三维编织复合材料矩形梁与T型梁准静态弯曲实验及有限元分析

采用MTS 810.23型材料试验机,研究三维编织复合材料矩形梁与T型梁的准静态三点弯曲行为,分析得到两种梁的破坏失效机理存在一定差异,矩形梁在实验中位移达到最大而最终失效,T型梁在实验中筋高产生纤维断裂而最终失效.实验表明筋高可显著增强梁抗弯刚度.依据三维编织复合材料细观结构建立单胞模型,运用ABAQUS有限元软件与用户子程序交互作用,进一步分析在准静态三点弯曲实验过程中材料的应力分布情况,揭示材料破坏机理和最终失效模式的缘由.有限元分析所得结果与实验结果具有较好的一致性,说明所使用的有限元分析法有效,可以用于进一步研究三维编织复合材料的力学性能.     

三维全五向编织复合材料的制备及其拉伸性能

以高强无碱玻璃纤维为原料,采用四步法1×1编织工艺在全自动模块组合式编织平台上制备三维五向及全五向编织物,以E51环氧树脂、70#固化剂(四氢邻苯二甲酸酐)为树脂基体,与编织物复合制备三维五向及全五向编织复合材料,通过测试上述编织复合材料的拉伸性能,研究轴纱、编织角、纤维体积分数等结构参数对材料拉伸性能的影响.结果表明,编织复合材料的拉伸性能随着轴纱、纤维体积分数的增大而上升,随着编织角的增大而下降;三维全五向编织复合材料的拉伸性能明显优于三维五向编织复合材料.     

应力对混凝土断裂参数测定有效性的影响

对于线弹性材料,裂缝尖端平行于裂缝方向的T应力会影响裂缝的扩展方向和起裂断裂韧度,然而在混凝土类准脆性材料的断裂韧度测试中,无论是起裂断裂韧度还是失稳断裂韧度,T应力的影响却少有研究.以混凝土Ⅰ型断裂韧度测试常用的三点弯曲梁、楔入劈拉试件为对象,计算了裂缝尖端的T应力大小,并分析了其对裂缝扩展方向和断裂韧度的影响.分析计算结果表明:这些常用试件裂缝尖端的T应力相比于裂缝尖端控制因素应力强度因子K很小,不会影响裂缝扩展方向,保证了混凝土断裂失稳前一直处于Ⅰ型裂缝状态;另外,T应力对起裂断裂韧度和失稳断裂韧度的数值也不会产生影响,说明常用试件进行的混凝土断裂韧度确定方法是可靠有效的.     

三维编织复合材料的冲击压缩和裂纹分布

在不同应变率(500～800s-1)条件下,对三维四向和五向编织复合材料进行面外动态压缩试验,获得其压缩力学性能。通过高速摄影仪记录了三维编织复合材料的动态冲击损伤过程。对试样进行光学显微镜观察,获得不同加载应变率下截面形态,分析编织结构和加载条件对截面裂纹分布以及扩展的影响。结果表明:三维五向编织复合材料对应变率更敏感;应变率对不同结构三维编织复合材料的裂纹分布的影响具有一定的相似性;编织结构对截面裂纹分布具有显著影响。     

三维编织碳/碳复合材料高温力学及疲劳试验研究

在大气环境下,对有抗氧化涂层的非切边和切边三维(3D)四向碳/碳复合材料在室温、800和900℃下进行编织纵向拉伸试验,得到了相应工况下的弹性模量、拉伸强度以及应力-应变曲线;在800℃下对两种试件进行编织纵向拉/拉疲劳试验,得到了疲劳寿命数据以及剩余刚度随循环载荷的变化规律。采用扫描电子显微镜(SEM)对破坏后的试件断口进行观察研究,分析材料拉伸破坏机制以及疲劳破坏机制。结果表明:三维四向碳/碳复合材料的拉伸强度和弹性模量随着温度的升高而增大,非切边试件的力学性能优于切边试件;三维四向碳/碳复合材料剩余刚度随循环载荷先增加而后减小;材料的拉伸破坏形式以纤维拉伸为主,温度升高后,断口出现纤维束成簇拔出现象,疲劳破坏形式以纤维拉伸为主并伴随一定的纤维簇拔出和基体分层现象。     

