温度-荷载作用下玻璃纤维增强塑料-泡沫夹层结构Ⅰ型断裂韧性分析

以玻璃纤维增加塑料(GFRP)-泡沫夹层结构为研究对象,在不同温度条件下,采用拉伸试验确定聚氨酯泡沫芯材料的拉伸性能;经差示扫描量热分析法(DSC)测试GFRP树脂的玻璃化转变温度;通过双悬臂梁(DCB)试验研究,测试不同温度(30、50、70和90℃)条件下,夹层结构的I型裂纹扩展形态和界面应变能释放率,分析温度对GFRP-泡沫夹层结构界面数性能的影响。结果发现:GFRP树脂的玻璃化温度为90℃;温度对聚氨酯泡沫的拉伸强度和拉伸模量影响较小;随着温度的升高,GFRP-泡沫夹层结构的荷载呈下降趋势,界面应变能释放率的峰值越来越大。运用能量释放率断裂准则判别裂纹扩展符合理论要求。     

温度-荷载耦合作用下玻璃纤维增强复合材料-泡沫夹层结构Ⅰ-Ⅱ混合型界面断裂试验

复合材料夹层结构在长期的使用过程中发现界面剥离是夹层结构失效的常见模式之一,因此十分有必要研究不同温度条件下,玻璃纤维增强复合材料(GFRP)-聚氨酯泡沫夹层结构的I-II混合型界面断裂韧性。本项研究采用单臂弯曲试验(SLB)的方法测量GFRP-聚氨酯泡沫夹层结构的荷载-挠度曲线和裂纹扩展长度。试验结果表明:随着温度的升高,裂纹沿着界面扩展,芯材无破坏现象,极限承载力呈下降趋势。通过计算应变能释放率发现,随着温度的升高应变能释放率峰值呈上升趋势。运用界面裂纹扩展准则判定裂纹扩展符合理论要求。     

温度荷载作用下GFRP-泡沫夹层结构Ⅱ型界面断裂韧性分析

研究不同温度对玻璃纤维增强复合材料(GFRP)-泡沫夹层结构的Ⅱ型界面断裂韧性的影响,首先分析不同温度对GFRP以及聚氨酯泡沫的压缩性能的影响。再按照端部开口弯曲试件(ENF)的方法测量GFRP-泡沫夹层结构的荷载-位移曲线。试验结果表明:随着温度的升高,极限承载能力逐渐降低。通过能量释放率(G)判据来分析界面的分层情况,并基于试验现象和数据的进一步分析,计算出界面应变能释放率(G_Ⅱ),通过不同温度下G_Ⅱ值的比较发现:当温度升高时,界面的应变能释放率逐渐降低。     

格构腹板增强复合材料泡沫夹芯板侧压性能试验与分析

提出一种以聚氨酯泡沫为芯材、玻璃纤维增强复合材料为面层和格构腹板的新型复合材料夹层结构板材。采用真空导入工艺制备8个参数不同的夹芯板试件,并对其进行侧压性能试验,探讨格构腹板和聚氨酯泡沫等参数对构件压缩破坏形态和承载性能的影响,并根据复合材料力学理论进行理论分析。结果表明:格构腹板可提高夹芯板的截面刚度,并能有效提升芯材与面层的界面粘结强度,抑制夹芯板面层剥离;聚氨酯泡沫芯材能有效抑制板材在加载初期的局部屈曲;理论分析与试验结果相吻合。     

GFRP-微珠泡沫组合柱抗车辆撞击仿真与优化设计

近年来,国内外桥梁碰撞事故频繁发生,对桥墩造成破坏甚至导致桥梁垮塌,造成人员伤亡及经济损失。本文以玻璃纤维增强复合材料(GFRP)-混凝土组合柱为参照柱,在满足GFRP-微珠泡沫组合柱吸能不小于参照柱的条件下,对其进行精细化模拟及优化设计。结果表明:优化后的GFRP-微珠泡沫组合柱不仅具有与GFRP-混凝土组合柱同样的吸能能力,还可以大幅削减冲击力峰值,提高冲击持续时间和比吸能,降低对撞击车船和人身的损害,达到轻质高强、吸能能力强的效果。     

