双向受载裂纹板的复合材料补片胶接修补

建立和验证了碳纤维/环氧复合材料补片单面胶接修补双向受载的裂纹板的3D有限元模型,探讨了补片材料、铺层顺序、补片长度及双向载荷比等对裂纹应力集中强度因子的影响规律.结果表明,单面贴补的复合材料补片能有效地降低裂纹铝板的裂纹尖端的应力强度因子,同时胶接的复合材料补片使裂纹铝板的垂直裂纹方向的载荷和平行裂纹板方向的载荷发生偶合作用,应根据裂纹铝板的不同载荷情况,选择不同的补片进行修补.     

复合材料胶接修补结构疲劳性能的数值和试验研究

为研究室温下复合材料胶接修补结构的疲劳性能,以三维渐进损伤理论为基础,创建了复合材料胶接修补模型,利用材料损伤判断子程序实现对修补结构的静拉伸失效载荷及剩余强度的预测分析,并进行了相关试验的对比分析。采用5种不同尺寸的圆形补片来评价修补效果,并利用超景深仪对修补试件的疲劳损伤扩展模式进行微观测量。结果表明:静载拉伸中,尺寸为3.5r的修补结构承载能力最好;疲劳循环中,尺寸为2.5r的修补结构剩余强度提升效果最好;疲劳载荷下,当循环次数较低时,修补结构的主要损伤为基体开裂,而随着循环次数的增大,主要损伤为纤维断裂。     

碳纳米管薄膜电加热固化复合材料胶接修补金属结构研究

近年来,复合材料胶接修补技术被广泛应用于金属损伤结构,但传统补片固化工艺有着成本高、能耗大及成型时间长等问题。针对该问题,本文提出将碳纳米管薄膜作为加热元件与复合材料预浸料补片进行集成,通过电加热固化达到修补损伤结构的目的。进行了试验研究,分别采用碳纳米管薄膜电加热和传统烘箱加热的方法固化复合材料补片修补含裂纹铝合金板,对比不同固化方法下所需能耗和成型时间,并进行力学性能测试,评估胶接修补的效果。结果表明:碳纳米管薄膜电加热固化技术是一种节能高效的方法,可以显著降低能耗和材料成型时间;同时碳纳米管薄膜电加热固化修补的试件承载力与烘箱固化修补的试件基本一致,可以达到预期的修补效果,为金属结构低能耗、低成本胶接修补技术提供了一种新的思路。     

复合材料Ⅱ型分层损伤演化声发射监测

通过风电叶片复合材料Ⅱ型分层扩展力学性能实验,并借助声发射技术手段,研究复合材料[0/0]、[0/45]和[+45/-45]层间界面损伤演化特性。复合材料试件弯曲加载时,采用声发射实时监测整个分层损伤过程。结果表明,[0/0]复合材料分层试件裂纹扩展快、分层面积大、前沿平齐,不稳定扩展对应较多高幅值、长持续时间的声发射信号;受±45°方向纤维作用,[0/45]和[+45/-45]复合材料试件不稳定分层扩展前声发射撞击累积数较高,裂纹扩展相对缓慢,分层面积小,前沿不齐。复合材料分层损伤演化可分为预分层裂纹尖端区域微损伤累积和分层不稳定扩展两个基本的过程。     

复合材料补片尺寸和形状对铝板修补结构lamb波传播影响

借助于ANSYS软件建立包含铝板、复合材料层合板补片、胶层和压电陶瓷片(PZT)的压电和逆压电效应的模型,实现在结构中激励和接收lamb波信号,并以试验验证模型的正确性。利用损伤对结构中lamb波传播特性的影响,对复合材料补片修补后的金属损伤结构的损伤检测进行数值模拟研究,研究不同补片尺寸及形状修补8 mm孔对lamb波损伤检测的影响。结果表明,圆形、方形、菱形补片的仿真模拟结果显示不同的形状对A0和S0波包的影响差异较大,不同尺寸的菱形补片也对A0和S0波包有较大差异。     

