拉伸载荷下碳纤维复合材料T型接头脱粘特性与FBG监测分析

研究了拉伸载荷下碳纤维复合材料(CFRP)T型接头的界面脱粘与裂纹扩展过程。对拉伸载荷下T型接头破坏过程进行数值模拟;在模拟敏感区域布置光纤布拉格光栅(FBG),实时监测界面脱粘的产生及扩展应变特征;使用高速摄像机,捕捉脱粘及裂纹扩展的图像数据。结果表明:T型接头的三角填料区首先出现损伤,裂纹向两个方向扩展。水平方向:向L型层与一型层之间的胶层扩展;竖直方向:向两个L型层之间的胶层扩展。裂纹扩展最终引起结构失效。光纤布拉格光栅中心波长的变化能够在非视觉条件下记录损伤的出现、积累与扩展,可正确预警结构内部损伤的产生,还原裂纹扩展路径。     

基于改进Elman神经网络的CFRP补强钢板界面脱粘预测研究

针对碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)补强钢结构出现内部界面脱粘损伤后难以观测的问题,结合Lamb波检测方法和神经网络提出了一种界面脱粘预测方法。搭建了基于Lamb波的CFRP补强钢板信号分析试验平台,利用ABAQUS软件建立了CFRP补强钢板的机电耦合有限元模型,并通过试验验证了有限元模型的准确性。将长方形和圆形两种脱粘形状的信号在时域和频域内进行分析,基于自适应遗传算法改进的Elman神经网络建立了CFRP补强钢板脱粘预测模型,并将与脱粘面积相关性较高的信号特征数据作为预测模型的特征数据。对预测模型进行性能测试,脱粘形状为长方形和圆形预测值的平均绝对百分比误差分别为3.03%和8.06%,结果表明改进的Elman网络对于脱粘损伤具有较好的预测精度。     

拉伸状态下碳纤维复合材料T型接头的断裂行为

建立了碳纤维复合材料T型接头数值模型,模拟了其在拉伸载荷下的损伤产生、扩展及失效过程,并对碳纤维复合材料T型接头试件进行了静态拉伸试验。结果表明,接头的初始损伤载荷为9.8~12.0 kN,损伤发生后接头的载荷值发生突降（降低约27%~38%）,此时接头仍具有一定承载能力;试件完全脱胶载荷较初始损伤载荷略有降低（载荷范围为8.0~8.6 kN）。数值计算和试验结果吻合,结果均显示填料区是碳纤维复合材料T型接头最薄弱的部位,易发生破坏;填料区破坏后裂纹迅速向填料区周围的胶层扩展,导致胶层的剥离,这是导致碳纤维复合材料T型接头失效的最主要原因。     

复合材料板脱层损伤的时间反转成像监测

基于时间反转理论,对主动Lamb波复合材料结构脱层损伤成像监测技术进行了研究。分析了时间反转方法的理论基础以及对波源的信号聚焦过程。根据信号传播自身的特性,研究采用时间反转聚焦方法使损伤散射信号能量叠加放大,从而提高信号的信噪比,分析给出了具体的损伤信号时间反转聚焦增强过程;利用时间反转法对波源的自适应聚焦能力,重建信号传播波动图,通过信号聚焦显示损伤位置和区域。在玻璃纤维复合材料板上的真实损伤实验结果表明,该方法能有效提高损伤散射信号的能量,较为准确地监测出损伤的位置、大致范围等特征。     

缝合参数对复合材料T型接头拉脱承载能力的影响

利用二维平面应变模型对缝合增强试验件进行失效分析,采用内聚力模型模拟界面的破坏情况,通过在分层的上下界面加入非线性弹簧元来模拟缝线的增强作用,非线性弹簧元的力学性能(桥联律)由细观力学方法获得。有限元分析结果与试验值吻合较好。在此基础上,对缘条区的缝合增强进行缝线的材料、直径和缝合密度的参数化分析,研究各参数对T型接头拉脱承载能力的影响。结果表明:缝合可显著提高T型接头的拉脱承载能力,同时能使其在较大的加载位移下仍保持较高的承载性能。T型接头的拉脱承载能力随缝线直径和缝合密度的增大而增大,且直径和密度的影响显著。缝线的拉伸强度是影响缝线性能最主要的因素, T型接头的拉脱强度随缝线拉伸强度的升高而升高。T型接头的拉脱强度随缝线拉伸模量的降低而升高,但拉伸模量的影响较拉伸强度的影响小。      