内嵌聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的碳纤维增强复合材料蜂窝夹层结构水中抗爆试验研究

为了分析新型内嵌聚甲基丙烯酰亚胺(Polymethacrylimide, PMI)泡沫的碳纤维增强复合材料蜂窝夹层结构的水中抗爆性能，开展了水中爆炸作用下结构抗爆性能试验研究，对比了均质钢板、纯蜂窝夹芯夹层结构以及内嵌两种不同密度PMI泡沫蜂窝夹芯夹层结构的水中抗爆性能，分析了结构变形与破坏模式、结构表面压力特性以及结构后面板变形情况。结果表明，内嵌泡沫能够有效提升夹层结构的水中抗爆性能。研究结果可以为水中抗爆防护结构的轻量化设计及优化提供参考。     

复合材料夹层结构的疲劳损伤性能

为研究复合材料夹层结构的疲劳性能,以轻木复合材料夹层结构为例,进行四点弯曲疲劳试验,得到结构的疲劳载荷-寿命(S-N)曲线;从疲劳损伤角度出发,描述结构的疲劳破坏机理;考虑剩余刚度,提出一种用于该类型结构的非线性疲劳损伤模型。结果表明:复合材料夹层结构的疲劳失效是一个损伤渐进累积的过程,位移演化呈现明显的三阶段特征;基于芯材剪切模量退化的指数型累积损伤模型可以较好地表达出复合材料夹层结构的损伤演化趋势。     

爆炸载荷作用下玻璃钢/硬质聚氨酯泡沫夹层结构抗冲击性能实验研究

为分析玻璃钢/硬质聚氨酯泡沫组成的单夹层方板、双夹层方板以及单夹层方板单面喷涂聚脲结构在爆炸载荷作用下的动力响应及抗爆性能,进行了等面密度的3种结构靶板的爆炸冲击波毁伤效应试验,获得了3种结构靶板在爆炸载荷作用下的破坏模式,并比较了3种结构的抗冲击性能.研究发现,靶板的面板破坏模式以固支边界断裂裂纹、四角弯折裂纹和应力集中处剪切裂纹为主,芯层形成了明显的压溃区、裂纹聚集区、脱粘破坏和拉伸裂纹破坏.等面密度设计的双夹层方板和迎爆面喷涂聚脲的单夹层方板破坏程度和残余变形比单夹层结构更大;背爆面喷涂聚脲的单夹层方板破坏程度比单夹层结构更大,但背爆面板残余变形明显减小.      

泡沫夹层结构复合材料机翼模型弯曲破坏形态有限元模拟

采用有限元法(FEM)分析泡沫夹层结构复合材料机翼准静态三点弯曲载荷力学行为与破坏形态.在有限元模型中,复合材料蒙皮为Hashin失效准则弹性壳单元模型,铺层结构为[0/90/0/±45]s,其芯层泡沫为弹塑性可压缩泡沫实体单元模型.利用有限元模拟软件ABAQUS10.1模拟机翼在弯曲载荷下的破坏形态,分析得到其破坏机理.通过最大受力值以及模型应力云图与实际弯曲试样破坏情况进行比较.结果表明,机翼最大承受力模拟值比试验值偏大,但相对误差很小,为3.31%;模型应力集中区域与试样实际断裂区域相吻合,证明了本有限元模型可以有效地用于预测泡沫夹层结构复合材料机翼在三点弯曲载荷作用下的失效模式以及失效强度.     

双跨连续GFRP-混凝土组合板的试验研究

为研究GFRP-混凝土组合板的受力性能,对3块GFRP-混凝土组合连续板进行了静载试验.3块组合板分别通过环氧树脂胶或剪力栓钉与下部型钢支座连接.试验结果表明:所有组合板的最终破坏形态均表现为加载垫块处局部冲剪破坏;中支座处和边支座处没有出现荷载重分布现象,组合板表现出良好的空间受力性能及变形协调能力.然后,基于塑性极限理论,提出了一种GFRP-混凝土组合板极限承载力计算方法.预测值与试验值的比较结果表明,所提方法可以有效地预测GFRP-混凝土组合板的极限承载力.     

