复合材料构件机械连接接头破坏模式与机理

针对纵横向性能差异较大的纤维增强复合材料构件采用机械连接时,材料的弱方向也可能承受较大拉力作用的现实,设计了6组对比试验,研究了单螺栓连接时接头边距/孔径比的变化对其破坏模式与破坏荷载的影响规律并结合有限元对破坏机理进行了分析。结果表明:材料弱方向受拉的复合材料机械连接接头极容易发生孔边拉断破坏;增大边距/孔径比并不能控制接头不发生孔边拉断破坏,并且接头破坏荷载随边距/孔径比的增大逐渐趋于稳定。复合材料的弹脆性力学特点、孔边应力集中以及孔边应力分布随边距/孔径比的增大趋于稳定是以上试验现象发生的本质原因。     

考虑劈裂对应力集中缓解作用的纤维增强复合材料损伤破坏分析

外载荷作用下含缺口纤维增强复合材料层合板在缺口边缘存在很高的应力集中,在载荷水平较低时,缺口边缘纤维间基体受剪切作用会发生沿纤维方向的纵向劈裂,该纵向劈裂会降低缺口处的应力集中并提高层合板的承载能力。为准确模拟纵向劈裂对缺口边缘应力集中的缓解作用,利用扩展有限元方法模拟劈裂建立了复合材料层合板渐进性损伤破坏分析的仿真模型,模型选用Hashin破坏准则对复合材料层合板的失效进行预测,分别研究了铺层顺序和缺口形状对复合材料层合板抗拉强度的影响,并与现有文献中的实验结果进行了对比,模拟结果表明破坏模式和破坏强度均与实验结果相吻合,验证了本文渐进性损伤破坏分析仿真模型的有效性。     

碳纤维复合材料与高强度钢板螺栓连接拉伸性能

以单螺栓单剪连接[0°/90°]4s环氧树脂基碳纤维增强复合材料(CFRP)/高强度钢板(DP980)为研究对象,对接头宽度和端距进行了匹配设计,用试验和仿真手段,分析连接结构在承受拉伸载荷作用时的失效过程和破坏模式.结果表明:接头宽度和端距对接头破坏模式影响很大,接头宽度对接头刚度影响较大,端距对接头刚度影响较小,一定范围内接头宽度和端距对接头强度影响均较大;接头宽度与螺栓孔径的比值≥6、端距与螺栓孔径的比值≥3时,接头强度趋于最大值,并且破坏模式以挤压破坏为主;二次弯曲对CFRP/DP980接头强度影响很大.     

基于Hashin失效准则的复合材料螺栓连接损伤破坏研究

本文介绍了复合材料螺栓连接二维模型的损伤破坏分析方法,Hashin失效准则和刚度降方法,考虑接触关系,剪切非线性和材料刚度降低,针对Hashin失效准则编制相应的损伤程序,然后采用有限元软件ABAQUS对复合材料层合板螺栓连接件强度进行数值计算。研究结果表明,利用损伤子程序可以较好的预测层合板的破坏载荷以及损伤初始发生的铺层及其扩展方向,损伤的发生和扩展只与铺层角有关,而与铺层顺序、铺层的厚度无关,剪切非线性分析更加合理,考虑非线性影响时,失效准则中包括剪切应力项,损伤产生较早。     

铺层拼接层合板抗拉强度研究

针对复合材料结构设计中会遇到含铺层拼接的层合板强度预测问题, 设计了含铺层交错拼接区的碳/双马复合材料层合板试件,采用简单拉伸试验方法测定了该材料的力学性能,得到了不同拼接长度下层合板的抗拉强度.试验结果表明,铺层拼接状态差异将会对层合板的承载能力有显著影响.根据试验结果建立了铺层拼接层合板的抗拉强度随拼接长度变化的经验公式,可为复合材料层合板结构的铺层设计和强度分析提供理论依据.     

非对称铺层T700复合材料层合板铺层顺序优化

为分析经过铺层顺序优化后的复合材料层合板的承载能力,基于有限元优化设计软件,构建碳纤维复合材料层合板有限元模型,施加边界条件与轴向载荷,进行力学性能分析;以碳纤维复合材料层合板铺层顺序为设计变量,以层合板主应变、连续角度铺层不超过四层等为约束条件,最大承载能力为设计目标,对层合板进行优化;并对优化后的层合板基于强度理论进行校核,结合力学试验对比分析优化前后的层合板力学性能差异.结果表明:碳纤维复合材料层合板铺层顺序经过优化后,承载能力增强,试验结果与仿真结果具有一致性,优化方法是合理可靠的.     

