压弯联合荷载下漂浮软管的极限压溃特性

作为海上输油系统重要组成部分的漂浮软管和水下软管是浮筒和浮式生产储油船(floating production storage and offloading, FPSO)以及浮筒和水下管汇之间的油气输送通道,漂浮软管等在风浪流等极端荷载作用下可能发生极限压溃损毁。以某型漂浮软管为研究对象,利用Abaqus有限元软件,结合rebar单元和Emended嵌入技术建立软管有限元数值模型,研究软管在内压和弯矩作用下的折弯压溃特性,并通过软管弯曲试验验证了该数值分析方法的正确性。计算结果表明：螺旋钢筋失稳是折弯压溃的主要原因,螺旋钢筋外侧的外帘线层在压溃区折弯处帘线拉力过大导致帘线破断。软管的内压荷载及软管的螺距与帘线的缠绕角度对极限压溃都有重要影响。该研究可为输油软管结构抗压溃设计和损伤诊断提供技术支持。     

层合板单搭胶接接头应力的三维有限元分析

应用ANSYS有限元分析软件,用APDL语言开发了相应的程序,研究T700/TDE86复合材料层合板单搭胶接接头在单向拉伸载荷作用下的胶层中面及界面应力,分析了接头界面最大剪切/剥离应力值随胶层厚度尺寸变化的规律,模拟了接头在胶层厚度中间面上的三维应力分布情况.结果表明,明显的剪切/剥离应力集中均发生在接头搭接区端部,影响接头强度的主要因素是剪应力;伴随胶层厚度的增加,接头界面最大剪应力值先减小再增大,而最大剥离应力值则逐渐增大,接头界面剪应力最小值发生在胶层厚度为0. 25 mm的接头,即为胶接接头胶层厚度的较优值.     

燃煤电厂FRP排烟筒筒体对接接头的结构优化

为了优化燃煤电厂悬挂式玻璃纤维增强塑料(FRP)排烟筒筒体之间对接接头连接结构,采用理论计算分析以及对FRP筒体双搭接结构试验件进行拉伸实验的方法,分别研究了搭接区域的厚度、倒角结构和筒体末端预胶接对FRP排烟筒对接接头的拉伸强度、破坏载荷以及破坏形式的影响。结果表明:接头连接试验件的拉伸强度随着搭接区域厚度的增加呈现先增加后减小的趋势,破坏载荷先增加后趋于稳定,当搭接区域厚长比达到8.5%时,拉伸强度和破坏载荷达到最大值;搭接区域倒角结构和接头末端预胶接能够提高接头连接件的拉伸强度和破坏载荷;随着搭接区域厚度的增加,接头连接试验件的破坏形式出现纤维断裂破坏、搭接区域剥离破坏和被连接件的剪切分层破坏。最后,建议FRP排烟筒接头采用倒角和预胶接结构形式,以提高排烟筒的整体受力性能。     

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。     

抗震焊接接头在模拟地震循环载荷作用下累积损伤的研究

根据抗震钢结构焊接接头在地震循环载荷作用下的累积损伤模型，采用大型有限元软件ANSYS，对建筑钢结构中比较常见的Q235H型梁柱焊接接头和“狗骨式”焊接接头，在模拟地震循环载荷作用下进行了弹塑性有限元分析(FEA)，以损伤指数作为焊接节点在地震作用下损伤程度的衡量指标，计算了不同形式的焊接节点在模拟地震循环载荷作用下的损伤指数，结果表明，在循环载荷作用下，“狗骨式”焊接接头的损伤程度低于普通焊接接头。     

6061铝合金平板对接焊接接头拉伸性能研究

采用TIG焊获得6061铝合金平板对接焊接接头,在万能拉伸机上进行拉伸试验;应用双孔微剪切试验结合有限元计算,用反推法得到焊缝和热影响区的力学性能参数及损伤参数;应用ABAQUS/Explicit模拟平板对接焊接接头在拉伸载荷作用下的变形和损伤行为,并与实验结果进行对比.结果表明,仿真结果与实验结果吻合得很好.改变不同区域的损伤参数,发现弱化区的损伤参数对仿真结果影响最为明显,因此要得到屈服强度及断裂强度较好的焊缝主要是控制弱化区的材料性能.     