真空辅助成形泡沫夹层复合材料粘接界面性能研究

夹层泡沫与复合材料整体VA RI成型过程中,在界面上易产生弱粘接以及粘接不稳定现象.该文采用三种不同方法改善夹层泡沫与复合材料界面粘接性能,在夹层泡沫表面涂覆本体树脂,采用本体树脂制备胶膜铺放在夹层泡沫盒复合材料之间,在夹层泡沫与复合材料之间增加一层空隙率更大的织物.结果表明,三种方法均能改善夹层结构的界面,铺放胶膜对界面改善效果最佳,涂敷树脂效果相对最差.     

环境温湿度对泡沫复合材料夹层结构界面性能的影响

复合材料夹层结构是由复合材料作为面板、轻质材料作为芯材而形成的强度高、耐腐性好、可设计性强的高效结构形式。环境温湿度变化时,因面板和芯材的吸湿性能和热膨胀系数不同,界面处易积聚应力而导致剥离破坏。本文研究不同时间的干湿循环老化作用下泡沫复合材料夹层结构及其面板、芯材的吸湿性能,达到吸湿平衡时,芯材的吸湿率是面板的10倍左右;由于双侧面板的约束作用,夹层结构与面板的吸湿率相当。通过双悬臂梁界面剥离拉伸试验研究干湿循环老化构件在25和70℃两种温度环境条件下的界面性能,从试验所得的荷载-位移曲线可以看出:结构的界面强度随老化时间的延长而降低;温度对老化构件的界面力学性能影响显著,温度越高,界面强度越低,裂纹扩展越稳定。     

夹层复合材料剥离强度影响因素研究

采用真空灌注工艺制备泡沫夹层复合材料,分别测试了未加工平板、打孔、一字浅槽、十字浅槽PVC芯材以及2层和4层蒙皮结构对夹层复合材料剥离强度的影响。结果表明,不同的PVC泡沫加工方式和蒙皮结构对夹层复合材料的剥离强度有显著的影响。对比4种不同的加工方式,十字浅槽PVC泡沫的剥离强度最大,未加工的PVC泡沫剥离强度最小;与2层的蒙皮结构相比,4层蒙皮结构具有更大的刚度,当试样发生破坏时需要更大的破坏载荷,其剥离强度大于2层蒙皮PVC泡沫。     

GFRP型材-木组合梁受弯性能试验研究

针对目前玻璃纤维增强塑料（glass fiber reinforced polymer，简称GFRP）-木组合梁组合形式单一、材料利用不充分等问题，提出了板型GFRP-木组合梁、槽型GFRP-木组合梁和倒T型GFRP-木组合梁3种组合形式，以GFRP生产工艺、组合截面形式为参数变量，设计制作了6组受弯试验梁并进行了试验。结果表明，GFRP-木组合梁按破坏现象可分为受拉区GFRP和木材被拉断、受压区木材褶皱失稳、组合梁纵向剪切破坏3种；GFRP-木组合梁较基准木梁和基准GFRP梁极限承载力平均提高了67.04%和26.43%，组合效应显著，其中以槽型GFRP-木组合梁的组合效果最优，但处于梁腹部的缺陷对组合梁刚度和强度的削弱不可忽略。研究结果丰富了GFRP-木组合梁的截面形式及制作方式，提升了组合梁的组合效果，可为同类型的工程应用提供参考。     

复合材料夹层结构平接节点抗弯性能试验

试验研究采用复合材料工字型连接型材的复合材料夹层结构平接胶结节点的抗弯性能,考察工字型连接型材纤维铺设、节点搭接长度等因素对连接节点的破坏模式、荷载-变形关系、连接区域应变发展规律的影响,对平接节点的破坏机制进行了分析。试验研究表明:节点出现连接型材破坏或胶层剥离破坏;复合材料连接型材纤维布的铺设与层数对连接节点的破坏模式有影响,连接型材刚度与强度满足要求时,搭接长度是确定连接节点承载力的重要因素。研究成果可供复合材料夹层结构平接节点设计参考。     