温度对三维编织复合材料冲击压缩性能的影响

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)测试了三维碳纤维/环氧树脂编织复合材料在20~300℃下的面外冲击压缩性能,分析了温度对三维编织复合材料冲击压缩性能的影响规律.研究结果表明:温度对三维编织复合材料的冲击压缩性能具有明显的影响,三维编织复合材料的面外压缩刚度、失效应力和能量吸收随着测试温度的增加而下降,失效应变则随着测试温度的增加而增加;三维编织复合材料的失效模式主要为剪切破坏,随着测试温度的增加,破坏越明显.     

7085-T7452铝合金复合型疲劳单裂纹应力强度因子计算

为探究7085-T7452铝合金I-Ⅱ复合型加载下疲劳裂纹扩展机理,利用ANSYS软件建立了含裂纹T7452铝合金的有限元模型,运用最大环向拉应力准则计算复合型裂纹扩展方向,计算出T7450铝合金复合型加载下裂纹尖端应力强度因子;同时研究了复合型裂纹扩展过程中I、Ⅱ型裂纹应力强度因子变化规律.     

基于拉压差异的沥青混合料强度与疲劳特性

【目的】探究沥青混合料的拉压差异力学特性。【方法】开展了典型沥青混合料直接拉伸和四点弯曲强度及疲劳试验,基于材料拉压模量差异特性推导并得到了区别于传统四点弯曲梁的真实四点弯曲强度计算公式,分析了传统四点弯曲、真实四点弯曲及直接拉伸应力状态下强度、疲劳寿命及模量衰变规律。【结果】真实四点弯曲强度约为传统四点弯曲强度的80%,在相同加载速率下,不同应力状态强度中直接拉伸强度最小,且其对加载速率的敏感性亦最低;在相同应力水平下,直接拉伸疲劳寿命最小,但在相同真实应力比下直接拉伸疲劳寿命最大,真实四点弯曲疲劳寿命约为传统四点弯曲疲劳寿命的46%;真实四点弯曲疲劳试验的模量衰变速率远小于直接拉伸模量衰变速率,且破坏时前者的模量衰减幅度更小。【结论】材料的拉压差异特性对其力学参数的测试结果及变化规律影响显著,研究成果可为考虑拉压差异的沥青路面结构设计参数取值提供参考。     

地铁列车减速器直齿轮弯曲疲劳有限元分析与试验

为研究地铁列车减速器小齿轮齿根部受力情况及弯曲疲劳裂纹萌生的机理,通过建立齿轮副有限元模型,对齿轮啮合过程进行瞬态动力学分析,得到了齿轮啮合过程中齿根处的应力-时间历程进而对齿根弯曲疲劳行为进行了试验研究。瞬态动力学分析表明,小齿轮齿根处在啮合过程中受到脉动循环载荷的作用,最大拉应力出现在齿轮啮合至分度圆时;且齿根处最大主应力的方向为沿齿根切线方向。齿根弯曲疲劳试验结果表明,裂纹在齿根弧线的中间位置萌生,方向为齿根切线的垂直方向。结合有限元分析结果可发现,齿根处裂纹在最大拉应力幅值位置萌生,其扩展行为受最大拉应力的主导。为进一步优化齿轮的设计、制造工艺及材料的选择提供了依据。     

土工格栅加筋水泥稳定碎石材料的疲劳试验

为了研究土工格栅加筋水泥稳定碎石材料的疲劳特性，试验采用控制应力的加载模式，进行中梁的弯曲疲劳室内模型试验。结果表明，在应力水平为0．55～0．65时，加格栅梁是未加格栅梁疲劳寿命的2～5倍，说明半刚性基层底部加铺土工格栅可以延缓半刚性基层疲劳裂缝的扩展，进而可以延迟由半刚性基层裂缝向沥青混凝土面层的扩展时间，从而延缓了路面的大修时间。     