微缺陷风力机叶片复合材料的疲劳损伤及疲劳寿命研究

对含微缺陷叶片试件进行疲劳试验,利用红外热像技术监测试件表面温度变化,观测红外热像图变化,研究试件受力过程损伤演化及疲劳寿命,研究叶片试件疲劳试验中熵产和累积总熵随疲劳寿命的变化。结果发现,叶片试件表面温度变化有快速升温、平稳上升、急剧上升,分别约占整个疲劳寿命的10%、70%和20%。观察红外热像图有微缺陷位置最先出现明亮热源,温度急剧上升时热源范围随着时间的变化而增大。发现试件累积总熵产随疲劳寿命的变化规律同温度随疲劳寿命的变化相同;试件的累积总熵随疲劳寿命呈现非线性变化。通过试验计算得出叶片试件的疲劳断裂熵值是独立参数的固定值。基于热力学疲劳断裂熵作为失效准则,建立预测叶片复合材料疲劳寿命的新模型。     

挖补修理复合材料层合板静力压缩与疲劳性能试验研究

挖补修理是应用较广的复合材料结构永久性修理方法。本文对热补仪固化的湿铺层挖补修理和预浸料挖补修理复合材料层合板的静力压缩和压-压疲劳性能进行试验研究。试件挖补斜度为1∶30,有3种损伤大小。疲劳试验的峰值和谷值为70%和7%限制载荷,共100万次。疲劳过程中采用无损C扫描检测试件的损伤及扩展情况。记录静力及疲劳后静力的应变数据、破坏载荷及破坏模式。试验结果表明:两种修理方式的试件在疲劳过程中均未出现损伤及扩展现象,疲劳后试件刚度未有降低;修理方式、是否经过疲劳和损伤大小对试件的屈曲载荷和破坏载荷没有影响;端部压溃试件比中部折断试件破坏载荷更高;两种修理方式的破坏载荷均可达限制载荷的200%以上,修理效果较为理想。     

最大荷载对硬质聚氯乙烯疲劳裂纹扩展的影响

为研究相同应力比下最大疲劳荷载对硬质聚氯乙烯（UPVC）疲劳裂纹扩展的影响，开展了单边缺口三点弯曲SE(B)试件Ⅰ型疲劳裂纹扩展试验，基于Paris公式绘制了疲劳裂纹扩展速率曲线，对试件断口微观形貌进行对比分析。结果表明：在不同荷载条件下，随着最大荷载降低，UPVC疲劳寿命增加；UPVC疲劳断裂过程符合次级断裂模式，最大荷载越大，断口微孔洞、纤维拉丝越明显。     

复合材料粘接修复铝合金板结构的失效模式研究

采用复合材料修复破孔和裂纹的铝合金板,并进行修复后的拉伸强度测试,采用声发射检测系统和高速摄像采集分析系统分析和观察了失效过程。结果表明,修复构件的失效都是从应力集中相对最严重的损伤处开始脱粘;黏附强度较弱的试件会发生Ⅰ型破坏;补片强度较弱的试件会发生Ⅱ型破坏;2者强度相当时会发生Ⅲ型破坏;湿热环境会降低补片强度,针对在湿热环境下使用的构件,应当在设计时适当提高补片强度,如增加补片铺层或增加补片长度等。     

