分层对复合材料机械连接结构承载能力的影响

针对含孔边分层复合材料沉头螺栓连接结构,通过挤压试验及有限元仿真,研究了孔边分层对复合材料连接结构力学性能的影响。通过连接孔的挤压试验,得到了不同类型试验件的承载能力与破坏模式。有限元仿真中,基于ABAQUS有限元分析软件建立了复合材料机械连接的三维有限元模型,进行复合材料渐进失效损伤模拟,并采用内聚力单元来模拟预制分层。有限元计算得到载荷-位移曲线和变形模式与试验吻合较好,从而验证了有限元模型的有效性。在此基础上,分析了含孔边分层的复合材料机械连接结构的破坏机制,并研究了分层位置、分层面积大小和分层形状对该结构承载能力的影响。研究表明：复合材料的破坏始于沉头孔中的直孔区域,且当预制分层位于直孔区域时,结构的承载能力最低;分层形状为圆形和正方形时,会严重影响结构的承载能力,分层形状为椭圆形时,对承载能力影响较低。无论分层形状如何变化,分层总是从受挤压的一侧开始,以半圆弧的形状向受挤压方向进行扩展。     

复合材料层合板机械连接结构累积损伤模型和挤压性能试验研究

建立了三维累积损伤有限元模型, 采用扩展拉格朗日乘子法对螺栓表面和复合材料层合板孔壁间的接触行为进行了模拟。对复合材料层合板中纤维断裂、基体开裂和纤维2基体剪切3 类基本损伤类型的产生、扩展以及它们之间的关联性进行了研究。计算得到了复合材料层合板单钉连接结构的载荷2位移曲线, 预测了它们的初始挤压破坏载荷。同时, 进行了T300 帘子布/ Q Y8911 双马来酰亚胺树脂层合板单钉单搭螺栓挤压强度试验,验证了不同铺层类型和结构尺寸对复合材料层合板机械连接挤压性能的影响。试验结果和计算结果吻合较好, 证明了该模型和算法的有效性。      

三维六向编织复合材料单剪搭接连接结构在拉伸载荷下的力学性能

通过试验测试与数值模拟相结合的方法对三维六向编织复合材料的螺栓连接性能进行了研究。首先,通过拉伸试验对不同侧向约束螺接方式连接件的连接强度进行了测试。测试结果表明:单搭连接结构的二次弯曲现象明显,连接强度与侧向约束有一定的关系,使用垫片可有效提高连接强度,螺栓拧紧力矩增加对连接强度影响不大;连接结构的破坏模式包括挤压破坏和拉伸破坏,在孔径较小时其主导破坏模式是挤压破坏。随后,基于测试中发现的破坏模式,建立了基于点应力准则的分析模型,并使用升温法实现螺栓拧紧力矩的施加。通过数值结果与试验结果的比较验证了分析模型的可靠性。最后,利用得到验证的分析模型,分析了单搭连接的二次弯曲现象,获得了侧向约束面积、螺栓拧紧力矩及连接平板厚度对单搭单螺栓连接结构力学性能的影响规律。分析结果表明:当侧向约束应力增加时,连接强度表现为先增加后降低的规律。     

钢筋套筒挤压连接的预制RC柱非线性有限元分析

通过套筒挤压连接纵向钢筋是装配式混凝土结构采用的一种新型钢筋连接技术。该文基于MSC.MARC有限元软件,模拟了低周反复荷载下2个不同参数的、钢筋套筒挤压连接的预制RC柱受力性能。仿真结果表明:数值模拟得到的滞回曲线、骨架曲线、破坏形态等,均与试验结果吻合较好;验证了预制RC柱有限元模型的正确性和套筒挤压连接模拟方法的有效性,为钢筋套筒挤压连接的装配式RC框架的抗震性能数值模拟打下基础。     

层合板连接结构挤压强度测试方法的研究

利用单钉单剪层合板连接结构挤压性能测试方法和单钉双剪层合板连接结构挤压性能测试方法 (ASTM D 5961A/B),对T700/5429开孔层合板螺栓连接结构的挤压性能进行试验研究,分析不同测试方法对开孔层合板连接结构挤压性能的影响。研究表明:两种试验方法中层合板连接构件均在连接孔处出现有效的挤压破坏形式,但单剪连接试验的稳定性差,影响因素较多,试验数据的离散性较大,且测得的连接结构的极限挤压强度和偏移挤压强度均低于双剪试验的结果。因此,双剪试验方法更适合用于复合材料层合板连接结构设计中挤压许用值的测量。     

