复合材料加筋壁板长桁凸缘变厚度设计对长桁-蒙皮界面承载能力的影响

长桁与蒙皮之间的脱胶是复合材料加筋壁板主要的失效形式之一。本文首先对复合材料机翼结构长桁-蒙皮典型结构进行了三点弯曲试验,获得破坏载荷以及界面失效模式。然后基于ABAQUS建立三维有限元模型,采用内聚力模型模拟界面的破坏情况。有限元计算结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模型的合理性。在此基础上,对长桁凸缘宽度方向采用渐变厚度设计,开展了其对长桁-蒙皮界面承载能力的影响分析。研究结果表明采用变厚度设计可以减缓长桁凸缘末端附近的刚度突变,降低长桁凸缘末端与蒙皮之间界面的面外载荷。凸缘变厚度设计可以有效避免长桁与蒙皮界面过早出现脱胶失效,长桁凸缘末端越薄,界面脱粘载荷越大。     

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.     

基于ABAQUS软件的海上漂浮软管接头剥离破坏的数值分析

海上漂浮输油软管在拉伸载荷作用下,管接头失效的主要形式为管本体内层橡胶复合材料与接头钢制短节的剥离损伤.本文以8吋海上漂浮输油软管为例,采用ABAQUS软件中零厚度的内聚力单元模拟粘合剂,数值分析拉伸载荷作用下软管接头的剥离损伤的问题,提出软管接头粘合剂的剥离损伤力学分析方法,为海上漂浮输油软管接头结构的承载能力分析以及接头的结构改进设计提供依据.     

铝-铜合金回填式搅拌摩擦点焊接头 连接机理与断裂模式分析

为了提高飞机蒙皮连接强度,采用回填式搅拌摩擦点焊(RFSSW)技术对飞机蒙皮材料2524-T3进行了焊接试验。采用体式显微镜和金相显微镜对接头组织进行观察,通过拉剪试验和拉脱试验对接头进行力学性能测试,对断口进行扫描分析。结果表明:接头成形良好,无明显缺陷,RFSSW接头在热机耦合作用下,焊点形成4个不同显微组织区域;RFSSW接头力学性能普遍高于铆接,焊接接头剪切性能达到7.233 kN,较铆接提高113.4%,焊接接头拉脱性能达到3.172 kN,较铆接提高6.16%;接头断裂呈现为焊核剥离断裂和塞型断裂两种模式,当接头下扎深度较浅,焊点内部搅拌不足时产生焊核剥离断裂,随着套筒下扎深度的增加,塞型断裂由上板塞型断裂转变为下板塞型断裂,拉剪和拉脱焊核剥离断裂均为韧性断裂,塞型断裂均为混合型断裂。通过对回填式搅拌摩擦点焊接头力学性能的分析,为搅拌摩擦点焊代替铆接在航空结构件上的应用提供理论和技术基础。     

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.     

纯剪腹板张力场承载能力

本文主要研究钢梁腹板极限承载能力随翼缘刚度和腹板高厚比及宽高比变化规律。本文以一组模型试验结果为基础,分析了各国现有公式,提出了剪切腹板极限状态模式和张力场有效宽度的概念,导出了张力场承载能力公式,计算值与实际情况较为符合。     

后屈曲复合材料加筋壁板的破坏预测方法

建立了复合材料加筋壁板屈曲和后屈曲有限元分析模型.该模型采用实体单元有效模拟筋条和蒙皮之间的连接.连接界面采用二次应力准则作为损伤起始判据、混合能量准则作为损伤扩展判据,并自定义损伤变量实现刚度非线性衰减.复合材料壁板采用断裂面准则作为失效判据,该判据能有效判断基体的失效.基于ABAQUS动态显示分析步,模拟了复合材料加筋壁板在压缩载荷下屈曲和后屈曲的过程,有限元分析结果与试验数据对比良好,证明了该方法的有效性.     

