CFRP/Al复合构件胶接界面力学建模与强度分析

文章以CFRP板/Al合金板复合构件的胶接接头为研究对象,通过以胶接界面为纽带,使用复合材料层合板理论、胶接接头平衡方程和控制方程,同时考虑偏心拉伸单搭接接头,造成弯矩对胶接接头的影响,推导出胶接界面应力模型和胶接件力学模型.并使理论模型满足搭接区域端头处胶层剪应力为零等所有边界条件.通过理论模型的解与三维有限元分析结果对比,证明理论模型的正确性.     

胶接修补复合材料层合板的渐进损伤分析方法

建立了一种预测胶接修补复合材料层合板损伤演变与剩余强度的渐进损伤分析模型。该有限元方法应用三维渐进损伤模型和内聚力模型分别模拟复合材料层合板和修补胶层的失效过程。引入与材料损伤模式相对应的损伤变量表征材料的损伤状态,材料的刚度矩阵按损伤变量退化。计算得到了复合材料含孔板和相应的复合材料层合板胶接修补结构的极限强度。计算结果和试验数据吻合良好,验证了渐进损伤分析方法的有效性。     

CFRP平-折-平胶接接头应力模型

以碳纤维增强双马来酰亚胺树脂基复合材料平-折-平（FJF）胶接连接接头为对象,构造了圆弧段胶接梁单元,建立用于FJF胶接接头胶层应力分析的半解析模型,并与三维有限元模型胶层应力结果进行对比. 同时分析了胶层宽度和厚度对胶层应力的影响. 结果表明,利用半解析模型计算得出的胶层剥离应力和剪切应力分布与三维有限元模型获得的对应应力分布基本一致,搭接区端部胶层剥离应力和剪切应力相较于三维有限元模型计算结果的误差绝对值分别为5.4%和3.7%,有着较好的计算精度. 搭接区端部胶层剥离应力和剪切应力值在胶层宽度一定时随胶层厚度的增加而降低,在胶层厚度一定时随胶层宽度的增加而降低. 搭接区圆角胶层剥离应力和剪切应力值在胶层厚度一定时随胶层宽度的增加而降低,在胶层宽度一定时随胶层厚度的增加而增加. 该模型能够为碳纤维增强复合材料平-折-平胶接连接接头的应力分析提供一定的参考.     

有拉-弯耦合效应时复合材料接头的胶层应力分析

本文对存在拉-弯耦合效应(B_(11)≠0)的复合材料反对称正交层合板的胶接接头进行了研究和分析。推导了接头承载时胶层应力的微分方程,并以平衡型接头(E_α=E_1,t_α=t_1)为例,计算和分析了反对称正交铺设层合板在两种不同胶接情况下以及层数变化时,耦合效应对接头胶层应力分布的影响,得出了一些有意义的结论,为工程中复合材料接头的设计提供了参考依据。     

FRP筋混凝土界面粘结疲劳性能及损伤机理研究进展

国内外学者针对 ＦＲＰ筋混凝土界面静力粘结性能研究主要是基于拉拔试件和梁式试件为主的试验研究,试验参数涉及 ＦＲＰ筋的种类、表面形式、直径、锚固长度以及粘结介质的种类和强度等,在试验的基础上建立了相应的粘结滑移本构模型和临界锚固长度计算式。对 ＦＲＰ筋混凝土梁的疲劳性能研究主要集中在梁疲劳后整体的强度和刚度的变化,而针对 ＦＲＰ筋混凝土界面的局部疲劳粘结性能研究较少,且主要基于等幅疲劳荷载试验,研究成果中也未见疲劳试验参数对粘结本构关系和临界锚固长度的影响。国内学者在疲劳线性损伤累积理论的基础上对 ＦＲＰ筋混凝土结构界面在等幅疲劳荷载、多级等幅疲劳荷载以及随机疲劳荷载等作用下疲劳损伤的剩余强度模型和剩余刚度模型进行了实践和推广应用。ＦＲＰ筋混凝土界面静力粘结性能研究成果为 ＦＲＰ筋混凝土结构在土木工程中的进一步应用提供了参考,并为后续的疲劳粘结性能研究打下了坚实的基础。但是 ＦＲＰ筋混凝土界面的随机疲劳粘结性能及寿命预测值得进一步探索。     

铝镁合金单搭接胶接接头应力分布及强度预测

针对铝镁合金单搭接胶接接头,建立了剪滞解析模型,得到接头剪切应力的一般分析方法,利用有限元模型验证了该方法的有效性。在三维弹塑性有限元模型的基础上,分析了铝镁合金单搭接胶接接头剪切应力、Von-Mises等效应力在胶层厚度、宽度方向上的分布规律,结合试验探讨了胶粘剂类型、胶层厚度、胶接搭接长度对胶接结构连接强度的影响。所得结果对胶接工艺金属材料与胶层属性匹配、接头强度预测及胶接接头性能优化具有指导意义。     

