板外弧表面受到拉应力作用而发生开裂。     

CFRP板加固含Ⅰ型裂纹混凝土的断裂扩展规律

制作两个含Ⅰ型预制裂缝的混凝土试件并进行三点弯曲试验,在其中一个试件底面粘贴碳纤维板进行加固,以CCD相机为观测系统,用数字散斑技术对混凝土试件预制裂缝尖端的扩展特征、裂缝尖端张开位移及应力强度因子等进行分析,研究了碳纤维复合材料(CFRP)板的加固效果。结果表明:外贴CFRP板加固能增加混凝土的抗弯刚度,显著提高混凝土的抗弯承载力,延缓裂缝开展;在相同荷载作用下,外贴CFRP板加固可以减小试件预制裂缝扩展宽度和距离;外CFRP板加固含Ⅰ型预制裂缝混凝土试件的裂缝尖端应力强度因子增加速度小于相同的未粘贴CFRP板混凝土试件。     

碳纤维毡/环氧树脂复合材料的力阻效应

以短切碳纤维毡和环氧树脂为原材料制成复合材料,考察了该材料在单向拉伸载荷下的力阻响应。实验结果表明,该材料具有正力阻效应(拉应变引起材料的电阻增大)。其中,单层碳纤维毡/环氧树脂复合材料的力阻灵敏度可达13.9,但在加载过程中其电阻表现出逐渐衰减趋势;多层碳纤维毡/环氧树脂复合材料的力阻性能更为稳定,但随着层数的增加灵敏度逐渐降低,5层复合材料的力阻灵敏度下降到5.7。多层复合材料的立体导电网络是其稳定性提升和灵敏度下降的主要原因。将碳纤维毡/环氧树脂多层复合材料敷设在梁结构表面形成智能表层,利用其力阻性能实现了梁结构在循环载荷下的变形监测以及在单调载荷作用下损伤监测。     

碳纤维三维角联锁机织复合材料弯曲作用下力阻响应

电阻法在碳纤维复合材料结构健康监测(SHM)中具有巨大应用前景。本文研究了碳纤维三维角联锁机织复合材料经向和纬向试件在弯曲作用下力-电阻响应,探究电阻变化与复合材料结构损伤的相关性。试验结果表明：经向和纬向试件在弯曲作用下电阻变化与试件主要承载纱线损伤情况具有相关性。准静态三点弯曲加载下,试件电阻变化可以反映试件承载能力变化：在最大载荷点之前,试件电阻基本不变;主要承载纱线发生断裂损伤时,电阻增加。弯曲疲劳加载下,试件电阻变化可以反映试件承载能力退化情况：在弯曲疲劳加载前期,三维角联锁机织复合材料呈现负压阻效应;随着循环次数增加,基体裂纹、界面脱粘等不可逆损伤不断累积,电阻缓慢增大;在弯曲疲劳加载后期,主要承载纱线断裂,电阻显著增加;试件最终疲劳失效时,电阻急剧增加。     

树脂基搭接碳纤维智能层的力阻特性

提出一种具有局部搭接结构的树脂基碳纤维智能层, 将其敷设于结构表面以检测结构受载时的变形, 实现对结构大范围监测。基于该智能层, 采用单轴拉伸和三点弯曲的加载方式, 对构件进行应变和位移检测。实验发现, 碳纤维局部搭接结构是引起力阻效应的主要因素, 其单位应变的电阻率变化的灵敏度达到104, 相当于非搭接连续碳纤维复合材料力阻效应灵敏度的34倍。实验结果还进一步表明, 树脂基搭接碳纤维智能层力阻曲线光滑稳定, 其传感极限约为8500 με。建立了树脂基搭接碳纤维复合材料的电学模型, 揭示了这种力阻效应主要来源于搭接界面处层间电阻的变化, 并从纤维轴向力、搭接面积和层间剪应变三个方面解释了这种层间电阻变化的机制。      

CFRP板加固含裂纹受拉钢板的疲劳性能研究

根据线弹性断裂力学理论,采用“三维块体-弹簧-板”有限元模型对裂纹尖端的应力强度因子幅值进行计算,并基于Paris-Erdogan裂纹扩展模型,提出了CFRP板加固含裂纹受拉钢板的疲劳寿命预测方法。然后对4个CFRP板加固含初始疲劳裂纹钢板的受拉疲劳性能进行了试验研究,考察了碳纤维板加固量、单面和双面加固方式对疲劳性能的影响。试验结果表明,CFRP板加固钢板的疲劳寿命比未加固钢板显著提高,疲劳裂纹扩展的试验结果与预测结果符合较好。     