基于时域载荷的海上风机基础结构疲劳分析

对某5MW大型海上风机基础结构进行了疲劳分析,探讨了湍流风载荷时间历程和不规则波浪载荷时间历程计算方法,考虑风和浪对应关系,将载荷在时域内叠加,解决了风浪对结构的耦合作用问题.在此基础上,给出了一套基于疲劳时域载荷叠加法的海上风机基础结构疲劳分析方法.通过对该5MW海上风机基础结构进行疲劳损伤分析,验证了该方法的可行性与优越性.     

CFRP/Al胶接接头形貌特征对连接性能影响

为解决汽车轻量化设计与制造中的异质材料间的连接问题,基于内聚力模型模型,对碳纤维增强复合材料（CFRP）/铝合金单搭接胶接接头,建立了接头有限元分析模型,并对有限元模型的有效性进行了试验验证.构建了3种具有不同形貌特征的CFRP/Al胶接接头结构方案,以单向拉伸载荷下的极限破坏载荷和破坏吸能量作为性能指标.结果表明:相对于普通单搭接接头,弧形接头破坏载荷和吸能量分别降低11.3%和9.88%;矩形槽接头失效载荷虽有所降低,但由于能更有效地发挥胶层中部区域的作用,在接头吸能特性方面有较大提升,接头抗冲击性能提升了91.63%.      

搭接长度对复合材料单搭接胶接接头的影响

 针对复合材料单搭接接头的拉伸性能进行有限元建模,分析搭接长度对单搭接接头的应力分布和破坏模式的影响.结果表明:当搭接长度在5～45mm变化时,最小剪切应力逐渐减小,当搭接长度大于20mm时,搭接长度对应力分布的影响减少;破坏载荷逐渐增大,当搭接长度大于20mm时,搭接长度对破坏载荷的影响减少;单搭接接头的破坏模式为胶层-复合材料界面的边缘发生部分损伤,导致胶层损伤,搭接长度的变化影响单搭接接头的损伤严重程度.     

复合材料T型接头拉伸断裂行为的数值模拟

针对碳纤维复合材料T型接头在拉伸载荷下的断裂行为及其失效强度进行了数值预测,并将预测结果与试验数据进行了对比分析.在该数值模型中,分别使用增强有限单元法和内聚力模型考虑了T型接头三角区填充材料裂纹和层间界面分层的萌生与传播过程.结果表明,数值计算结果与试验结果对比较好,三角填充区域是T型接头结构中裂纹最先萌生的位置;填充材料的断裂行为并不影响T型接头最终失效载荷;加强筋层合板与蒙皮层合板间的分层行为是T型接头拉伸失效的根本原因.     

海上外输漂浮软管的结构角度设计研究

海上外输漂浮软管是FPSO 外输原油的唯一通道,是复合型橡胶软管,具有结构复杂及材质多样性特点,且缺乏相关的设计规范及标准,理论体系尚不完善。使用有限元分析方法对一段典型结构的外输漂浮软管进行分层建模,分析其帘线层结构角度对拉伸和弯曲性能的敏感度,给出了不同工况下结构角度对拉伸和弯曲的影响,最后对外输漂浮软管实物进行试验验证,并与国际通用OCIMF 标准进行比较,为指导以后管道的优化设计,实现外输漂浮软管国产化提供参考。     

雷击作用下复合材料层合板的烧蚀损伤表征及剩余强度影响因素分析

为表征复合材料雷击烧蚀损伤,基于唯象分析方法,建立了雷击烧蚀损伤引起的材料力学性能退化模型. 采用连续损伤力学(CDM)方法提出了复合材料雷电烧蚀损伤的三维渐进损伤退化模型,采用Hashin和Yeh分层失效准则,验证了失效点的发生情景. 根据所建立的模型和刚度矩阵渐进损伤退化模型的编码,利用ABAQUS软件并结合UMAT子程序预测了拉伸载荷下雷电烧蚀损伤复合材料层合板的残余强度,最终的仿真精度验证了该模型的有效性.     