双材料层合梁的弯曲切应力分析

为分析由不同材料组成的任意多层层合梁的弯曲性能,以一矩形截面层合梁为例,采用相当截面法确定了组合截面中性轴的位置,利用静力平衡条件建立任意多层复合材料层合梁横截面上任一点处弯曲切应力的一般公式。在此基础上,进一步推导了双材料层合梁的弯曲切应力计算表达式,表明弯曲切应力在不同材料层沿截面高度分别按二次抛物线变化,并且在结合面处保持连续。通过对双材料层合梁截面优化设计问题的分析,为避免弯曲切应力引起层合梁结合面处的脱层问题提供了设计理论依据。     

低温场下三维编织复合材料的冲击压缩性能

利用搭载低温装置的分离式霍普金森压杆装置,测试三维碳纤维/环氧树脂编织复合材料在温度范围-100~23℃内沿面内方向的冲击压缩性能,分析三维编织复合材料面内压缩刚度、失效应力和比能量吸收在低温环境下随温度的变化规律.结果表明,三维编织复合材料压缩刚度、失效应力以及比能量吸收随温度的下降而升高,其脆性随着温度的下降而增加,在低温环境下面内冲击压缩破坏模式为基体碎裂和增强结构压缩变形.     

三维整体编织复合材料的结构和主要力学性能

三雏编织复合材料是由三维编织物(预制件)增强的一种先进复合材料.它具有优良的力学性能和其他的性能,使复合材料制作主承力结构件和高功能制件成为可能.研究了三维编织复合材料的细观结构,并研究了三维编织复合材料的拉伸、弯曲、压缩、疲劳、冲击等力学性能,以及结构参数对这些性能的影响.为三维编织复合材料的设计和应用提供了必要的数据.     

后浇UHTCC既有混凝土复合梁弯曲疲劳性能试验研究

为研究疲劳荷载作用下超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)对混凝土的增强作用,将UHTCC外浇层作为保护层,对既有着混凝土梁体一侧浇注UHTCC而制成的UHTCC/混凝土复合梁(UC复合梁)进行三点弯曲疲劳加载试验.实验结果表明:在疲劳荷载作用下,UC梁截面变形符合平截面假定;UHTCC层产生若干条可见裂缝,其数目随应力水平的下降而减少,混凝土层裂缝数目为1～3;复合梁随荷载循环的疲劳变形曲线表现出延性特征,呈现三阶段发展,变形能力随应力水平的下降而降低;在高周疲劳情况下,复合梁S-N双对数疲劳曲线线性良好.由此表明,利用超高韧性水泥基复合材料作为保护层能分散既有混凝土的表面裂缝,提高复合梁的变形能力和寿命.     

不同应力下7B04铝合金的疲劳断口

采用金相、电镜扫描显微技术对不同应力下铝合金的疲劳断口显微组织进行分析和对比研究,揭示该合金疲劳裂纹萌生与扩展的微观特征。研究结果表明:疲劳裂纹一般在材料表面或近表面处萌生,与表面的距离随加载应力升高而减小,在应力为285MPa时裂纹于距表面约250μm处萌生,而在430MPa时裂纹萌生于材料表面;在裂纹源附近观察不到疲劳辉纹,且加载应力越高,这个区域的面积就越小,而裂纹扩展区的疲劳辉纹间距随应力的增大而增大;裂纹形成后,微裂纹沿着与应力轴呈45°角的最大切应力方向向纵深扩展,然后转向与拉应力轴正交的方向扩展,最后瞬断,且随着应力的增大,断口上疲劳裂纹扩展区的面积减小,瞬断区的面积增大。     