纤维增强复合材料机械连接接头疲劳研究进展

综述了纤维增强复合材料机械连接接头疲劳研究进程、影响因素及破坏方式,同时对目前公开发表的几种预测复合材料接头疲劳寿命方法进行了介绍与分析.最后,对今后研究动向进行了展望.     

复合材料整体化多墙盒段渐进式失效分析和试验验证

为准确预测复合材料盒段的损伤起始和破坏过程,针对复合材料整体化多墙盒段研究了考虑材料失效的渐进损伤有限元分析技术。首先基于ABAQUS软件,利用标准试验获得的材料力学性能建立了盒段渐进损伤分析模型,分别采用三维Hashin失效准则和平方应力失效准则作为复合材料层板和连接界面的失效判据;然后,基于该模型完成了复合材料整体化多墙盒段后屈曲承载能力的求解,并利用破坏试验对分析模型进行验证。结果表明:结构承载能力和应力的有限元分析结果与试验值吻合良好,预测的失效模式也与试验结果一致,屈曲载荷和承载能力误差在5%以内。所得结论表明考虑层板失效和界面脱粘的分析模型能有效模拟整体化多墙盒段的破坏过程。      

静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱耐压壳的极限强度

为探究静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱耐压壳的极限强度，以湿法缠绕工艺制备中厚玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)圆柱耐压壳结构模型，对其初挠度进行测试，并开展静水压破坏试验，分析了结构的极限承载能力、应变响应和破坏模式。基于实测初挠度及破坏模式，建立含缺陷复合材料圆柱壳的非线性分析有限元模型，同时考虑壳体几何缺陷及承压过程中的复合材料面内损伤，编制ABAQUS接口子程序USDFLD，对模型的损伤过程进行数值模拟，获得静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱壳的渐进失效过程，并与试验结果对比验证。研究表明：在静水压下中厚GFRP圆柱壳结构在破坏前载荷几乎呈线性增加，最终破坏模式为材料的压缩破坏，整体屈曲破坏模式不明显。考虑结构的几何缺陷和材料损伤演化后，采用非线性有限元模拟得到的壳体极限强度与试验结果吻合良好，可以作为预测含缺陷中厚复合材料圆柱壳极限强度的方法。采用该方法对影响中厚复合材料圆柱耐压壳极限强度的关键参数进行了研究，为深海复合材料耐压壳的研究设计提供参考。     

湿-热-力耦合环境下复合材料结构损伤分析与性能研究

将考虑湿热效应的经典层合板理论引入有限元方法中, 通过精确考察单层板等效参数衰减、追踪初始破坏后的卸载以及对最终破坏进行判定, 在精确预测湿热环境对复合材料性能影响的同时追踪了损伤演化过程。通过建立湿-热-力耦合下复合材料宏观性能的定量表达式, 发展湿-热-力耦合环境下复合材料性能演化表征与预测方法, 实现在有限元分析中考虑湿热效应的影响。对3 种不同铺层方式复合材料层合板进行湿热环境试验研究, 并利用本文中分析方法进行损伤模拟, 分析结果与实验结果符合得较好。      

复合材料拉挤方管型材螺栓节点承载力试验

复合材料型材是采用工业化拉挤工艺生产的截面形状一致、性能稳定的连续构件（如：方形、工字形、槽形等）,其节点连接技术是难点。重点开展了复合材料型材节点螺栓机械连接的试验研究与理论分析,研究了螺栓节点孔径、端距、壁厚等参数对复合材料型材节点极限承载力的影响规律,提出了拉挤复合材料型材螺栓孔的金属垫圈孔壁增强技术,进而拟合了拉挤型材螺栓节点连接的设计公式。研究结果表明：复合材料方管拉挤型材在螺栓连接局部挤压的破坏模式下,其极限承载力与孔径和板厚的乘积（d·t）呈线性关系,接头处的破坏形式和连接接头端距与孔径的比值相关。在挤压破坏模式下,当接头板件壁厚一定时,极限承载力的增量随着孔径的增大而减小。螺栓孔采用金属垫圈增强技术,可以大幅度提高节点承载能力（提高63%）。     

