服役温度对铝合金-碳纤维增强树脂复合材料粘接接头准静态失效的影响

为了研究服役温度对铝合金-碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料粘接接头准静态失效的影响，本文加工了铝合金-CFRP复合材料粘接接头。考虑车辆实际运行工况下的服役温度，选取低温(?40℃)、常温(20℃)和高温(80℃)三种环境温度，结合设计的Arcan夹具对铝合金-CFRP复合材料粘接接头分别进行1 mm/min和100 mm/min的准静态试验，得到不同温度下铝合金-CFRP复合材料对接接头(BJs)、45°嵌接接头(45°SJs)和剪切接头(TSJs)的准静态失效强度，并结合失效断面对接头失效形式进行分析，建立了失效准则方程和三维响应曲面。结果表明:不同加载速率下的铝合金-CFRP复合材料粘接接头失效强度在高温环境下均呈明显的下降趋势，在低温环境下均呈一定程度的上升趋势。高温下的失效模式为胶层的内聚失效，低温下的失效模式中纤维撕裂的比例上升。相对于1 mm/min加载速率下的准静态失效强度，各温度和应力状态下的铝合金-CFRP复合材料粘接接头在100 mm/min加载速率下的准静态失效强度明显提高。      

基于循环载荷的单搭胶接接头残余强度分析

为研究循环载荷下单搭胶接接头的残余强度及失效机理,以5052铝合金单搭胶接接头为研究对象,先后对其进行静强度测试、疲劳强度测试和残余强度测试,引入威布尔分布对试验数据进行分析,检验其有效性,并采用超声扫描显微镜和扫描电子显微镜对失效胶层进行失效机理分析。结果表明,在疲劳循环载荷作用下,接头刚度基本稳定,而残余强度随着疲劳循环载荷周次的增加,呈现出先增大后减小的变化趋势;疲劳裂纹从接头搭接端部的界面端点处开始萌生,并快速向中间扩展,当疲劳循环达到一定次数时,胶层瞬间断裂,裂纹萌生阶段几乎占据了其全部疲劳寿命,失效后的胶层会出现"凹台"状微观结构。     

层板复合材料疲劳性能的实验研究

对层板复合材料在拉伸 -拉伸疲劳载荷作用下的初始静刚度、初始静强度、剩余刚度、剩余强度、疲劳寿命进行了实验研究 ,取得了大量的有意义的实验数据 ,分析了层板复合材料的初始静刚度、初始静强度和疲劳寿命的概率分布 ,讨论了层板复合材料在不同应力水平下剩余刚度随疲劳循环周次的衰减变化及损伤破坏的形式 ,得到了一些有意义的结论     

单向碳/碳复合材料拉-拉疲劳寿命及剩余强度预测模型

基于预测单向复合材料纵向拉伸强度的随机核模型,引入纤维单丝剩余强度二参数Weibull模型及纤维单丝与基体界面剩余强度模型,研究建立了单向复合材料纵向拉-拉疲劳寿命及剩余强度的预测模型。对经过一定次数拉-拉疲劳载荷循环后的纤维束抽取其纤维单丝进行剩余强度拉伸试验,建立了纤维单丝剩余强度的二参数Weibull模型,测试单向碳/碳（C/C）复合材料的纤维与基体界面强度。通过单向C/C复合材料算例分析表明,92.5%、90.6%和87.5%应力水平下对数预测寿命与对数试验寿命比值分别为0.79、1.00和1.11,表明所建立的寿命预测模型用于预测单向C/C复合材料疲劳寿命是可行的;纵向拉伸剩余强度预测值与试验值误差在10%以内,吻合较好,表明所提出的剩余强度预测模型具有较高的精度。     