T700碳纤维增强复合材料螺栓连接的渐进损伤分析

为了研究及预测T 700碳/环氧复合材料螺栓连接的失效模式和失效载荷,建立基于蔡吴准则的T 700碳纤维复合材料[45_3/90_3/-45_3/0_3]_s双搭接螺栓连接的渐进损伤模型;采用渐进损伤模型分析了不同孔端距/孔直径(E/D)值对螺栓连接失效载荷的影响。结果表明:复合材料中90°铺层损伤最为严重,±45°铺层相比90°铺层损伤较少,0°铺层损伤与其他铺层相比最低。当E/D≤3时,E/D的增加能显著提高失效载荷;当E/D3时,E/D的增加对失效载荷的提高不明显,表明整体预测误差在8%以内,可见该渐进损伤模型可以较好地预测螺栓连接的失效模式及失效载荷。     

钢筋-金属波纹管灌浆连接的锚固性能试验研究

为研究钢筋-金属波纹管灌浆连接的锚固性能,设计并制作了23组灌浆连接试件.基于拉拔试验,分析了钢筋锚固长度l_a、孔径比D/d和螺旋箍筋约束等因素对灌浆连接锚固性能的影响.研究结果表明,试件的破坏形式包括钢筋拉断、钢筋拔出、金属波纹管拔出和混凝土开裂等4种,且以钢筋拉断为主.当孔径比D/d=1.90～2.23时,试件由于试验原因多未发生破坏,但钢筋均达到屈服强度.当孔径比D/d=2.52～3.50且锚固长度l_a≥10d时,试件破坏形式均表现为钢筋拉断.当孔径比D/d=1.90～3.50且锚固长度l_a=7d～24d时,钢筋的黏结刚度随锚固长度l_a和孔径比D/d的增大呈先增大后减小的趋势.在外径为89 mm的金属波纹管内加入螺旋箍筋后,钢筋黏结滑移量显著降低,锚固性能明显提升.在工程应用中,当钢筋直径不大于25 mm时,建议锚固长度l_a取10d～15d,孔径比D/d取2.50～3.50.     

复合材料对称层合板的强度预测

基于层合板五层等效约束模型(Equivalent Constraint Model,ECM),建立了基体开裂下的层合板残余强度的分析方法.基体开裂导致层合板内部应力重分配,使得主受力层(0°层)应力或应变条件恶化.认为0°层控制层合板的最终失效破坏:当0°层失效时,整个层合板发生失效破坏.对不同材料体系和铺层结构的复合材料对称层合板的强度进行了预测.计算结果表明:这种强度准则的预测值与实验结果吻合较好.     

含孔复合材料层合板拉伸失效分析

对国产T700/双马树脂基复合材料的含孔层合板进行了拉伸失效分析研究,分析了不同开孔直径和开孔形状对复合材料层合板拉伸性能的影响,利用有限元软件ABAQUS建立逐渐损伤失效模型,对复合材料层合板的拉伸强度进行数值模拟。研究结果表明:对于不同开孔直径的复合材料层合板,随着圆孔直径的增大,拉伸强度显著下降,对于不同开孔形状的复合材料层合板,含圆孔的层合板拉伸强度最大,然后依次是椭圆孔、方形孔、菱形孔,层合板的断裂模式都为过孔破坏。数值模拟得到的强度值与试验测量的强度值吻合较好,为含孔复合材料层合板的强度预测提供了一种有效的方法。     

加载制度对螺栓球节点组合试件低周疲劳性能的影响

为了研究加载制度不同对螺栓球节点组合试件低周疲劳性能的影响,采用4种加载制度对8个相同试件进行轴向往复加载低周疲劳试验,研究了螺栓球节点在不同加载制度下的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、累积耗能以及承载力退化规律。结果表明：在不同加载制度下,螺栓球节点组合试件的破坏形态基本相同,破坏发生在中间螺栓球节点处,经历了弯曲失稳、高强螺栓产生裂纹、裂纹扩展直到最终发生断裂等过程,破坏螺栓有颈缩现象,所有螺栓的螺纹丝扣均有较严重变形与磨损,超低周疲劳寿命很短;加载制度对试件超低周疲劳性能影响显著;试件的滞回曲线为捏拢类型、不饱满、不对称、耗能能力较小;不同加载制度的试件骨架曲线,无论受拉还是受压均基本重合,因损伤积累过程不同断裂点会有所不同;螺栓球节点的抗弯刚度很弱,在所连接的杆件弯曲时会诱发螺栓的折断,引起结构的连续破坏。     

复合材料层压板疲劳寿命预测方法

测定了碳纤维／树脂基T300／QY8911复合材料的3组典型单轴循环应力下的S-N曲线．基于试验数据，建立了多轴循环应力作用下单向板的寿命模型，并通过整合平面应力分析、失效分析和材料性质退化模块模拟多向层压板的疲劳失效过程．这种方法试图基于单向板在确定应力比下的疲劳试验结果，预测同种材料体系的任意铺层形式的多向层压板在复杂循环应力作用下的疲劳寿命．对于以分层破坏为主控因素的层压板，基于层间应力的计算结果，用计算面内累计损伤的方法计算分层损伤，层压板的寿命等于分层扩展寿命和分层后子层板剩余寿命之和．考虑分层扩展后，层压板的寿命预测结果得到明显改善．     

钢板-砖砌体组合梁受剪性能试验研究

钢板-砖砌体组合结构是一种新型的托换改造技术.为了掌握钢板-砖砌体组合梁的受剪性能,完成了6根组合梁的静载试验,研究了钢板厚度及螺栓间距对受剪承载力的影响,分析了组合梁受剪破坏的机理.试验结果表明,钢板与砖砌体两者互为帮助、共同工作,剪压区砌体与钢板的破坏并无明显先后顺序.组合梁的破坏总是始于剪压区钢板的局部屈曲,受剪承载力的主要影响因素为侧向钢板的厚度,螺栓间距在一定范围内对承载力影响不大,但是螺栓的布置形式对钢板的失稳破坏形态及承载力起决定性作用.在实际工程中可以对梁两侧上端进行加强约束从而提高梁的抗剪性能.此外,本文给出了组合梁抗剪极限承载力的计算公式.     