Z-pin参数对复合材料T型接头拉脱承载能力的影响

利用二维平面应变模型对Z-pin增强T型接头试样进行失效分析,采用内聚力模型模拟界面的破坏情况,通过在分层的上下界面加入非线性弹簧元模拟Z-pin的增强作用,非线性弹簧元的力学性能(桥联律)由细观力学方法获得,数值结果与试验值吻合较好。在已验证有限元方法的基础上,研究了Z-pin直径、密度及植入角度等对T型接头拉脱承载能力的影响。结果表明:Z-pin增强可显著提高T型接头的拉脱承载能力,与未Z-pin增强的T型接头相比,Z-pin增强明显延缓了掉载;T型接头的拉脱承载能力随Z-pin直径和密度的增加而增大,随植入角度的增大而减小;在所研究的角度范围内,当植入角度为60°时,T型接头的拉脱承载能力最好;Z-pin直径和密度对拉脱承载能力的影响远比植入角度的影响显著。     

碳纤维增强聚合物复合材料车身T型接头静态性能与失效机制

通过解析预测、有限元分析和试验手段对热塑性碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）T型接头的面外弯曲和弯扭耦合力学性能进行研究,分析了T型接头的结构失效形式与力-位移曲线的关系,并将解析模型、有限元仿真与试验结果进行对比。在弯曲刚度方面,解析模型、有限元分析结果相对试验结果的刚度误差分别为4.7%和0.5%。在弯扭耦合刚度方面,解析模型及有限元仿真的结果相对试验结果的弯扭耦合刚度误差分别为6.9%和9.6%。试验结果表明,CFRP层合板的渐进失效引起T型接头弯曲刚度的衰减,当力达到2 047 N时接头开始发生失效,失效形式包括纤维的断裂、缠绕、树脂的压碎及纤维和树脂的分层等。      

T300/648复合材料迭层板接头挤压疲劳累积损伤问题的实验研究

本篇论文根据“剩余强度,剩余刚度”理论,讨论了碳纤维增强复合材料迭层板承载孔的挤压疲劳损伤,应用孔的永久变形描述损伤的产生和扩展,提出了“损伤函数”的定义和测定方法,并提出了新的“疲劳损伤点”的概念。实验还研究了温度对连接孔静挤压强度和疲劳寿命的影响。实验结果表明,温度的影响尤为重要。对损伤失效试件,采用“揭层方法”、“X射线”及“SEM方法”进行检测和损伤机理的研究。     

复合材料蜂窝夹层结构T型接头拉伸性能研究

通过试验测量了复合材料蜂窝夹层结构T型整体接头的拉伸性能,得到其拉伸强度与破坏模式。建立了接头结构有限元模型,利用分类损伤判据、失效准则与刚度退化准则对结构的损伤情况进行模拟,研究了接头的拉伸破坏行为。有限元分析结果与试验结果吻合良好。研究结果表明,结构的薄弱点位于腹板内靠近蒙皮的位置。蜂窝在此处发生面外拉伸破坏,从而导致结构的最终破坏。腹板上的拉伸载荷主要通过过渡区填料传递给蒙皮,腹板与蒙皮间的搭接段对载荷传递的贡献较小。参数研究表明,对于复合材料蜂窝夹层结构T型接头,搭接段长度对结构的强度几乎没有影响,而增大蒙皮蜂窝的高度或采用低模量蜂窝可以提高结构强度。     

碳纤维复合材料与金属连接及接头力学性能测试

碳纤维复合材料因其强度高、质量轻、导热性能出众,在外空间和核工业等领域中的关键部件中得以应用.碳纤维复合材料与金属主要是通过螺栓、胶结、钎焊或扩散焊连接在一起.其中,在钎焊过程中,多数钎料在这类复合材料表面并不润湿,通常采用活性钎料,在高温和高真空的条件下进行;钎料的种类不同,钎焊接头的强度差异也很大.本文对碳纤维复合材料与金属铜、钛、铌、铝等金属的连接方法和相关研究进展作了总结,对其接头的力学性能测试方法作了介绍,并对该领域的研究方向发展做了展望.     