复杂面内应力状态下平面编织高铝纤维增强氧化铝基复合材料强度及疲劳寿命预测方法

针对平面编织氧化铝基复合材料提出了一种复杂面内应力状态下的强度准则和疲劳寿命预测方法。通过拉伸、压缩及纯剪切试验,分别获得了材料的静强度指标。考虑材料拉、压性能的差异和面内拉-剪联合作用对材料强度的影响机制,提出了修正的Hoffman强度理论。采用该强度理论预测得到的偏轴拉伸强度与试验结果基本一致,偏差不超过10%。开展了偏轴角θ=0°、15°、30°、45°,应力比R=0.1,频率f=10 Hz的拉伸疲劳试验,试验结果表明随着偏轴角的增加,相同轴向拉伸载荷下的疲劳寿命逐渐降低。由于面内剪切应力分量的作用,疲劳失效由纤维主导逐渐过渡到纤维和基体共同主导的模式。基于单轴疲劳寿命曲线,采用Broutman-Sahu剩余强度模型表征剩余强度随疲劳循环次数的变化规律,结合剩余强度演化模型和修正的Hoffman强度理论,提出了一种面内复杂载荷条件下的疲劳寿命预测模型,并引入疲劳剪切损伤影响因子表征拉-剪应力联合作用对材料疲劳行为的影响。采用本文提出的疲劳寿命预测模型,预测不同偏轴角拉伸疲劳寿命,预测结果与试验结果基本一致,偏差在1倍寿命范围内。比较结果表明在给定应力比、温度和疲劳载荷频率条件下,该疲劳寿命预测模型可以用来预测平面编织氧化铝基复合材料拉-剪复杂面内载荷条件下疲劳寿命。      

服役低温老化对铝合金-玄武岩纤维增强树脂复合材料粘接接头力学性能的影响及失效预测

为了给铝合金-玄武岩纤维增强树脂(BFRP)复合材料粘接结构在汽车工业中的应用提供参考和指导,加工了铝合金-BFRP复合材料粘接接头。结合汽车服役中的温度区间,选取?10℃和?40℃的低温老化环境,对接头进行0、10、20、30天的老化。对老化后的粘接接头进行准静态拉伸试验和剪切试验,得到不同老化时间下铝合金-BFRP粘接接头的准静态失效强度。结合DSC和FTIR分析低温老化对BFRP复合材料的影响,并对粘接接头的失效断面进行宏观分析和SEM分析。结果表明:在低温老化环境中,胶粘剂与BFRP复合材料的化学性质受低温老化作用影响不大,BFRP中的官能团与玻璃化转变温度(T_g)没有发生明显的变化,接头的失效强度和失效模式主要受胶粘剂与粘接基材的热应力影响。对于拉伸接头,随着低温老化时间的增加,BFRP复合材料纤维与树脂基体间的结合力降低,铝合金-BFRP复合材料接头的失效断面中纤维撕裂的比例逐渐减少,拉伸接头失效强度逐渐下降。老化后剪切接头仍为内聚失效,BFRP复合材料的低温老化对铝合金-BFRP复合材料剪切接头的失效强度几乎没有影响,剪切接头失效强度的下降主要是胶粘剂与粘接基材热膨胀系数不一致引起的热应力的影响。采用二次应力准则公式对?10℃和?40℃低温环境下,拉应力、剪应力值随老化时间的变化规律进行了拟合,在此失效准则的基础上,根据响应面原理,建立接头失效强度随老化时间变化的三维曲面,为粘接技术在车身结构中的工程应用提供参考。      

SUS304不锈钢点焊与胶焊接头的疲劳强度分析

通过拉剪实验测定1.5mm厚SUS304不锈钢点焊接头、胶焊接头的抗拉强度,并开展疲劳实验,获得不同应力水平下两种接头的疲劳寿命,得到两种接头的载荷-寿命曲线;借助扫描电镜分析接头疲劳失效过程。结果表明:当焊接电流为10.0kA、焊接时间为80ms、电极压力为0.5 MPa时,能获得较好的胶焊接头。在此焊接参数下,点焊接头、未固化胶焊接头和固化胶焊接头的平均失效载荷分别为12 825.5N、10 345.6N、10 022.9N;在疲劳实验载荷-寿命曲线的有限寿命区内,SUS304不锈钢胶焊接头的疲劳强度均大于点焊接头;点焊接头和胶焊接头的疲劳失效形式主要由母材眉状裂纹失效和界面撕裂失效两种形式组成;胶焊接头的疲劳失效过程中,首先是胶层粘接失效,随后疲劳裂纹从板间内表面热影响区边缘萌生,沿板厚与板宽方向扩展直至发生疲劳失效。     

