CFRP加固损伤钢筋混凝土梁抗冲击性能试验研究

对采用碳纤维增强复合材料(CFRP)加固的不同损伤程度的钢筋混凝土梁进行落锤冲击试验,以冲击高度、加固层数为试验参数分析CFRP加固损伤试件的裂缝发展、破坏形态及抗冲击性能,并研究试件在冲击荷载下的动力性能。结果表明:试件损伤程度越高,其斜向裂缝发展越密集,试件的破坏程度越严重;落锤冲击高度越高,裂缝发展越趋近于跨中局部化;当采用多层CFRP布加固损伤试件时,试件在落锤冲击作用下保持较好的完整性,仅外部混凝土粉碎掉落;随着CFRP布粘贴层数的增加,试件整体产生弯剪破坏,损伤试件加固修复后的抗冲击能力及刚度相较于完好试件得到显著提升,提升幅度为70%~72%,但增加CFRP布粘贴层数对试件的加固修复效果提升作用有限,且加固效果与抗冲击能力并非呈线性关系;基于有效应变计算的结果可知,采用CFRP布加固修复不仅仅具有加固补强的作用,同时能够在一定的程度上改善试件的整体抗冲击性能。

舰船动力设备抗冲击评估方法综述

舰船动力设备的抗冲击能力是舰船安全稳定运行的重要保障,而合理的评估方法可以较为方便地获得动力设备的抗冲击特性预测结果。首先,将冲击过程分为低/高速碰撞冲击过程和非接触爆炸冲击过程,基于主从系统关系,阐述舰船设备非一体化与一体化抗冲击方法,总结舰船动力设备的抗冲击研究进展,提出舰船动力设备抗冲击领域的重点研究技术。然后,结合舰船设备一体化方法(分为等效静力法、动态设计分析法及时域分析法)的特点,总结得出:等效静力法仅适用于低频影响的结构简单动力设备;动态设计分析法忽略了邻近设备、隔振系统及船体结构对冲击输入载荷的影响;时域分析法仅适用于爆炸冲击等特定场景或冲击信号输入;而舰船设备一体化考虑了船体结构–基座–隔振系统–动力设备形成的多自由度系统,其计算结果更贴近于实船工况,但建模和计算成本较高。最后,展望了舰船动力设备抗冲击的重要发展方向,包括评估方法的准确选取、抗冲击试验台的合理改进、冲击响应信号提取分析、动力设备多场耦合作用分析、动力设备物理模型简化研究、内部流动介质等效替代研究、数据挖掘和深度学习方法融合等。

多尺度钢纤维混杂增强水泥基材料抗冲击性能及阻裂能力

为更好地研究钢纤维混杂方式对水泥基材料的增强作用,本研究使用长度分别为6 mm(S)、13 mm(M)和35 mm(H)的三种钢纤维,进行单掺、双掺、三掺制备钢纤维增强水泥基材料,采用圆柱体试件进行落锤冲击试验,从冲击次数及耗能、破坏形态、裂缝宽度发展等方面探究混杂方式对水泥基材料抗冲击性能及阻裂能力的影响。试验结果表明:钢纤维从单掺到三掺,材料抗冲击性能逐渐增强。钢纤维单掺对水泥基材料强度及抗冲击性能提升效果依次为:M>H>S;双掺组合方式从优到劣为:M+H>S+M>S+H,当1.5%(体积分数,下同)M与0.5%H混掺时材料的增强、增韧效果最佳,28 d抗折强度为22.6 MPa,较单掺M和H分别提高了3.2%和31.4%,抗压强度为154.8 MPa,较单掺M和H分别提高了40.1%和65.5%,初裂与破坏冲击耗能比单掺M和H分别提高了23.5%、425%和36.7%、300%;三掺最优掺量为0.5%S、0.5%M和1%H,初裂和破坏冲击耗能比最优双掺M1.5H0.5组分别提高了33.3%、1.9%。双参数的Weibull分布可以合理地描述钢纤维混杂增强水泥基材料的初裂冲击次数(N1)和破坏冲击次数(N2)。S抑制微裂缝的产生与扩张,M和H阻止宏观裂缝在不同受荷阶段的发展,在不同结构层次、不同受荷阶段发挥逐级阻裂作用。