碳纤维硫铝酸盐水泥基机敏复合材料

采用压制成型方法制备了碳纤维硫铝酸盐水泥基复合材料 ( Carbon Fiber Reinforced Sulphoaluminate Cement,简称CFRS ) 。用XRD和孔结构分析仪对复合材料的物相和孔径与孔体积的关系进行了分析,研究了不同碳纤维掺量对复合材料在单调压应力和循环压应力下的机敏性能的影响。XRD和孔结构分析研究结果表明,压制成形的试样水化14天硫铝酸盐水泥水化仍不完全,试样结构致密,孔隙率较小,孔径基本小于0.9μm;单调压应力下机敏测试性能表明,碳纤维掺量为0.3％和0.5％的CFRS试样电容变化率与压应力近似成线性关系,机敏性能较好;循环压应力下碳纤维掺量为0.7％的CFRS试样电容变化率与循环压应力成一一对应关系,表现出较好的机敏特性。      

混杂比对碳纤维-玄武岩纤维混杂增强环氧树脂基复合材料弯曲性能的影响

将玄武岩纤维置于混杂铺层的压缩侧,研究了碳纤维-玄武岩纤维混杂增强环氧树脂基复合材料的弯曲性能及混杂比对其弯曲性能的影响。通过对试样进行三点弯曲试验得到了材料的弯曲性能,并通过扫描电子显微镜观察材料的失效模式。与纯碳纤维增强环氧树脂基复合材料相比,当混杂比为16.7%和33.3%时,混杂复合材料的弯曲强度明显提升,弯曲强度分别提高12.4%和15.2%,但是其弯曲模量随着混杂比的提升而降低。混杂后的材料及玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料的失效位移都高于碳纤维增强环氧树脂基复合材料,断裂韧性明显提升。从侧面观察可以发现不同铺层在压缩侧、拉伸侧和中间层有不同的失效形式。      

碳纤维/硅橡胶导电复合材料的温度响应

通过升温-降温循环及升温-恒温两种方式研究了碳纤维/硅橡胶导电复合材料试样的温度响应,通过碳纤维导电复合材料的导电机理对测试结果进行了分析。该导电复合材料具有正温度系数,并具有温度弛豫现象。橡胶材料与碳纤维材料热膨胀系数的不同是造成其电阻温度响应的主要原因;而温度变化对电子能量的影响也是造成材料温度响应的原因之一。     

Surface modification of carbon fiber/epoxy composites with randomly oriented aramid fiber felt for adhesion strength enhancement

To increase the strength of an adhesive joint whose adherend is composed of a carbon fiber/epoxy composite, the surface of the adherend is reinforced with randomly oriented aramid fiber felt before the full cure of the adherend. With this smart cure cycle, the aramid fibers are exposed from the adherend, promoting a bridging effect between the fibers and the adhesive. The cured carbon fiber/epoxy composite material, on which the aramid fiber felt is placed, is co-cure bonded with a smart cure cycle developed in this work. The improvement of the adhesive bonding strength due to the aramid fiber felt is measured with the single-lap shear test of adhesively bonded joints. Additionally, the flexural strength of the carbon fiber/epoxy composite adherend with the co-cure bonded aramid fiber felt is measured.     

Study on the curing process for carbon/epoxy composites to reduce thermal residual stress

In this work, a cure monitoring system using dielectrometry and a fiber Bragg grating (FBG) sensor, was devised to measure the dissipation factor and thermal residual stress of carbon fiber-reinforced epoxy composite materials. Three rapid-cooling points, which were based on the cure initiation point, were chosen as test variables to investigate the effect of cure cycle on process-induced internal strain. The internal strains generated in the composite specimens were measured using embedded FBG sensors. Three-point bending tests were conducted to investigate the effect of thermal residual stress on the flexural strength of the composite specimens.     