含孔复合材料层合板逐渐损伤破坏分析

采用逐渐损伤模型有限元技术对含复合材料层板损伤破坏规律进行了研究，编制了面向对象的后处理软件，为损伤累积，损伤扩展与破坏以及损伤类型与模式的预测和研究提供了先进手段，并针对含孔T30／KH304复合材料层板进行了数值模拟和试验研究，研究表明，采用二维逐渐损伤模型及分析方法，以及所发展的后处理模拟分析软件能够较好地模拟含孔层合板的损伤破坏规律和位移－载荷的响应规律，以豚预测层合板的损伤类型，破坏模式和破坏强度，得到了一些有意义的结论。     

三维编织复合材料与金属胶接结构的力学性能及优化

通过试验和理论研究了三维编织纤维增强树脂基复合材料（FRP）与钢板的单搭粘结性能。建立了三维编织复合材料和钢板的单搭粘结有限元模型,并基于内聚区模型和Hashin破坏准则来模拟胶接层及三维编织复合材料的破坏,分别从极限载荷、破坏位移和破坏模式三方面将计算结果与试验结果进行对比,验证了有限元模型的有效性。在此模型基础上,研究了胶层厚度、粘结长度对单搭粘结极限载荷和破坏位移的影响,并提出针对不同工况下的优化方案选择的建议。最后建立了一种新型连接结构,相比较于原有单搭接连接方式,其拉伸强度和弯曲强度均有了较大提升。     

3钉带衬套复合材料/金属接头拉伸疲劳性能试验研究

带衬套沉头螺栓连接已经在复合材料连接结构中得到了一定的应用,需要对其疲劳性能进行研究.本研究对一种单搭接3钉带衬套碳纤维复合材料/钛合金沉头螺栓连接接头进行了静态拉伸试验,测量了接头的载荷-位移曲线、拉伸极限强度与条件挤压强度.在此基础上,确定67％接头极限载荷为拉伸疲劳最大载荷,按应力比为0.1的循环载荷对接头进行疲劳试验,并与对应的无衬套接头进行了对比,研究了衬套对该接头疲劳性能的影响.结果表明,衬套的引入改善了应力分布情况,使结构疲劳寿命延长了98.4％.同时,静态拉伸试验中发生层合板的钉孔挤压以及净截面拉伸破坏,疲劳试验中发生钛合金板的拉伸疲劳破坏,部分无衬套接头还发生了螺栓疲劳破坏.经分析发现,两类材料的疲劳性能表现差异较大,复合材料/金属机械连接接头的疲劳破坏模式会因载荷水平的不同而发生变化,在低于一定载荷水平下容易出现金属结构的破坏.     

基于连续损伤力学的复合材料单剪螺栓连接强度估算策略

针对中国缺少T800级复合材料螺栓连接设计参数的问题,发展一种综合连续损伤力学（CDM）和工程算法的单剪连接强度估算策略,以替代试验,降低研究周期和成本。在该强度估算策略中,首先建立试件的CDM有限元模型,通过数值模拟得到单剪螺栓连接的设计参数,包括单剪挤压强度修正系数、无缺口层合板拉伸强度和应力集中减缓因子等。随后根据上述参数,建立工程算法,估算复合材料单剪螺栓连接的最终挤压强度。结果表明:通过该策略得到的T800级复合材料螺栓连接设计参数和强度估算结果与试验结果有较好的一致性,说明该强度估算策略的可行性。      

复合材料夹层结构自插式平接节点抗弯性能试验研究

采用复合材料连接型材的复合材料夹层结构连接节点具有轻质、防腐、无磁性等优点。该文试验研究复合材料夹层结构自插式平接胶结节点的受弯性能,重点考察连接型材的纤维铺设、节点搭接长度等因素对连接节点荷载-变形关系、应变发展规律和破坏模式的影响。试验结果表明,自插式平接节点的破坏形式主要表现为三类:节点连接区域的纤维面层与芯材的剥离破坏、搭接胶层剥离破坏、插入端变截面处纤维面层与芯材剥离破坏;连接型材纤维布的铺设方法与层数、胶结搭接长度以及节点区域的构造措施是影响节点承载力的主要因素。论文对平接节点的破坏机理进行了分析,研究成果对复合材料夹层板结构平接胶结节点的设计具有参考价值。     