碳/玻璃纤维混编复合材料和钢板的单搭接接头的力学性能分析与预测

对碳/玻璃纤维混编纤维增强复合材料(FRP)和金属的粘接接头、铆接接头及粘铆混合连接接头的力学性能进行了系统的仿真和试验研究。分别使用内聚区损伤模型、金属失效准则和Hashin失效准则有效地模拟试验中胶层的脱粘失效、铆钉的断裂和FRP板的损伤。结合3种失效准则建立粘铆混合连接的有限元模型,并对其混合连接接头的拉伸力学性能进行预测。结果表明有限元模型准确地预测了混合连接试验的最大载荷、失效位移、失效形式和复杂失效过程的各个阶段。混编FRP在有胶层的接头的失效模式上表现出了特殊性,作为编织纱的玻璃纤维被撕脱。此外,基于以上模型研究了胶层厚度对混合连接接头力学性能的影响规律。随着胶层厚度增加,接头的最大载荷先增大后减小,FRP板铆钉孔周围的失效范围逐渐增大。     

复合材料层合板双面贴补结构渐进损伤分析

提出了一种分析和预测在拉伸载荷作用下复合材料层合板双面贴补结构的极限承载能力的方法,建立了分析复合材料双面贴补结构渐进损伤的三维有限元模型.胶层用各向同性模型描述,提出了基于3个方向剪切应变描述的二次剪切失效判据来预测胶层的损伤起始,定义了与材料应力应变相关的刚度折减函数来模拟损伤后胶层刚度的连续退化.层合板用正交各向异性三维模型描述,采用基于应变描述的三维Hashin准则和Ye分层准则来预测其损伤起始,引入损伤变量来考虑层合板的损伤扩展.计算结果与试验数据吻合较好,说明该方法和模型可以有效地预测复合材料双面贴补结构的拉伸极限强度.     

光纤光栅传感器高温粘接失效机理实验

随着耐受温度的不断提高, 高温光纤光栅在高温热结构领域的应用潜力愈发明显. 高温粘接是一种实现光纤光栅传感器应用的最简单有效的方法, 但高温环境使得高温粘接存在多种失效的可能. 通过高温拉伸和剪切实验研究了光纤光栅传感器与超高温陶瓷粘接的粘接性能, 结合断口的宏微观形貌观察研究了高温粘接的失效机理. 研究结果表明: 当温度为 500 和 650 ℃ 时, 粘接破坏是包含界面破坏和粘接剂内聚力破坏的混合破坏模式, 并且以粘接剂内聚力破坏为主; 在 800 和 1 000 ℃ 环境下, 粘接失效主要是缘于界面破坏. 在热和力的共同作用下, 粘接剂内部的孔洞逐渐扩展为裂纹, 导致抗拉强度减弱, 而单纯的高温热处理却会提高粘接性能.     

纤维增强复合材料机翼长桁压缩破坏预测方法

提出了一种分析和预测在压缩载荷作用下纤维增强复合材料机翼长桁的极限承载能力以及破坏位置的方法,建立了分析其形变和渐进破坏的有限元模型,采用应力描述的二维Hashin失效准则预测材料的初始失效,并提出了一种材料受损后的刚度折减方案;由应力失效和断裂力学中的能量释放率控制材料渐进损伤的演化模式,并以损伤变量的形式表征材料的受损程度;在有限元软件ABAQUS/Standard平台上编写用户材料子程序（UMAT）,运用黏性正则化方法帮助收敛,并将其预测结果与复合材料机翼长桁的压缩实验结果加以对比.结果表明,所得极限承载能力以及破坏位置的预测结果与相应的实验结果较吻合.     

外力作用下聚氨酯胶粘剂在NaCl水溶液中的耐久性

用聚氨酯胶粘剂和铝片制备胶接试样并在NaCl溶液中浸泡,考察了NaCl溶液的温度、NaCl的质量分数以及应力对胶粘剂粘结强度的影响。采用拉伸实验法测试胶接试样的拉伸剪切强度,分别用扫描电子显微镜图、红外光谱图分析浸泡前后胶层的表面形貌和胶粘剂分子结构的变化。结果表明,胶粘剂的粘结强度随载荷的增加而急剧下降,失效所需时间从1000N 的150h 快速降至2000N下的30h以下;在恒载荷时,失效所需时间从NaCl的质量分数为5%的60h上升至15%时的160h。温度的作用主要表现为在浸泡初期能加速聚氨酯胶粘剂的降解和粘结强度的下降,粘结强度从35℃的93.5%下降到70℃的65.0%左右;但是在浸泡中后期,则其作用变小,剪切强度维持在35℃时的64.0%、70℃时的63.0%和50℃时的44.0%。