金属裂纹板复合材料胶接修补结构裂纹扩展行为研究

为研究金属裂纹板复合材料胶接修补结构的裂纹扩展行为,进行了LY12CZ航空铝合金裂纹板碳/环氧复合材料补片胶接修复结构的疲劳性能测试试验,观察修补结构疲劳失效模式,并测量一定疲劳周次下的铝合金板的裂纹长度。建立了考虑裂纹扩展,界面脱粘两种失效模式相互耦合的三维非线性有限元分析模型,计算出不同裂纹长度对应的疲劳寿命,对修补结构的疲劳性能进行了评估,其数值计算与试验结果吻合较好。     

复材非线性及渐进损伤的态型近场动力学模拟

为了实现复合材料材料非线性行为在态型近场动力学的模拟,引入单参量非线性本构模型来确定态型近场动力学中力状态与变形状态之间的非线性关系.为了实现复合材料渐进损伤行为的态型近场动力学模拟,在力状态表达式中引入一个标量函数,以实现利用强度准则判断物质点之间作用力是否失效.采用动力松弛法作为数值求解方法.结果显示,模型计算得到的单向复合材料板(AS4/PEEK)的非线性应力-应变曲线与试验数据吻合良好;对中心含孔复合材料板的渐进损伤模拟则表明,该模型模拟的破坏形式与已有研究的模拟结果及实验观察结果一致.探索和实现了复合材料非线性本构在态型近场动力学中的引入以及复合材料渐进损伤在态型近场动力学中的模拟.     

混合结构中金属疲劳对层合板损伤的影响

针对混合结构中层合板和金属的疲劳损伤耦合问题,构建了复合材料渐进疲劳损伤模型和金属材料Lemaitre疲劳损伤模型,采用唯象的弹塑性本构描述单层复合材料面内剪切非线性,基于球张量和剪切张量的应力分解方法推导了低周疲劳能量释放率计算公式。对单钉与多钉螺栓连接结构进行了疲劳损伤和寿命分析,结论表明:循环加载过程中,多钉连接结构钉载向金属搭接板疲劳硬化区域迁移,加剧了层合板局部挤压损伤,降低了层合板拉断载荷,有利于提高以拉断为破坏模式的层合板疲劳寿命。     

拉伸载荷下机身整体复合材料接头的断裂损伤研究

为了解决机身蒙皮、纵梁和框连接区域的复杂传力及结构设计问题,设计了复杂胶结整体复合材料接头,完成了该整体复合材料接头的拉伸试验,得到了其应变-载荷曲线和损伤模式。建立了整体复合材料接头数值分析模型,研究了其在拉伸载荷下的损伤起始、扩展及失效过程。结果表明:接头首次降载和极限破坏载荷分别为120.82和168.11 kN;初始损伤发生在左下侧角盒的角弯曲处,然后沿着短翼缘,长翼缘以及腹板间的圆弧过渡区扩展,导致上下角盒的胶结界面脱黏,角盒和L型层合板的胶结界面分层失效。数值计算得到的首次降载和极限破坏载荷与试验结果相比误差分别为6.68%和2.61%,两者符合较好。     

含中心裂纹的复合材料单面胶接修补结构胶层应力解析模型

针对含中心贯穿裂纹的复合材料平板的单面胶接修补结构,结合复合材料的经典层合板理论,提出了一种预测该修补结构中胶层应力分布的方法,推导出胶接界面应力分布的解析模型的显式解。将解析解与有限元解进行对比,验证解析模型的有效性。该方法为复合材料单面胶接复合材料结构的修补设计提供了理论基础。     

一种考虑损伤的胶凝原油启动初始应力-应变模型

引入损伤变量（因子）,结合胶凝原油恒剪切速率启动过程的应力－应变特性,建立了考虑损伤的力学本构模型,经实验验证,新本构方程可很好地描述胶凝原油启动初始破坏过程的应力－应变关系。利用获得的本构方程参数,作出了相应条件下的损伤演化曲线,与应力－应变曲线结合分析发现,启动温度对胶凝原油结构损伤破坏过程影响最小,其不同条件下的损伤演化曲线基本重合;而启动剪切速率和静态降温幅度对损伤演化过程的影响相对较大,且随其值的增大,损伤演化过程表现出加速特性。     

考虑地震损伤的单层球面网壳结构静力稳定性

为了研究地震损伤对单层网壳结构静力稳定性能的影响,基于考虑材料损伤累积效应的本构模型,对一K8型单层球面网壳结构,首先利用动态增量(incremental dynamic analysis,IDA)方法对单层网壳结构进行动力稳定分析,提出将B-R准则与塑性应变能曲线相结合作为结构动力失稳破坏的判断准则,得到结构动力失稳临界值;然后采用弧长法和Newton-Raphson法相结合的增量迭代法对损伤后的结构进行非线性屈曲分析,得到震后结构的静力稳定临界荷载.结果表明:考虑地震损伤累积效应的结构静力稳定性能显著降低,为该类结构抗震设计、性能评估和震后修复、加固提供参考.     