夹芯复合材料T型接头弯曲疲劳损伤机制及剩余强度试验研究

为了解夹芯复合材料T型接头在弯曲疲劳载荷作用下的损伤特征模式及剩余强度特性,以疲劳加载试验机和万能材料试验机为测试平台,开展了该型接头的弯曲疲劳试验以及疲劳加载前后的静力弯曲破坏对比试验。通过接头疲劳加载前的静力弯曲破坏试验,获取了结构初始破坏载荷并观测了损伤特征模式。试验研究结果表明,在弯曲疲劳载荷作用下,接头结构刚度呈现渐进退化特征且随疲劳载荷峰值的上升呈加速趋势,接头的疲劳损伤模式主要为水平基座夹芯板两侧简支边界位置泡沫芯材的剪切损伤,泡沫芯材力学性能的退化导致结构刚度的渐进式下降。进一步的试验结果对比分析表明,该型接头的疲劳安全峰值载荷可取为结构初始损伤载荷的70%,在疲劳安全峰值载荷范围内并经历105次弯曲疲劳循环后,接头的初始刚度和极限承载弯矩与疲劳承载前基本相当。     

一种三维四向碳/碳复合材料的微观结构与力学性能

采用轴棒法编织三维四向碳纤维预制体。经高压沥青浸渍碳化致密化工艺(HIPIC)处理后,该预制体被制成高密度三维四向碳/碳(C/C)复合材料。采用扫描电子显微镜(SEM)和光学显微镜(OM)对其微观结构和断面形貌进行分析;采用拉伸、压缩和三点弯曲等试验方法对其力学性能进行测试。结果表明:轴棒法编织的三维四向C/C复合材料致密均匀,力学性能良好;断口的扫描电子显微镜图片表明复合材料的破坏方式以假塑性断裂为主。     

3D C/SiC复合材料的力学性能

对三维四向编织结构炭纤维增强碳化硅基复合材料的弯曲、断裂韧性和拉伸性能进行研究,利用扫描电镜(SEM)观察材料的断口形貌,获得该材料主要的力学性能及破坏规律.研究结果表明:三维C/SiC复合材料具有较高的弯曲强度和断裂韧性,最高值分别为465 MPa和15.1 MPa·m1/2;界面结合适中的材料纤维与纤维束被大量拔出,表现出较好的假塑性断裂特征;材料的拉伸强度最高达到168 MPa:材料在拉伸过程中,其纤维束在外力作用下向受力的轴向靠拢,纤维束间的夹角减少,材料总应变增加.     

恒幅循环荷载作用下FRP加固桥梁疲劳寿命预测

在线性渐进叠加假定的基础上,理论推导了三点弯曲荷载下FRP加固桥梁应力强度因子的计算公式,并结合FRP加固桥梁疲劳裂纹扩展试验,分析了FRP加固梁裂纹的扩展行为,验证了裂缝口张开位移CMOD的经验公式可用于计算标准三点弯曲梁的裂缝口张开位移,进而计算断裂模型中梁的临界有效裂缝长度.利用线弹性断裂力学中应力强度因子对疲劳裂纹扩展进行定量描述,进而对FRP加固桥梁的疲劳寿命进行预估算研究.     

弯曲载荷下PP/硅藻土复合材料界面应力分布的有限元模拟

应用ANSYS软件对硅藻土填充聚丙烯(PP)复合材料在弯曲载荷下的界面应力分布进行了有限元模拟.结果表明:PP与硅藻土粒子之间界面区各方向的正应力、等效应力、以及xy方向上的剪切应力均于硅藻土粒子的极点处达到最大值,并沿界面朝赤道方向逐渐减小;而yz方向上的剪切应力在粒子的极点附近最小,然后逐渐增大,在距极点约30°处达到最大值;随后回落,距极点约40°后,变化趋于平缓.可见,聚丙烯/硅藻土复合体系在弯曲载荷作用下于粒子极点处产生应力集中,形成脱粘乃至裂纹,是材料失效的主要原因.