可拆卸式钢-预制UHPC组合梁中高强螺栓剪力键的抗剪性能试验研究

采用高强螺栓剪力键连接的钢-预制UHPC组合梁具有性能优越、施工方便、构件拆除更换快捷等优点。目前缺乏关于UHPC中高强螺栓剪力键抗剪性能的相关研究,限制了该类组合梁的工程应用。基于此,试验共设计16个推出试件,探究螺栓直径、螺栓等级、螺栓预紧力和剪力键类型对钢-预制UHPC组合梁中高强螺栓剪力键抗剪性能的影响。试验结果表明,推出试件以剪力键剪断为主要破坏模式,剪切面下方发生局部混凝土受压剥落,而预制UHPC板外表面仅在预制槽周边观察到细微裂缝。随着螺栓直径从16 mm增大至27 mm,螺栓剪力键的单栓抗剪承载力、初始抗剪刚度和延性分别提高了210%、128%和124%;当螺栓等级从4.6级提高到12.9级时,螺栓剪力键的单栓抗剪承载力、初始抗剪刚度和延性分别提高了124%、77%和92%;随着螺栓预紧力等级从0.2增大到1.0时,螺栓剪力键的单栓抗剪承载力和延性变化不明显,但初始抗剪刚度提高了80%;相比于相同直径的传统焊钉剪力键,螺栓剪力键的单栓抗剪承载力有所下降,但整体抗剪性能仍满足结构性能要求。结合试验结果,分析现行国内外规范对钢-混凝土组合梁中剪力键抗剪承载力计算公式的适用性,并在此基础上提出一条更精确的计算公式用以预测钢-预制UHPC组合梁中螺栓剪力键的抗剪承载力。此外,研究提出适用于预测钢-预制UHPC组合梁中高强螺栓剪力键荷载-滑移关系的计算模型,模型预测结果与试验结果的相关系数处于0.98到0.99之间。     

新型全螺栓连接承载力的试验研究及性能分析

为进一步完善方钢管柱与钢梁之间连接,提出一种半刚性的新型全螺栓单边梁柱节点连接,这种连接方法具有现场安装方便,造价经济,以及较好的侧移变形能力和抗震性能,所以对于轻钢结构是一种理想连接方式。本文对不同螺栓直径(M16、M20)10.9级高强螺栓与不同厚度钢板(Q345)之间全螺栓连接的32个试件进行了抗压试验,在试验数据分析基础上总结了不同组合连接试件破坏特征以及新型全螺栓抗压强度的变化规律,并且根据有关机械零件强度计算公式,推导出不同组合下新型全螺栓抗压承载力公式,为进一步设计和研究新型全螺栓连接节点提供依据。试验结果表明:极限破坏状态主要为组合板螺纹牙脱扣强度破坏:螺栓直径和组合板板厚是新型全螺栓连接承载力的重要影响因素;推导出的承载力公式为安全考虑,建议K_m取值为较小值0.7。     

栓接装配式钢-混凝土组合梁及其抗剪键的力学性能研究

为了探究摩擦型高强度螺栓在装配式钢-混凝土组合梁中的适用性,采用ABAQUS有限元软件建立了推出试件和简支梁试件的有限元模型。在试验结果验证模拟可靠性的基础上,研究了螺栓预拉力、螺栓孔径、混凝土强度和螺栓强度等因素对单个抗剪键及整体组合梁的影响。分析结果表明：抗剪键的受力过程分为摩擦、滑移、承压和破坏四个阶段;螺栓预拉力、混凝土强度的增大有利于提高摩擦型高强度螺栓的极限承载力和承压抗剪刚度,较大的混凝土孔隙显著降低了螺栓抗剪刚度;提高螺栓预紧力或提高混凝土强度均可增强钢与混凝土部件的组合作用,相反,在抗剪连接程度不变的情况下,提高螺栓等级导致界面刚度分布不均,不利于滑移控制。     

划伤损伤对复合材料层合板承载能力的影响

为了研究划伤对复合材料层合板承载能力的影响,通过对含划伤试件和未损伤试件进行拉伸试验的方法研究了层合板划伤处的损伤类型以及损伤演化过程;同时通过粘贴电阻应变片来分析划伤附近的应变变化规律。结果表明:划伤试件在加载初期主要以基体损伤为主,后期主要以纤维拉伸断裂为主;划伤的存在使得试件的形心与加载中心不重合,使试件在加载后期发生了弯曲变形。可见,划伤明显地降低了试件的承载能力。