复合材料层合板斜切型挖补修理试验

为研究拉伸载荷作用下不同挖补角和附加层数对复合材料胶接挖补修理接头刚度、强度、失效模式及关键位置应变变化的影响,开展了复合材料层合板斜切型挖补修理接头拉伸试验.采用一种碳纤维织物增强树脂复合材料作为母板与补片材料,一种改性环氧树脂胶膜作为胶层材料,设计了斜切挖补角分别为1.8°、2.6°、3.5°、4.4°,附加一附加层或二附加层的斜切型挖补修理试验件.拉伸试验结果表明,在1.8°至4.4°挖补角范围内,所研究的接头刚度和强度随挖补角的增大而减小.附加层数的增加能够有效提升接头的刚度及强度.接头的失效可以概括为四种模式,与挖补角及附加层数目相关。接头关键位置点的纵向应变变化能够动态反映接头的失效过程.     

变刚度复合材料层合板的力学性能

基于Altair HyperWorks软件二次开发平台,开发了一种层合板变刚度铺放有限元建模工具,并利用该工具对纤维曲线铺放形式的变刚度层合板进行了有限元建模。在平面静力载荷作用工况下,对比直线纤维层合板与变刚度层合板的不同应力分布,得到了应力分布与纤维角度、纤维铺放密度之间的关系;另外,在压缩载荷作用工况下,对比研究了直线纤维层合板与变刚度层合板的临界失效载荷,研究发现变刚度层合板的失效载荷提高了12.68%。纤维的变角度铺放提高了构件的可设计性,增强了其抗失效性能。     

热层合板弹性动力响应的数值模拟

热层合板已经广泛应用各个领域,横向剪应力对复合材料层合板的破坏失效具有重要影响。本文用ANSYA商用软件对正交各向异性层合薄板在突加温度荷载下层间应力的动态响应进行了数值模拟,得到了层间剪应力的分布及其响应,并在此基础上分析了薄板结构厚度方向的温度梯度,材料的性能,板厚等参数对热层合板的层间剪应力分布和动态响应的影响。算例表明剪切弹性模量对热层合板的剪切应力沿厚度方向的分布影响明显。     

有拉-弯耦合效应时复合材料接头的胶层应力分析

本文对存在拉-弯耦合效应(B_(11)≠0)的复合材料反对称正交层合板的胶接接头进行了研究和分析。推导了接头承载时胶层应力的微分方程,并以平衡型接头(E_α=E_1,t_α=t_1)为例,计算和分析了反对称正交铺设层合板在两种不同胶接情况下以及层数变化时,耦合效应对接头胶层应力分布的影响,得出了一些有意义的结论,为工程中复合材料接头的设计提供了参考依据。     

后插钢筋位置等对APC接头拉伸性能的影响

为研究后插钢筋位置等对套筒灌浆搭接接头（简称APC接头）力学性能的影响,进行了45个该接头拉伸试验,研究了其破坏形态、延性、极限承载力和套筒应变等,并利用ABAQUS进行数值模拟和参数分析。试验结果表明:接头的初始刚度和延性随两钢筋距离的增大而降低;钢筋与套筒接触和钢筋间距离减小均使接头承载力降低,前者对黏结强度降低起控制作用;极限荷载时偏转（两钢筋圆心连线）方向套筒中部截面纵向受压,钢筋拉断破坏试件,其套筒中部截面压应变随钢筋直径增大而增大;极限荷载时套筒中部截面环向应变以拉应变为主,且环向平均拉应力随钢筋直径增大而增大。基于ABAQUS进行了接头精细化数值模拟,与试验结果吻合较好。模拟参数分析表明:偏转降低试件的极限承载力,偏转对发生钢筋拔出破坏试件的极限承载力影响较大,对发生钢筋拉断破坏试件的影响较小;随搭接长度增加,黏结应力曲线峰值先增大后减小,曲线饱满程度先减小后增大。根据前期及本次试验拟合得到的极限黏结强度计算公式适用性较好,可作为实际工程参考。     

胶接修补复合材料层合板的渐进损伤分析方法

建立了一种预测胶接修补复合材料层合板损伤演变与剩余强度的渐进损伤分析模型。该有限元方法应用三维渐进损伤模型和内聚力模型分别模拟复合材料层合板和修补胶层的失效过程。引入与材料损伤模式相对应的损伤变量表征材料的损伤状态,材料的刚度矩阵按损伤变量退化。计算得到了复合材料含孔板和相应的复合材料层合板胶接修补结构的极限强度。计算结果和试验数据吻合良好,验证了渐进损伤分析方法的有效性。     