UHPC抗冲击性能的试验研究

抗冲击性能是混凝土结构重要技术特征。针对超高性能混凝土(UHPC)抗冲击性能,采用不同掺量的钢纤维和橡胶颗粒,试验研究了钢纤维和橡胶掺量对UHPC的工作性能、强度和抗冲击性能的影响,并对钢纤维和橡胶颗粒掺量对UHPC的影响机理进行了分析。试验研究结果表明:随着钢纤维掺量的增加,UHPC的坍落度和扩展度均不断降低,含气量增大,强度和抗冲击性能明显增大,钢纤维可有效提高UHPC的抗冲击性能,掺量宜控制在3%之内;随着橡胶颗粒掺量的增加,UHPC的抗压强度不断降低,但坍落度、扩展度、抗折强度及抗冲击性能呈现先增大后降低趋势,掺入适量的橡胶颗粒可有效提高UHPC的抗折强度和抗冲击性能,掺量宜控制在10%之内。通过采用钢纤维和橡胶颗粒,可配制出抗冲击性能良好的UHPC。

EPS混凝土的早龄期抗冲击性能

对早龄期(12 h、24 h、36 h)的EPS混凝土进行了动态力学试验,从动态抗压强度、峰值应变、极限应变和能耗密度等方面分析了冲击速度(4.5~6.5 m/s)和龄期(12 h、24 h、36 h)对EPS混凝土抗冲击性能的影响,并与28 d龄期时EPS混凝土的性能进行了对比。结果表明:EPS混凝土的动态抗压强度、峰值应变、极限应变和能耗密度均具有冲击速度强化效应。随着龄期的增大,EPS混凝土的动态力学性能指标及其对冲击速度的敏感性不断增大。28 d龄期时,EPS混凝土的动态抗压强度、峰值应变、极限应变和能耗密度最大,其对冲击速度的敏感性最强。EPS混凝土早龄期具有良好的变形和吸能特性。36 h龄期时,EPS混凝土的峰值应变、极限应变和能耗密度分别可达到28 d龄期时的66%~82%、91%~93%和72%~78%。

UHPC梁抗冲击性能影响因素有限元分析

为研究配箍率、纵筋率、UHPC强度对UHPC梁抗冲击性能的影响,采用LS-DYNA软件,建立落锤冲击下的UHPC梁有限元模型,进行数值计算,分析对比其破坏形态、位移时程。结果表明UHPC中的钢纤维提高了梁的抗剪能力,导致配箍率对UHPC梁的冲击响应影响较小;当纵筋率小于1.0%时,破坏形态为少筋破坏,随着纵筋率增大,梁抗冲击能力增强,破坏形态转变为适筋破坏,跨中最大位移减少,但影响程度随着纵筋率增加而逐渐减少;UHPC抗压强度不同,梁的破坏模式有差异,当强度从100MPa增加到140MPa时,梁体破坏形态从落锤两侧出现斜向损伤转变为跨中受拉损伤。对于UHPC梁抗冲击设计,可减少箍筋的配置,而提高纵筋率或UHPC强度。

面向激光增材制造的仿生薄壁结构抗冲击研究

冲击载荷是航空航天装备结构设计中不可忽视的因素,设计承载能力高、吸能特性好的薄壁结构是研究热点。综合骨骼和蜂窝的结构特征,基于Voronoi算法,开展了类蜂窝六边形结构伪随机排布;参考骨质内疏松外紧密的排布特征,进行分区设计,来构造新型抗冲击结构。通过激光选区熔化钛合金及激光选区烧结碳纤维/PEEK(polyether ether ketone,聚醚醚酮)复合材料仿生薄壁结构和均布蜂窝结构的抗冲击仿真,对比了2种结构的吸能特性。仿真结果表明:相比于均布蜂窝结构,在轴向冲击条件下,激光选区熔化钛合金和激光选区烧结纤维/PEEK复合材料仿生薄壁结构的最大吸能量分别提高了17.7%和27.7%;在侧向冲击条件下,最大吸能量分别提高了422.6%和99.2%。所设计的仿生薄壁抗冲击结构在航空航天领域具有重要的应用前景。