复合材料层合板斜切型挖补修理试验

为研究拉伸载荷作用下不同挖补角和附加层数对复合材料胶接挖补修理接头刚度、强度、失效模式及关键位置应变变化的影响,开展了复合材料层合板斜切型挖补修理接头拉伸试验.采用一种碳纤维织物增强树脂复合材料作为母板与补片材料,一种改性环氧树脂胶膜作为胶层材料,设计了斜切挖补角分别为1.8°、2.6°、3.5°、4.4°,附加一附加层或二附加层的斜切型挖补修理试验件.拉伸试验结果表明,在1.8°至4.4°挖补角范围内,所研究的接头刚度和强度随挖补角的增大而减小.附加层数的增加能够有效提升接头的刚度及强度.接头的失效可以概括为四种模式,与挖补角及附加层数目相关。接头关键位置点的纵向应变变化能够动态反映接头的失效过程.     

胶接接头的耐久性及其无损评价

分析了影响胶接接头耐久性的几个重要因素，并指出水对接头的弱化是影响其耐久性的最主要因素，同时，通过对几种超声法及振动法检测胶接接头耐久性的研究结果的对比看出，对于胶接接头耐性的可靠评价必须建立在进一步研究退化机理及精确模型和探索对接头退化敏感的超声方法基础上。     

层状岩石损伤本构关系的研究

对常见层状复合岩石的损伤结构与本构关系进行了研究,电镜微观研究表明了其微观结构与微孔隙特征, 导出各分层在不等围压、不同有效应力、不同参数及不同损伤演化过程下的三维非线性损伤本构方程与演化方程,并得到实验的较好验证.     

铝锂合金/FM94胶接接头内聚力模型参数识别

为了正确预测铝锂合金/FM94胶接接头的强度与失效特征,采用ABAQUS软件建立胶接接头的内聚力仿真模型. 针对内聚力模型关键参数的确定问题,利用材料力学和断裂力学相关理论推导I、II型断裂失效形式下断裂能的计算公式;通过实验测定FM94胶接铝锂合金标准双悬臂梁（I型失效）和三点弯曲试样（II型失效）的力-位移曲线,计算并确定不同失效模式下的内聚力模型参数;采用三角形内聚力理论模型和所确定的模型参数进行双悬臂梁标准试样、三点弯曲标准试样及单搭接接头的强度与断裂失效过程的数值仿真. 结果表明：仿真结果与实验数据较一致,在不同加载速率下断裂载荷最大误差为4.4%,断裂位移最大误差为3.8%,验证内聚力模型参数确定方法合理,模型参数正确.     

基于损伤力学的金属构件概率疲劳寿命预测方法

基于连续介质损伤力学,提出了一种预测金属构件高周疲劳寿命的概率方法.结合Eshelby-Kroner局域化准则和金属典型弹塑性本构方程构建了宏细观双尺度应力应变桥联方程;将Lemaitre疲劳损伤演化模型中部分参数随机化,通过对模型反演优化获取其概率特性.结合双尺度桥联方程和疲劳损伤演化概率模型建立了预测高周疲劳寿命的...     

混凝土损伤本构模型研究评述

现有混凝土本构关系主要是基于成熟的经典弹塑性模型所建立的,弹塑性模型在数学上较严格,但是与混凝土材料破坏机理不协调,各国学者针对混凝土这类特殊多相复合材料提出了很多基于不可逆热力学理论的损伤本构模型。系统综述了混凝土损伤本构研究的成果,在分析了各个有代表意义的混凝土损伤本构模型基础之上,对比研究了各个模型的特点及各自适用范围,通过总结前人成果,为损伤本构模型研究提供了思路。     

界面贴合型缺陷的超声红外热波检测与识别

为了实现对复合材料内部界面贴合性缺陷的快速检测和识别,采用超声红外热波方法进行了检测研究.建立了一个含有表面微裂纹、边缘垂直裂纹、分层、脱粘等4种缺陷类型界面贴合型缺陷的复合材料有限元模型,进行了超声热波检测数值仿真.并分别制作了碳纤维增强复合材料分层损伤试件、玻璃纤维复合材料疲劳裂纹试件和T700/BA202环氧树脂基复合材料冲击损伤试件,开展了超声红外热波检测实验和缺陷识别研究.结果表明,超声热波方法适合于复合材料裂纹、分层、冲击损伤等界面贴合型缺陷的快速检测和识别,而对脱粘等非界面贴合型缺陷则无检测效果.微小裂纹(≤0.001 m)可以被检测出,对浅表面(0.001 m深)缺陷的识别精度达95％,且裂纹越长,裂纹面越大越容易被检出,对0.002 m长的裂纹的检测误差为13.88％,与超声C扫方法相比,超声热波方法对冲击损伤大小的识别误差为5.7％.