薄层合板单面贴补修理拉伸性能研究

贴补修理是工艺简单、应用较广的复合材料结构修补技术。对含有孔穿透损伤的复合材料层合板单面贴补修理试验件进行拉伸试验,保持补片的铺层顺序、厚度不变,改变补片的直径,考察补片直径对单面贴补修理效果的影响,并根据试验过程中采集的试验件相应位置的应变数据以及载荷位移曲线分析其失效机理。结果表明,单面贴补修理试验件的强度恢复率约为34%～50%,且贴补修理对于含穿透孔损伤层合板的刚度具有一定的恢复作用,而且随着补片直径的增大,强度恢复率增高。当补片直径较小时,胶层先于母板发生破坏,此时的修理效果不明显;当补片直径增大到一定程度后,胶层承载能力较高,此时贴补修理对损伤件的拉伸强度有一定的提高作用。在试验基础上建立了有限元模型,能有效预测贴补修理件的破坏模式、拉伸强度,并可分析得到试验件的应力分布;改变有限元模型参数,研究最佳效果的补片尺寸与损伤孔径之间的关系。结果表明,当补片直径比损伤孔径大30 mm～40 mm时可获得较高的修理效率。为复合材料层合板设计贴补修理方案提供了参考。     

不同超载条件下带有角焊缝钢焊件的疲劳裂纹扩展速率

本文研究超载对带角焊缝钢焊件疲劳裂纹扩展速率的影响。这里,对63根试件在不同的超载条件下进行了疲劳试验,并用断裂力学理论,选用修正的Wheeler模型来计算超载引起的裂纹扩展率下降值。     

含中心裂纹铝合金厚板复合材料补片胶接结构应力强度因子有限元分析

含裂纹铝合金板经复合材料补片胶接修复后,裂纹尖端的应力强度因子(Stress Intensity Factor,简称SIF)是关注的重点。基于有限元软件ABAQUS,建立了含中心裂纹铝合金厚板复合材料补片胶接修复件的分析模型。计算了裂纹尖端的SIF,与Rose解析模型进行了对比验证,得到裂纹尖端SIF在板厚方向上的变化,以及补片在厚度方向上修补效果的变化,对比了不同修复方式的修复效果。结果表明,裂纹尖端SIF的有限元解偏保守,被修补板厚较大时,裂纹尖端SIF值在板厚方向上的差异更加显著,双面修复方式的修复效果明显优于单面修复方式。     

含裂纹金属板复合材料胶接修补结构残余热应力分析

残余热应力会增大裂纹尖端的应力强度因子SIF,加快疲劳裂纹扩展速率,缩短修补结构的疲劳寿命。利用三维有限元方法,对含裂纹金属板复合材料胶接修补结构中的残余热应力进行了分析,利用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)计算了修复结构裂纹尖端的SIF。并以SIF为判据,讨论了补片铺层方向、固化温度、胶层的材料参数对修复结构残余热应力的影响。结果表明,[0°/45°/-45°/90°]s的铺层方式可有效降低残余热应力引起的SIF;残余热应力引起的SIF随着固化温度的升高而线性增加;胶层的材料参数及胶层厚度对残余热应力引起的SIF影响不显著。     

纯剪切应变状态下天然橡胶元件的疲劳损伤特性

应用有限元分析与计算技术研究了橡胶元件实现纯剪切状态的设计要求,并计算了其5种疲劳损伤评价参数;通过加载扭转角位移实测了环形橡胶剪切试件的纯剪切疲劳损伤寿命,观察了该试件的疲劳失效位置和裂纹扩展方向;建立了疲劳损伤评价参数与纯剪切疲劳损伤寿命的幂函数模型。结果表明,环形橡胶剪切试件的内径与其厚度及高度的比值均约为10时,承载后可近似实现纯剪切应变状态;以转矩下降率25%为失效标准时,填充炭黑天然橡胶试件的纯剪切疲劳损伤寿命与其角位移、对数主应变、应变能密度、柯西主应力及剪切应变均存在较强的幂函数关系;环形橡胶剪切试件的裂纹扩展方向与其轴线方向成约45°角,且裂纹的产生位置为试件的应变集中区域。     