Experiment and analysis of unidirectional CFRP with a hole and crack as sandwich-form inhomogeneous composite

In modern mechanical industry, many designs are incorporating lightweight materials. Known as the future’s lightweight material; Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) contains a fiber structure and therefore is vulnerable to cracks and holes that may be generated during machining. However, in a mechanical structure, it requires bonding the multiple parts using bolts, rivets, etc. In other words, it inevitably requires generating holes in the mechanical structure. Because of such problems, CFRP has been attached with a normally used structural steel, to lighten the weight. It is quite difficult to understand the mechanical features of inhomogeneous composites. In order to increase the usage of inhomogeneous composites that contain multiple light weight mechanical parts, there is a necessity of mechanical basic data. This study used CFRP and SM45C that has the stacking angle [0/60/–60/0]. It has a form of a sandwich in which 5 mm thick SM45C acts as the core, with 2 mm thick unidirectional CFRP attached on both sides of it. Using inhomogeneous composites of such sandwich form, Compact Tension (CT) test and analysis took place. In the test, considering the actual material being used in mechanical industry, a hole was made on the edge of the crack and compared the results according to the location of the hole. SIMADZU corporation’s Universal Testing Machine was used in the test. Setting the test as the basis, we constructed a model for the analysis. In the analysis, like we did in the experiment, we kept in mind the fiber structure of unidirectional CFRP and the conditions of the analysis were identical to the test. As the test result, the magnitude was at its optimal when there was no hole. But if a hole had to be made, it is at its best when placed at the spot where the center of the hole is 20 mm from the edge of the crack. A model with no hole had the reaction force of 14 kN and the forced displacement was 4 mm. A model with a hole placed 20 mm from the edge of the crack had the reaction force of 11 kN with the forced displacement of 10 mm. Test results and analysis differ a lot, but the data after the section when the reaction force rapidly arises are reliable. In other words, in the process of destruction due to the crack propagation, the analysis is reliable.     

无粘结CFRP筋部分预应力混凝土连续梁试验与分析

制备了9根两跨无粘结CFRP筋部分预应力混凝土连续梁,并完成了每跨三分点加载试验。考察了在加载过程中的开裂、中支座控制截面非预应力筋屈服、跨中控制截面非预应力筋屈服、极限破坏状态等阶段的受力特征,获得了无粘结CFRP筋在设计用承载能力极限状态和真实承载能力极限状态下的应力增长规律,基于试验结果提出了在这两个状态下的中支座两侧等效塑性铰长度计算公式,提出了分别以中支座控制截面综合配筋指标为自变量和以中支座控制截面相对塑性转角为自变量的弯矩调幅的计算公式。      

兰姆波检测参数曲线的应用研究

为了推广应用兰姆波进行无损检测,对兰姆波检测参数曲线进行了研究。通过对兰姆波频率特征方程的对称模式和反对称模式两种情况进行算法分析,用VC++软件加以编程实现,设计了专门用于绘制兰姆波参数曲线的软件,同时依据激励角频散曲线设计了兰姆波换能器的斜楔结构参数,并制作了兰姆波换能器,进而解决了兰姆波检测参数曲线的绘制和应用问题,所绘制的参数曲线适用于不同材质、不同型号的金属薄板兰姆波检测。     

Lamb波结构损伤检测温度补偿方法仿真与实验研究

基于主动Lamb波的结构健康监测和损伤检测是目前研究的热点之一。由于环境温度的改变使得结构的材料性能发生变化，从而导致导波在结构中的传播也发生变化。因此对于需要利用完整结构的基准状态信号对比当前信号来判定结构损伤存在与否的Lamb波线性损伤检测方法来说，波动传播温度影响的补偿就显得尤为重要。本文基于压电激励Lamb波传播过程分析研究了信号扩展时域温度补偿方法，分别进行了不同温度下Lamb波传播与损伤检测的有限元数值仿真和实验，利用基准信号选择和基准信号扩展的温度补偿方法处理波动响应信号。仿真和实验结果表明了温度补偿方法的有效性，得到了基准信号集中最大温度间隔要求，能够有效识别环境温度变化下的结构损伤。     

RTM成型复合材料T型接头工艺参数优化与力学性能实验研究

对树脂传递模塑(RTM)成型的复合材料T型接头进行了工艺参数优化、制备及力学性能实验研究。应用流动模拟软件,对RTM成型的复合材料T型接头进行了基体流动数值模拟,确定模具最佳注射方式和出胶口位置,并优化了影响树脂充模时间的工艺参数,显著提高了RTM接头的工艺性能。根据优化工艺参数结果,制备了RTM成型的复合材料T型接头试样,并进行了拉伸和压缩试验,分析了其破坏机制。根据拉伸和压缩试验现象和结果,发现RTM成型的复合材料T型接头拉伸破坏模式主要为富树脂三角区的树脂与纤维布界面分层,其拉伸破坏主要取决于树脂基体抗剥离分层的拉伸强度;压缩破坏模式为底板中央部位的弯曲分层与折断,其压缩破坏由接头底板中的纤维布抗拉强度决定;T型接头的压缩破坏强度高于拉伸破坏强度。     