5052铝合金胶接接头静强度及疲劳性能研究

运用实验方法研究了胶接接头的静强度及其疲劳性能。对胶接接头进行静力学实验,并在此基础上选用6种不同载荷水平对胶接接头进行疲劳实验,获得了接头的载荷-寿命(F-N)曲线。试验结果表明:胶接接头静强度为同尺寸铝合金板静强度的77.5%,说明胶接接头有较高的静强度。当疲劳载荷水平大于最大静载荷平均值的50%时,接头F-N曲线呈线性趋势变化;随着疲劳载荷水平的不断提高,接头失效形式更多地表现为混合破坏。通过分析疲劳失效接头刚度变化可知:在各疲劳载荷水平下,接头刚度的线性趋势变化在整个疲劳周期内占很大比例,疲劳载荷水平越低,接头刚度降低越慢;接头刚度的变化表明在接头内产生了裂纹并逐步扩展。     

层板复合材料疲劳性能的实验研究

对层板复合材料在拉伸－拉伸疲劳载荷作用下的初始静刚度、初始静强度、剩余刚度、剩余强度、疲劳寿命进行了实验研究,取得了大量的有意义的实验数据,分析了层板复合材料的初始静刚度、初始静强度和疲劳寿命的概率分布,讨论了层板复合材料在不同应力水平下剩余刚度随疲劳循环周次的衰减变化及损伤破坏的形式,得到了一些有意义的结论。     

粘接剂对1420铝锂合金压印接头疲劳性能的影响

压印连接以高效率、低能耗的优点在薄板材料连接中被广泛应用,但其连接强度相对较低,鉴于此,压印-粘接复合连接应运而生。本文以1420铝锂合金为原材料,制备了1420同种材料组合的压印接头及压印-粘接复合接头并进行对比。通过拉-剪静态力学试验测定两种接头的静力学强度及承载能力,通过拉-拉动态疲劳试验测定两种接头的动态疲劳性能,采用三参数法拟合疲劳寿命曲线,并对疲劳失效断口进行分析。结果表明:压-粘接头的静强度比压印接头提高了108.17%,接头承载能力提高169.63%。在短寿命区,两种接头均为颈部断裂失效;在中长疲劳寿命区,压-粘接头的疲劳寿命优于压印接头,压-粘接头疲劳断裂位置为压印点,压印接头疲劳断裂位置为下板。对疲劳断口进行SEM分析,发现两组疲劳断口均呈现韧性断裂与脆性断裂同时出现的特征。     

Effect of fatigue loading on the bond behaviour between UHM CFRP plates and steel plates

Extensive research has been conducted on static bond behaviour between CFRP and steel. However, very limited research is available on the effect of fatigue loading on the bond behaviour between CFRP and steel. This paper attempts to fill the knowledge gap in this area. A series of static and fatigue tests on UHM (ultra high modulus) CFRP plate and steel plate double strap joints were conducted. Five specimens were tensioned to failure under static loading as control specimens. The other 12 specimens were tested under fatigue loading with load ratios ranging from 0.2 to 0.6 (defined as the ratio of the maximum fatigue load to the average static bond strength of control specimens). After going through pre-set number of fatigue cycles, the specimens were tensioned to failure under static loading. The failure modes, residual bond strength and residual bond stiffness of such specimens were compared with those of control specimens, to facilitate the investigation of the effect of fatigue loading on the bond behaviour. Microscopic investigation was also performed to reveal the underlying failure mechanism.     

玻璃纤维增强树脂基复合材料夹芯板-钢板连接接头的弯曲性能

以PVC泡沫或Balsa轻木为芯材的玻璃纤维增强树脂基复合材料（GRP）夹芯板目前广泛应用于船舶与海洋工程结构中。论文设计不同参数的GRP夹芯板-钢板混合接头模型,进行四点弯曲加载下的静力及疲劳试验研究,同时运用ABAQUS软件结合MSC.fatigue软件对接头的静态及疲劳弯曲失效进行数值模拟,分析了接头的弯曲强度、刚度和失效模式,并研究了接头填充区材料及长度、钢板嵌入填充区长度等参数对接头弯曲性能的影响。结果表明：弯曲载荷作用下接头破坏发生在连接结合部,失效模式则因填充区的不同设计而不同;对提高接头的弯曲性能较为明显的设计参数包括将钢板延伸到接头填充区或者选择Balsa轻木替代PVC泡沫芯材;对于受到疲劳弯曲载荷的接头模型,在较大疲劳载荷水平下,所有试件在未达到10⁶次循环时均发生了疲劳破坏;而在相对较小的疲劳载荷水平下,经过10⁶次循环后所有试件全部完好,并且接头的剩余强度与疲劳试验前的静强度相近,表明小载荷水平下接头的疲劳次数对其承载能力无影响。     