构型化金属基复合材料有限元建模技术

越来越多的研究发现增强体空间构型分布有望成为金属基复合材料强韧性倒置问题的有效解决办法。然而,构型设计要素种类繁多,除传统结构设计要素外,还包括增强体分布特征等结构参数。因此,仅靠传统的实验手段已无法满足复合材料构型设计的研究需求,借助有限元模拟探索各构型要素对复合材料性能的影响规律可作为试验研究的前提和有效补充。基于三维几何模型的有限元模拟技术,将增强体分布特征引入复合材料三维几何模型中,再引入各组分的物理及力学性能,则能够对构型化复合材料的变形与断裂行为进行模拟,并预测其力学性能。首先回顾了数值模拟颗粒增强金属基复合材料的几何和数值模型构建方法,然后对网状结构构型化复合材料有限元模拟工作的研究现状进行了介绍,最后对构型化复合材料有限元模拟工作的未来发展进行了展望。     

复合材料胶接修补件力学性能的实验研究与数值模拟

进行复合材料修补的铝合金板的静强度实验,测定载荷-位移曲线,分析破坏机理,并讨论了胶层材料性能、复合材料补片性能与厚度等因素对修补件静强度的影响;建立了修补件的三维有限元模型,模拟修补件的载荷-位移曲线和应力分布,验证了模型的有效性;根据应力分布计算结果和失效准则,预测初始损伤及裂纹产生的位置,并估算破坏强度,预测结果...     

J型加筋壁板结构轴压试验及承载能力数值预测

设计了复合材料J型加筋板轴压试验件形式和加载方式,试验研究了其承载能力和破坏形式,讨论了轴压下复合材料加筋板件承载能力预测的有限元建模和分析方法,数值分析了加筋板屈曲和后屈曲模式,结果表明如果不考虑损伤累积对结构承载能力的影响,预测值将明显偏高;而通过引入逐步破坏准则,考虑了基体破坏、纤维基体剪切失效以及纤维断裂等损伤累积对结构承载能力的影响,可以提高数值预测精度。     

2.5D机织复合材料的渐进损伤与失效模拟

为了研究典型2.5D机织复合材料的压缩性能,开展了复合材料单胞结构的经向和纬向压缩实验,并通过对材料编织结构的细观表征,建立了细观尺度的单胞有限元模型来模拟压缩载荷下单胞内部的变形及渐进失效过程。结果表明,2.5D机织复合材料在受压时表现出明显的非线性力学响应,材料沿经向的压缩模量和强度均高于纬向;经向压缩时材料的主要破坏模式有经纱的横向开裂、纤维束间的界面分层破坏、纬纱的压溃及基体的开裂,纬向压缩时出现的主要破坏模式是纬纱的压溃、纬纱纤维束的断裂及基体开裂;通过对比试验与有限元结果,认为所建立的细观有限元模型能够准确预测材料单胞在压缩载荷下的应力-应变响应,并且能够模拟编织结构中的损伤起始和演化过程。      

Z向点阵增强泡沫夹芯复合材料平压性能

设计了一种新型Z向点阵增强泡沫夹芯复合材料,以复合材料柱作为Z向点阵增强材料,并对不同分布密度Z向点阵增强材料的泡沫夹芯复合材料试验件进行了平压试验,探究了其平压力学性能和破坏方式。研究结果表明,当点阵间距为30 mm时,试样密度增加了2.8%,压缩强度和压缩模量分别提高了6.2倍和7.4倍。基于ABAQUS有限元软件建立了Z向点阵增强泡沫夹芯复合材料平压试验仿真模型,对其平压力学性能和破坏模式进行了模拟与分析。试验件平压强度有限元计算结果与试验结果偏差为10%左右,破坏方式与试验基本相同,验证了有限元模型的合理性和可靠性。