复合材料加筋单元初始分层损伤参数影响分析

复合材料加筋结构在制造过程中往往会存在不同形式的初始分层损伤,这些初始分层损伤都会在不同程度上影响结构的承载能力。本文采用两种本构关系的粘接元模拟粘接良好界面和分层界面胶膜。并对含不同损伤面积、不同损伤形状、不同损伤位置的加筋单元进行了面外拉伸分析,得到了剩余强度与损伤参数之间的关系。对于复合材料的损伤与失效,本文采用了Cuntze失效准则及Puck刚度退化模型,较好的模拟了复合材料失效及刚度退化过程。模拟结果和试验结果吻合较好,证明了本文中算法的有效性。     

船用夹芯复合材料接头疲劳裂纹扩展研究

以船用L型夹芯复合材料连接接头为研究对象,将结构刚度退化作为夹芯复合材料连接接头在疲劳载荷作用下的观察变量,建立了以连接接头剩余刚度为表征参量的疲劳累积损伤状态量D的失效准则.通过对L型连接接头在疲劳累积损伤过程中裂纹发生、扩展直至破坏的整个失效过程的形态进行研究,最终揭示了船用复合材料典型连接结构累积失效规律.结果表明:复合材料接头刚度在疲劳过程中,分为缓慢下降与急剧下降两个阶段,刚度缓慢下降阶段占据了试件疲劳周期的95%,刚度急剧下降阶段仅发生在疲劳崩溃情况下,并伴随裂纹快速扩展直至断裂的过程.     

组合楼板对装配式钢框架节点抗震性能的影响

为了解决装配式钢框架中节点区域构造复杂和传力机制不明的问题,提出一种考虑组合楼板作用的端板螺栓连接节点。设计并制作了2组端板连接的装配式梁柱节点,进行了低周往复循环荷载试验,建立了节点试件的数值模型,分析组合楼板对节点的破坏模式、滞回性能、承载能力、半刚性性能、受力特征的影响作用。结果表明,端板连接节点主要破坏模式为端板的弯曲变形,组合楼板的加入会使滞回曲线产生一定的捏拢现象,同时会产生组合楼板开裂破坏现象;增加组合楼板后,端板连接节点的初始转动刚度、极限承载力、耗能能力分别增加了约22%,13%,22%;组合楼板和钢梁上翼缘共同作用时,荷载通过组合楼板传递至柱腹板;与闭口型压型钢板-混凝土组合楼板的节点相比,采用开口型压型钢板-混凝土组合楼板的节点初始转动刚度和极限承载力分别提高13%和9%。组合楼板能有效提高端板连接节点的抗震性能,扩大节点核心区的传力范围,增强梁柱传力机制,可为进一步提高装配式节点性能提供参考。     

高强钢梁柱外伸式端板节点常温与火灾后性能参数分析

为了解端板厚度、螺栓直径、螺栓预紧力、柱翼缘厚度、端板钢材强度及过火温度等因素对高强钢端板连接节点力学性能的影响,对薄高强钢端板替代厚普通钢端板这一设计理念进行深入探讨,采用ABAQUS对高强钢端板连接节点进行有限元分析.有限元分析结果表明:端板厚度增加,节点的初始转动刚度和极限承载力提高,转动能力下降;螺栓直径增加,节点的初始转动刚度、极限承载力及转动能力均提高;螺栓预紧力增加,节点的初始转动刚度提高,极限承载力和转动能力基本不变;柱翼缘厚度增加,节点的初始转动刚度提高,极限承载力基本不变,转动能力略有减小;端板钢材强度增加,节点的初始刚度基本不变,极限承载力提高,转动能力在端板钢材强度不超过Q460时基本不变,高于Q460后显著减小;与采用较厚普通钢端板的节点相比,采用薄高强钢端板的节点常温下和火灾后均可达到相似的承载力、相近甚至更高的转动能力;端板连接节点火灾后可能发生失效模式转变,甚至由延性转变为脆性的失效模式.     

PEC柱型钢梁端板连接框架抗震性能研究

为了研究焊接H型钢部分包裹混凝土柱-型钢梁端板连接框架骨架曲线、延性、耗能能力等抗震性能,设计3榀框架试件在低周往复荷载作用下进行试验。试件参数是端板厚度和柱翼缘厚度。通过试验,研究讨论了改变端板厚度和柱翼缘厚度对框架抗震性能的影响:分析了试件的骨架曲线、延性、耗能能力抗震性能指标。试验结果表明:柱翼缘厚度从12 mm增加到16 mm,框架节点初始刚度增加39.95%,端板厚度从12 mm增加到20 mm,初始刚度增幅11.76%;增加端板厚和柱翼缘厚可提高框架初始刚度;3榀框架试件的延性系数在4.41~5.38之间,说明PEC柱与型钢梁端板连接框架具有良好的抗震性能;增加端板厚度和柱翼缘厚度可以增加框架结构塑性性能。     

带端板加劲肋的外伸端板连接的梁柱节点试验

为了讨论加劲肋对连接性能的影响,对带端板加劲肋的外伸端板连接的梁柱节点进行了循环荷载作用下试验研究.分析了端板、端板加劲肋、梁柱翼缘和腹板在荷载作用下的应力情况,确定了这种连接的受力性能及破坏模式,分析此类连接的滞回曲线、连接初始刚度、承载能力和延性特征.试验结果表明,加劲肋是提高节点性能的一项有效措施.     