Fatigue behaviour of the bond interface between carbon fibre‐reinforced polymer sheets and concrete

Externally bonded carbon fibre‐reinforced polymers (CFRPs) have been applied to retrofit and strengthen civil structures. In this study, four‐point bending beams were manufactured and tested to examine the fatigue behaviour of the CFRP–concrete interface. The results indicated that the specimens exhibited debonding failure in the concrete beneath the adhesive layer under static loading. However, when cyclic loads were imposed on the small beams, debonding failure may occur in the adhesive layer. Moreover, fitting expressions were proposed to predict the shear stress–slip relationship between the CFRP sheets and concrete and the flexural strength of the CFRP‐strengthened beams under static loads, and good agreement with the test data was obtained. Finally, a fatigue life prediction model was also presented to capture the fatigue life of the CFRP–concrete interface under cyclic loads. The calculation results showed that the fatigue strength of the CFRP–concrete bond interface was approximately 65% of the ultimate load capacity.     

碳纤维增强环氧树脂复合材料与铝板胶螺混合连接接头失效仿真

基于商用有限元软件ABAQUS,建立了碳纤维增强环氧树脂复合材料（CFRP）层合板和铝板双搭接胶螺混合连接接头强度预测模型,并进行了仿真分析,同时与试验结果进行对比,探究了此类混合接头在拉伸载荷工况下的失效形式和承载能力。结果表明,拉伸加载过程中,螺栓通过分担部分载荷加强了胶接连接。混合接头的失效形式先表现为胶层的断裂失效,最终表现为层合板孔边挤压失效。利用模型预测的接头承载能力与试验结果的误差为9.7%,具有较好的吻合性。该分析方法能够为复合材料-金属胶螺混合连接的分析和设计提供一定的参考。      

搭接长度和铺层方式对CFRP复合材料层合板胶接结构连接性能和损伤行为的影响

针对不同搭接长度和铺层方式的碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料层合板单搭胶接结构进行了拉伸试验,观察了试件的受力过程和失效形态,获得了载荷-位移曲线;同时基于连续损伤力学模型和三维Hashin失效准则模拟了CFRP复合材料层合板的层内损伤形成和演化,并利用内聚力模型来模拟层间及胶层的失效损伤,对CFRP复合材料层合板单搭胶接结构在拉伸作用下的失效强度和损伤机制进行了预测,通过对比验证了该数值方法的有效性;通过数值试验比较不同搭接长度和铺层方式的单搭胶接结构及双搭胶接结构的连接强度和损伤行为,并提出了一种优化的CFRP复合材料层合板胶接结构。结果表明:CFRP复合材料层合板胶接结构的极限失效载荷随着搭接长度的增大逐渐增加并趋于稳定值,且结构的失效形式逐渐从胶层自身剪切失效过渡到邻近胶层的层合板层间分层失效;CFRP复合材料层合板胶接结构的连接强度和损伤行为随着铺层方式的不同而改变,通过对3种铺层方式的对比和分析,得到性能最好的铺层方式是[0₃/90₃]_2S;在搭接长度为5~20 mm时,通过对搭接长度进行优化,得到单搭胶接结构的最优搭接长度是17 mm,双搭胶接结构的最优搭接长度是19.3 mm,与搭接长度为20 mm相比,单搭胶接结构和双搭胶接结构的连接强度分别提高了13.26%和0.43%。      

Wet thermo-mechanical behavior of steel–CFRP joints – An experimental study

The long term durability of CFRP strengthened steel structures is a key parameter for their safe use and effective design. Strengthened members can be subjected to different environmental conditions and loading scenarios during their service life, the effect of which on the failure mechanism of the strengthened member requires fundamental investigations. This paper presents an experimental investigation into the effects of wet thermo-mechanical loading on the bond strength and the failure mode of steel–CFRP single lap joints. A total of thirty four steel–CFRP single lap shear specimens were prepared and exposed to different combinations of wet thermal cycle ranges and sustained loads. The results show that these conditions (wet thermal cycles and sustained loads) have little impact on the bond strength of steel–CFRP lap joint when applied separately. However, when applied simultaneously, the bond strength of the joint is significantly reduced with failure observed at less than 30% of the static strength under temperatures that are well below the glass transition temperature of the adhesive.     