补片形状对复合材料胶接贴补修补影响的预测与试验研究

为研究复合材料胶接贴补方法的修补性能,对胶接结构开展了准静态拉伸试验,研究了室温下T9001复合材料胶接修补结构的静拉伸载荷-位移行为。以三维逐渐损伤理论为基础,创建了复合材料胶接修补模型,利用APDL语言实现对不同补片形状的胶接修补结构在静拉伸载荷作用下的最终失效载荷的预测分析。同时,进行相关试验,测得的胶接修补结构的失效载荷与预测结果吻合较好。结果表明,正放的方形补片的修补效果最佳。最后利用X光机对胶接修补结构的最终损伤模式及损伤范围进行了检测,试验结果与计算预测结果较吻合。     

金属损伤结构的复合材料修补技术研究

概述了金属损伤结构的三种主要修补技术,重点介绍了复合材料胶接修补技术的影响因素,包括金属结构的表面处理、复合材料补片材料、胶粘剂和修复工艺,并分析了复合材料修补金属结构的应用现状.     

复合材料气瓶漏点定位分析研究

某复合材料气瓶在疲劳试验中远低于平均疲劳寿命时即发生漏水,通过对复合材料气瓶整体损伤研究、异常区泄漏判定研究及微观分析,定位了漏水部位并对低疲劳寿命原因进行了分析.结果表明:内衬在制造过程中产生的微小凹坑缺陷是导致复合材料气瓶低疲劳寿命的原因,在疲劳试验中,凹坑缺陷作为疲劳裂纹源,产生应力集中,引发裂纹扩展,最终形成穿透性裂纹,导致复合材料气瓶提前泄漏.     

复合材料胶接修补界面损伤演化声发射监测

利用声发射技术实时监测四点弯曲载荷作用下含纤维断裂玻璃纤维增强复合材料胶接修补后试件的损伤演化过程,结合声发射信号统计分析方法,研究贴补片尺寸对修复效果的影响。结果表明,弯曲载荷作用下,两类贴补修补试件破坏模式均以贴补界面开裂为主,随着胶接修补贴补面积的增加,试件失效载荷呈增大趋势。贴补修补片长度为90mm时,其破坏载荷约为未修补试件破坏载荷的2倍。修补试件损伤破坏过程与对应声发射特征表现出良好的相关性,声发射信号统计性描述方法能够有效用于评估胶接修补复合材料试件的微损伤演化行为。     

EP胶粘剂-不锈钢对接粘接结构的疲劳试验与理论研究

采用多功能拉伸试验机对EP(环氧树脂)胶粘剂-不锈钢对接粘接试件进行了疲劳试验[应力比(R)=0,疲劳应力幅值(Δσ)分别为10、12、14、15、16、18、20、22、25 MPa],并用Paris裂纹扩展疲劳寿命模型分析了该对接粘接结构的疲劳行为,同时还运用数值模拟法确定了初始裂纹和临界裂纹,进而根据试验结果确定了疲劳模型的特征参数。研究结果表明:对接粘接试件的疲劳寿命(N)随Δσ的增加而减小,并且疲劳过程中存在蠕变变形;当Δσ为16~25 MPa时,该模型能较好描述对接粘接结构的疲劳行为。     

SW220/430LV复合材料拉-拉疲劳强度材料许用值试验研究

拉伸强度材料许用值是开展舰用复合材料结构设计所需的重要指标参量。SW220/430LV复合材料是目前较为常用的舰用复合材料体系之一。首先依据规范GB/T 1447-2005开展0°/90°铺层试件拉伸强度试验研究,并根据B基准值要求,得出拉伸强度基准值XT。在此基础上,分别针对不同折减系数条件下的载荷值,开展拉-拉疲劳特性、疲劳承载后剩余强度/刚度试验研究,并同时探讨了载荷特征、应力比、加载频率、疲劳周期等对SW220/430LV复合材料疲劳特性的影响规律。研究结果表明,当计及结构疲劳承载时,SW220/430LV复合材料拉伸强度材料许用值可取为0.45XT。