竹木组合工字梁的静载试验研究

以竹集成材为翼缘、欧松板为腹板设计竹木组合工字梁,对10根不同结构的工字形截面竹木组合梁进行了4点弯曲静载试验。研究剪跨比及加劲肋等参数对组合梁破坏形态、强度和延性等影响。结果表明:腹板和翼缘具有很好的协同效果,组合梁的破坏始于侧向失稳,主要破坏形态表现为翼缘内欧松板层裂及腹板被剪坏。组合梁的极限承载力随着剪跨比的增大呈下降趋势; 竹加劲肋能显著提高工字梁的极限承载力,提高幅度最大为15.7%,对极限位移最大增加幅度约为10.13%。     

钢梁栓焊混合连接节点性能试验

为实现工业化建筑快速施工的目标,设计了钢梁现场翼缘对接栓-焊混合连接节点。此节点在拼接处梁的下翼缘及近下翼缘的腹板上焊接法兰板,通过高强度螺栓连接;法兰板上部焊接加劲板,加劲板同时焊接于梁腹板上;腹板采用高强度螺栓连接,上翼缘待腹板和下翼缘安装完成后现场俯焊。为考察此节点在地震作用下的极限承载力、滞回性能、失效模式等性能,设计了3个试件进行单向及低周往复加载试验。试验结果表明梁节点具有很好的延性转动能力,转角最大可达0.095rad, 延性转动后摩擦型螺栓变成承压型高强度螺栓,强度还有一定的提高。最终节点失效是由于连接法兰板的螺栓松动,法兰板缝隙发展,导致螺栓滑丝松动而失去承载能力。     

楼板作用的装配式型钢混凝土柱-钢梁节点抗震性能分析

为研究楼板组合效应对装配式型钢混凝土(steel reinforced concrete,SRC)柱-钢梁节点抗震性能的影响,基于拟静力试验,运用ABAQUS软件对栓焊混合连接形式的装配式边节点进行有限元验证,在有效模型的基础上,对装配式SRC柱-钢梁及其考虑楼板组合效应的节点的抗震性能进行系统地对比分析;进而研究楼板厚度、宽度两个参数对节点抗震性能的影响规律.结果表明:数值模拟所得的节点模型的骨架曲线、承载特性及刚度退化与试验结果一致,所建模型可较好地模拟节点的实际受力情况;楼板与钢梁的结合使节点试件承载力和刚度均显著提升,破坏时H型钢梁下翼缘连接板屈曲变形明显,提高了上翼缘的局部稳定性,延性系数和等效黏滞阻尼系数均减小,环线刚度退化明显,强度退化不明显;增加楼板厚度使装配式SRC柱-钢梁节点试件的承载力以及刚度和耗能能力得到提升,而且会减缓刚度退化速度;在600～1000 mm范围内,楼板有效宽度的增加对节点承载力、初始刚度及耗能能力均有较明显的提升,但其延性有所降低.楼板设计时应合理选取各参数.研究成果可为装配式SRC框架节点实际工程应用提供理论支持.     

板式模块化钢结构节点抗震性能试验研究

为研究板式模块化钢结构节点抗震性能，开展了4个足尺边节点试件的低周往复荷载试验.基于实测的荷载-位移数据评估了节点的滞回、承载、变形及耗能能力，分析了不同变量下的节点失效模式及抗震性能指标.研究结果表明:失效模式有柱壁板鼓曲、连接件变形和梁翼缘局部屈曲3种；CT2，CT3，CT4试件的滞回曲线呈饱满梭形，最大等效黏滞阻尼系数达0.21~0.25，极限层间位移角达0.07~0.09rad，节点表现出良好的抗震性能及转动能力；核心区柱壁厚度和角钢厚度对节点抗震性能影响显著，柱竖向拼接方式对节点滞回性能和初始抗弯刚度影响显著.研究结果为板式模块化钢结构节点工程应用提供技术支撑.