混杂纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯性能试验及理论研究

该文提出了碳/芳纶/玻璃三种纤维混杂思路,高强、高弹模碳纤维提高承载能力,高延伸率玻璃纤维改善延性,而芳纶纤维使应力从碳纤维向玻璃纤维平稳转移。通过对11根钢筋混凝土梁的抗弯试验,研究了不同混杂方式、混杂结构、纤维布层数对梁抗弯性能的影响。结果表明:如果应力转移不平稳,混杂纤维布将与混凝土发生局部剥离,导致混杂纤维布加固效果降低;在相同纤维布层数条件下,与单一碳纤维布加固梁相比,碳/芳纶/玻璃层间混杂纤维布加固梁的初裂、屈服、峰值和极限荷载分别降低了22%、12%、12%和16%,而位移延性系数提高了20%,表明碳/芳纶/玻璃层间混杂纤维布能够显著降低单一碳纤维布的脆性。在试验研究的基础上,采用弹塑性截面分析法计算了混杂纤维布加固梁的承载力,理论计算值与试验值吻合良好。     

Enhanced crack detection sensitivity of carbon fiber composites by carbon nanotubes directly grown on carbon fibers

The ability of highly conductive hybrid carbon–fiber/carbon nanotube loaded epoxy composites to sense matrix cracking damage in situ is demonstrated. Multi-walled carbon-nanotubes (MWCNTs) are grown perpendicular to and on the surface of a woven carbon–fiber fabric using a chemical vapor deposition process. An increase in sensitivity of resistance change under interlaminar fracture is shown through a series of double cantilever beam (DCB) tests on samples prepared with MWCNTs grown on both sides of carbon–fiber fabric lamina placed at the top and bottom surfaces of an 8-layer test panel whereas samples with MWCNTs inside the samples did not show much increase in sensitivity of resistance change compared with the baseline samples without MWCNTs. The results suggest that the addition of surface positioned hierarchical carbon-nanotube lamina on composite structures has the potential for autonomic sensing of internal matrix damage.     

碳纤维复合材料假脚工艺参数对其冲击后疲劳性能的影响

基于三维逐渐损伤理论和有限元法,对碳纤维复合材料假脚的冲击及冲击后疲劳破坏过程进行分析,研究了不同的复合材料体系、几何尺寸、纤维铺设方式等工艺参数对碳纤维假脚的冲击损伤及疲劳性能的影响规律。结果表明,在冲击载荷作用下,碳纤维复合材料假脚的损伤模式主要为基体开裂、纤维压缩和分层;复合材料体系的横向和法向拉伸强度以及剪切强度等参数越小,假脚的冲击损伤面积越大,所能承受的疲劳循环次数越低;随着后龙骨厚度的增加,基体开裂损伤面积越来越大,分层损伤面积略有减小,而纤维压缩损伤几乎没有变化。尽管随着后龙骨厚度的增加,假脚的疲劳循环次数逐渐增大,但是相对于厚度的增加量,疲劳循环次数的增加量相对较小;不同铺层参数对碳纤维复合材料假脚的冲击损伤模式几乎没有影响。适度增加0°铺层的含量,可有效提高碳纤维复合材料假脚的疲劳性能。     

复掺钢纤维-纳米炭黑/混凝土智能层对裂缝自监测性能的影响

将结构型钢纤维及纳米炭黑作为导电材料加入混凝土形成智能混凝土,并将智能混凝土和素混凝土一起浇筑形成双层混凝土梁。在四点弯曲加载下,采用四电极法对混凝土试件的电阻进行测量,对比研究了复掺钢纤维-纳米炭黑/混凝土层中钢纤维掺量及智能层厚度对混凝土梁的弯曲性能及裂缝自监测性能的影响。结果表明:混凝土智能层内结构型钢纤维的掺量和智能层厚度的增加能够显著提高混凝土梁的弯曲性能;依据电阻变化率-时间(ρ_FCR-t)曲线的变化特征可对混凝土的裂缝出现时刻进行监测,裂缝出现前,ρ_FCR-t曲线基本维持在零点附近,智能混凝土梁出现裂缝时,ρ_FCR-t曲线开始急剧上升,出现新裂缝后,ρ_FCR-t曲线出现新的转折点,斜率发生明显变化;裂缝出现时,试件的ρ_FCR增长较迅速,后期ρ_FCR增长变缓,ρ_FCR-裂缝扩展宽度(ω_COD)曲线呈负衰减函数特征;对于双层混凝土梁,增加混凝土智能层钢纤维掺量和智能层厚度,减小了相同裂缝宽度下裂缝自监测信号ρ_FCR的数值;本文提出的一阶指数衰减函数模型拟合ρ_FCR-ω_COD曲线效果较好。