胶膜连接碳纤维增强树脂复合材料板-钢搭接接头室温条件的力学性能试验

针对碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料板-钢搭接接头连接的糊状胶黏剂粘层厚一致性控制较难、铅垂向成形可能不易等问题,将糊状胶黏剂换成胶膜,制作了胶膜连接的五种粘结长度共15个CFRP板-钢双搭接接头试件,并对该胶膜连接的CFRP板-钢搭接接头进行了室温条件下的破环模式、有效粘结长度、传力规律、粘结-滑移本构、承载力等的试验研究。结果表明:所用胶膜的连接强度略高于CFRP板层间强度（即碳纤维与树脂基体的黏聚强度）;室温下,所用胶膜连接的CFRP板-钢搭接接头有效粘结长度约为80 mm;加载初期,剪应力最大值位于接头钢板端;继续加载,其位置向接头CFRP板端移动;加载末期,其位置位于距接头钢板端20 mm （粘结长度不超过80 mm时）或者50 mm （粘结长度不小于120 mm时）处;胶膜连接的CFRP板-钢搭接接头界面粘结-滑移模型为近似梯形,不同于胶黏剂连接的CFRP板-钢搭接接头的近似三角形,胶膜连接接头的延性大为提升;所用胶膜连接接头界面峰值剪应力、断裂能、界面刚度等代表值（可视为准平均值）分别为四种典型商品胶黏剂连接接头的1.2~3.0倍、1.6~5.7倍和5.4~7.5倍;在粘结长度不小于有效粘结长度条件下,所用胶膜连接接头的抗拉承载力代表值为四种典型商品胶黏剂连接接头的1.25~2.39倍;胶膜连接接头的抗拉承载力、最大位移的变异系数与糊状胶黏剂连接接头相差不大。      

高温下双搭接钢-CFRP板胶粘界面力学性能试验

高温环境下钢-碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)板的胶粘界面是CFRP粘贴加固钢结构的薄弱环节。为掌握温度对钢-CFRP板胶粘界面力学性能的影响,制作了双搭接接头试件,开展了3种胶粘剂在4种温度下(25℃、55℃、70℃和90℃)的静力拉伸试验。探索了接头试件的破坏模式、荷载-位移关系、CFRP板表面应变分布、界面剪应力分布和粘结-滑移关系等。结果表明:当温度低于55℃时,试件的破坏模式与胶粘剂种类相关性更大,当温度高于70℃时,不同胶粘剂的破坏模式具有相似性,且均出现了CFRP板撕裂。温度对不同胶粘试件的承载力影响存在差异,HJY-4105高韧性环氧树脂结构胶粘剂(HJY胶)试件的承载力随温度的升高而增大,LICA-100A/B 环氧树脂结构胶粘剂(LICA胶)试件的温度稳定性较差,Sikadur-30 CN双组份环氧结构加固碳板胶(SIKA30胶)试件在55℃时承载力最高。随着温度升高,胶粘层的剪切强度、界面剪应力峰值和剪切刚度下降,胶粘剂的延性增加,峰值剪应力不影响试件的抗拉强度。温度对粘结-滑移关系的影响显著,HJY胶随着温度的升高,粘结-滑移本构的延性增加,破坏模式由脆性破坏变为延性破坏。研究表明:合理的耐高温胶应用于钢结构加固,能适应自然高温环境的不利影响。      

Effect of carbon nanotube modified epoxy adhesive on CFRP-to-steel interface

The effects of carbon nanotube (CNT) modified epoxy adhesive on CFRP-to-steel interfaces were investigated using double strap joints. The bond behaviours studied were failure modes, bond interface at microlevel, bond strength, effective bond length, CFRP strain distribution and bond-slip relationships.For the first time, a novel type of failure in the CFRP-steel joint was discovered, attributable to weak bonding between woven mesh and CFRP fibres. This failure mode prevented exploitation of the full potential of the carbon fibres and the CNT modified epoxy adhesive. Joints bonded with CNT-epoxy adhesive had an effective bond length of about 60 mm, whereas that of joints bonded with pure epoxy was about 70 mm. The CNT-epoxy adhesive can transfer more load from the host structure to the bonded CFRP laminates, consequently modifying bond behaviour. It is therefore expected that CNT-epoxy nanocomposites will assist in the strengthening and rehabilitation of steel infrastructures using CFRP laminates.