基于电阻信号的CFRP纤维断裂识别实验及理论模型

碳纤维是决定CFRP复合材料性能的主要因素之一,因此为保证复合材料结构的健康状态、识别纤维的损伤与断裂就显得至为关键。文中通过加载电流并采集电阻信号的方式来识别CFRP复合材料中碳纤维的健康状态,通过实验和理论分析的方法进行了深入研究。实验针对2种不同铺层的试件进行测量:单向层合板[0]8和正交层合板[0/90]4。对试件端部进行了粘接铜箔处理以使试件稳定导电,使用KEITULEY2700数据采集仪测量试件电阻。实验内容包括静态电阻测量、拉伸受力状态下材料的电阻特性分析,并建立和推导了电阻-应变理论分析模型,进行了通电疲劳实验。研究结果表明,碳纤维的铺层角度对CFRP结构电阻有较大影响,[0]8铺层材料电导率和破坏强度约为[0/90]4铺层材料的2倍;CFRP材料受外载荷作用时,损伤程度与其电阻变化有对应的关系,其电阻信号变化可以作为反映材料损伤情况和识别纤维断裂的主要参数;实验结果与所建立的电阻-应变模型拟合结果吻合较好。文中研究的CFRP纤维断裂识别和航空复合材料结构健康监控及实时监测具有重要的意义。     

面向CFRP损伤检测的改进L1正则化EIT方法

由于碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)具有导电特性,因此可利用电阻抗层析成像(electrical impedance tomography, EIT)技术实现结构损伤检测。考虑EIT电极位置、数量有限以及电场软场特性的影响,其灵敏度矩阵呈现非均匀分布特征,导致场域内不同位置成像效果差别较大。该研究基于传统L1正则化的边缘锐化特性,提出了一种改进L1正则化方法。该方法通过分析损伤重建电导率分布规律,发现其在各邻域梯度分布的特征,并利用此特征保留L1正则化可能滤除的有效数据,在保证重建图像锐利边缘的同时,改善了不均匀灵敏度分布导致的区域成像精度差别。为验证所提出方法的有效性,仿真中设计了不同类型、不同相对位置的损伤模型,并且通过搭建的16电极EIT测试系统对损伤CFRP样品进行测试。仿真和试验结果表明,改进后的L1正则化方法不仅能重建更多位置上的损伤图像,而且不同程度地提高了各类损伤重建图像的精度。     

焊趾TIG重熔对钛合金T型接头疲劳性能影响

研究了焊趾TIG重熔对钛合金T型接头疲劳性能的影响,结果表明,经过焊趾TIG重熔和喷淋激冷处理后,焊趾部位残余应力可降低32%;在2×10~5疲劳次数循环基数下,焊趾重熔+喷淋激冷处理后接头疲劳强度可提高4倍;在260 MPa应力值水平下,焊趾重熔+喷淋激冷处理后,接头疲劳寿命提高3.3倍;焊趾重熔+喷淋激冷处理并进行超声波冲击消应力后,接头疲劳寿命提高9.9倍,疲劳性能明显优于采用两种方法单独进行处理时的接头疲劳性能。     

铺层取向误差对CFRP可折叠管件半片变形影响的数值分析与试验研究

以单层厚度为0.04mm的碳纤维/树脂(T300/5228,CFRP)超薄单向预浸料,采用真空袋-固化炉成型方法制备了一系列不同铺层复合材料"Ω"型可折叠管件半片,并采用ANSYS软件进行了有限元分析,通过实验和数值模拟方法研究了铺层方式及取向误差对变形的影响,制备的四种铺层方式制件实验测量其变形趋势与相应模拟分析结果一致,得到了铺层取向误差对变形影响较小的铺层方式。研究发现:±45°铺层比0°铺层的铺层取向误差对变形影响更大,增加90°铺层可以在一定程度上控制因铺层取向误差导致的可折叠管件半片的变形。研究结果表明通过铺层设计可以在一定程度上实现对CFRP可折叠管件半片变形的控制。     

基于超声导波检测的角钢型材缺陷特性分析

输电线路铁塔长期暴露在大气环境之中受到腐蚀,会造成角钢型材不同位置出现壁厚减小的情况,严重时可能导致铁塔断裂倒塌.为此,对角钢型材内壁锈蚀情况的检测技术进行探究.首先,对超声兰姆波的传播机理进行分析,确定角钢型材超声兰姆波的检测模态;然后,基于有限元理论对角钢型材进行三维数值建模,通过数值模拟探究了导波在钢材中的传播特...