复合材料夹层结构平接节点抗弯性能试验

试验研究采用复合材料工字型连接型材的复合材料夹层结构平接胶结节点的抗弯性能,考察工字型连接型材纤维铺设、节点搭接长度等因素对连接节点的破坏模式、荷载-变形关系、连接区域应变发展规律的影响,对平接节点的破坏机制进行了分析。试验研究表明:节点出现连接型材破坏或胶层剥离破坏;复合材料连接型材纤维布的铺设与层数对连接节点的破坏模式有影响,连接型材刚度与强度满足要求时,搭接长度是确定连接节点承载力的重要因素。研究成果可供复合材料夹层结构平接节点设计参考。     

整体中空夹层复合材料剪切性能研究

为了研究整体中空夹层复合材料的层间剪切性能,该文在分析整体中空夹层复合材料细观结构的基础上,将材料的芯材结构简化为双菱形,建立了相应的实体模型。采用渐进损伤分析有限元方法预测了材料的剪切刚度及强度、各组分材料的应力分布和破坏模式。理论分析与实验结果表明,整体中空夹层复合材料的经向剪切性能优于纬向性能,剪切载荷作用下的主要承力部件为绒经,绒经根部是发生破坏的主要区域。     

CFRP-混凝土界面4ENF断裂试验研究

为了研究CFRP-混凝土的Ⅱ型和混合型断裂能量释放率(energy release rate,ERR),进行了铝板调整CFRP-混凝土4ENF断裂试验,根据Timoshenko梁(TB)模型、双参数弹性基础上的4点受弯端部切口试件(four-point bending end-notched flexure specimen,4ENF)柔度模型和多亚层柔性节点模型的J积分方法求得了ERR.试验结果表明:在相同的黏接条件下,Ⅱ型或混合型断裂破坏方式有3种:(a)剥离发生在胶层-混凝土界面和界面混凝土上;(b)剥离始于胶层-混凝土界面或界面混凝土且混凝土梁发生破坏;(c)剥离发生在界面混凝土上且混凝土梁发生破坏.Ⅱ型或复合层刚度大于混凝土刚度的混合型断裂试件,可以获得较高的ERR.若复合层刚度小于混凝土层刚度,裂缝始于胶层-混凝土界面,发展到一定长度后沿界面混凝土发展,并导致混凝土发生斜拉破坏,ERR很低.通过试验表明,本4ENF可以有效地对Ⅱ型和混合型CFRP-混凝土界面断裂进行研究.     

不同结构形式加强蒙皮的抗弹性能研究

为研究不同形式铝合金蒙皮的抗弹性能,利用气炮将直径为12.7mm重量为50g的弹体加速到不同速度,对7种不同形式共40件的铝合金结构板进行了弹击试验。蒙皮板的材料均为LY12-CZ。在试验过程中,对弹体的初始速度、剩余速度以及结构件上典型点的应变历程进行了测试,对弹击后试件的损伤或破坏模式进行了分析。同时讨论了不同结构形式对破坏模式、非破坏区的应变以及弹道极限速度的影响,结果表明:1)不同形式铝合金蒙皮破坏模式主要是冲塞、花瓣型穿透;2)加筋结构能提高靶板的弹道极限速度,降低靶板非破坏区的变形;3)使用泡沫夹心结构靶板可显著减少非破坏区的应变;但实际上其抗弹性能并不好。最后为了预估和评价这些蒙皮结构的抗弹性能,通过分析计算所得的剩余弹速与实测结果进行了比较,结果相当吻合,验证了预估计算方法的有效性。     

含软弱夹层的强风化泥岩强度及破坏模式试验研究

为研究软弱夹层对边坡失稳的影响,对含软弱夹层的岩体强度及破坏模式进行了理论和试验研究.采用某边坡钻孔芯样分别制备强风化泥岩、泥化夹层、含软弱夹层泥岩3种三轴试样,并进行三轴固结不排水剪试验.结合理论分析,对强风化泥岩、泥化夹层、含软弱夹层泥岩的强度和破坏模式进行了研究,揭示软弱夹层倾角、围压对试样强度和破坏模式的影响规律.结果表明:强风化泥岩、泥化夹层的应力应变曲线分别为应变软化型和应变硬化型;含软弱夹层的试样破坏时存在一个临界倾角范围,当软弱夹层的夹角在该范围内时破坏面发生在软弱夹层中,当夹角在该范围外时试样发生整体剪切破坏;围压超过0.4 MPa后,对含软弱夹层试样的破坏模式基本无影响.