内置楔形体灌浆套筒连接接头单轴拉伸试验研究及有限元分析

采用无缝钢管利用数控机床和焊接工艺加工了一种低成本灌浆套筒,并制作了9个接头试件,通过单轴拉伸试验和有限元分析,研究了套筒接头的应力分布情况及力学性能。结果表明:试件发生连接钢筋断裂和滑移两种破坏模式,增加连接钢筋锚固长度可改变试件的破坏模式。楔形体的长度和斜度均影响试件的极限承载力。当套筒中连接钢筋的锚固长度大于6倍连接钢筋直径时接头强度满足规范JGJ107中Ⅰ级接头和ACI318中Type 2接头类型要求。连接钢筋在套筒外部分受力大于套筒内的部分,因此当试件发生连接钢筋断裂时,断点均在套筒外。通过回归分析建立了接头试件的荷载位移关系模型,该模型与试验结果吻合很好。     

热轧复合板的界面结合强度的实验与理论研究

界面结合强度是影响层合板整体力学性能的主要因素,但是当层合板总厚度小,弹性模量较低,绝对刚度较小时采用常规测试方法难以获得其准确的界面结合强度.针对具有上述特点的薄层状复合材料提出了一种新的测试方法,即采用胶黏剂将测试试样固定于刚度远大于复合板以及胶黏剂的钢棒上形成对接接头,并对其进行单轴拉伸和四点弯曲测试.实验结果表明,对接接头中的胶黏剂固化时,在边缘环状区域内由于气泡的溢出而呈现理想结合状态,因此在该区域内可以承受更高的断裂应力.四点弯曲时高应力出现在该边缘区域内,因而可以测试界面结合强度高于胶黏剂平均拉伸强度的复合板的结合性能.同时由于弯曲时钢棒的弹性模量远高于胶黏剂,界面的应力分布规律和同一均匀材料的分布规律不同,常规的弯曲应力公式不再适用.依据新的变形方式和新的应力分布规律推导了新的弯曲应力公式.并针对两种具有不同界面微结构的Al/Mg/Al热轧复合板为例进行了界面结合强度的理论和实验研究及验证.     

阶梯形修理复合材料层合板拉伸性能研究

为获得不同参数对阶梯形修理结构拉伸力学性能的影响,本文开展了试验研究.针对铺层数目为8层的复合材料层合板,分别研究了阶梯数目为2个、4个和8个的无附加层的情况.另外针对4个阶梯的情况,研究了附加层数目的影响.作为对比,对相同修理区大小情况下的斜切形挖补修理结构也进行了测试.结果显示,对阶梯形修理结构,拉伸强度随阶梯数目的增加而增加,当阶梯数目由2个增加到8个时,修理接头的强度恢复率由36%增加到67%.通过引入附加层能够有效的提高修理结构的强度,但随着附加层的引入以及附加层数目的增加,修理结构强度的分散性变大.阶梯形修理和斜切形挖补修理的对比显示,相同修理面积的情况下,由于斜切形挖补修理能够提供更加均匀的胶膜应力分布,斜切形挖补的修理效率要高于阶梯形修理,相比4个阶梯的阶梯形修理,斜切形挖补修理强度能够提高25%.最后,根据修理接头表面各点的应力/应变分布规律,获得了拉伸载荷作用下修理接头的失效机理和失效过程.     

套筒灌浆搭接接头拉伸试验及受力机理分析

为研究钢筋套筒灌浆搭接接头的受力机理,进行了36个该接头拉伸试验,考察了其破坏形态、承载力、延性、套筒纵向及环向应变等。试验结果表明,当相对搭接长度相同时,试件的屈服、极限荷载随钢筋直径增大而提高;搭接长度越长,试件初始刚度、延性越好;加载前期套筒为纵向受拉、加载后期套筒纵向受压;随着搭接长度的增大,套筒纵向由拉变压的转换荷载逐渐增大;加载过程中近钢筋侧套筒纵向拉应变随着搭接长度增大而增大,极限荷载时远钢筋侧套筒纵向压应变随着搭接长度增大而变小;加载前期,套筒中部环向应变值大于边缘截面环向应变值;极限荷载时,由于端部灌浆料脱落,套筒边缘截面环向应变值小于中部截面环向应变值;细观分析了搭接接头的传力路径、力学机理,基于钢筋-混凝土黏结应力分布曲线,分析套筒纵向应力分布及发展过程,得出套筒加载前期为纵向受拉、加载后期为纵向受压,与试验结果吻合;基于试验数据,拟合出了接头极限黏结强度公式,提出套筒临界搭接长度公式。研究成果可为接头应用奠定理论基础。