喷涂聚脲弹性体及复合结构抗爆抗冲击性能研究进展

防护结构的抗爆抗冲击性能是生命安全的重要保障,材料和结构是提高防护性能的2种主要途径。喷涂聚脲弹性体凭借良好的力学性能和耗能特性被广泛运用于抗爆抗冲击防护领域。从喷涂聚脲弹性体的抗冲击性能出发,介绍了不同试验方法下喷涂聚脲弹性体优异的爆炸冲击防护性能,分析喷涂聚脲弹性体在不同应变率和环境下良好的适应性,发现涂层厚度和涂层构造会对材料抗冲击性能产生影响;从材料微观层面以及阻抗失配的角度综述了喷涂聚脲弹性体的抗冲击机理,最后阐述了抗冲击复合结构的耗能机理以及优化方法,指出了喷涂聚脲弹性体以及复合结构尚存在的部分问题以及发展方向。

多层蜂窝孔状填充机织物结构设计及其抗冲击性

提出了一种新的多层蜂窝孔状填充机织物的结构设计方法,并研究了填充的织物支撑载体在多层蜂窝孔状机织物上的相关抗冲击性能。从织造工艺角度分析了参与织造的织物支撑载体内填充的纱线纤度、支撑载体表层结构和多层织物表层结构这3个因素对织物的抗冲击性能的影响,并根据正交试验方案对每个因素确定了3个水平设计并织造出9种不同的织物。讨论了上述因素对织物的传递力峰值的影响。结果表明,支撑载体表层结构对织物的传递力峰值有显著影响。上述因素组合的最佳织造参数为绳状芯材纤度(22.22 tex)>多层织物表层结构(经纬交织比2/2)>绳状芯材表层结构(经纬交织比3/1)。

仿香蒲结构的侧向抗冲击性能研究

自然界中的香蒲茎秆能较好地抵御外部和自身荷载性能,其微观结构由大量直径不相同的细胞孔构成,基于其特点提出横截面的多尺度模型,并设计一种具有良好侧向抗冲击性能的仿香蒲结构。使用有限元方法研究仿香蒲结构的侧向抗冲击性能,对其相关参数进行分析,建立同质量的仿竹子、仿双节竹、仿仙人掌、仿马尾草、仿蜘蛛网和仿螳螂虾共6种仿生模型,并与仿香蒲结构模型进行对比。研究结果表明:横向胞壁间距、胞孔壁厚度、表皮厚度、胞孔直径这4个参数对仿香蒲结构的性能有显著影响,在较小的横向胞壁间距、中等的胞孔壁厚度、较大的表皮厚度以及由外到内先变大后变小的胞孔直径下能得到较高的比吸能;新型仿香蒲结构的比吸能和冲击力均明显比其他仿生结构的高,说明仿香蒲结构具有较强的吸能能力和较高的吸能效率。

缩管式恒阻大变形锚杆抗冲击特性及其治理岩爆潜力研究

深部岩体非线性大变形特性引发的岩爆灾害一直是岩土工程的世界性难题,严重制约了工程建设的施工进度和工程安全,加强对岩爆防治措施的深入研究刻不容缓。基于钢管挤压变形原理,提出了一种新型的缩管式恒阻大变形锚杆,该种锚杆可在容许较大的变形量的同时提供较高的恒阻力。在前期研究的基础上,通过落锤冲击试验探索了缩管式恒阻大变形锚杆的抗冲击性能。试验结果表明:在整个冲击过程中,缩管式恒阻大变形锚杆的工作阻力稳定在150~180 kN范围内,恒阻特性显著;缩管式恒阻大变形锚杆吸收能量大、效率高,单次可吸收冲击能量为53kJ;在冲击过程中,试件压缩率仅减小了0.54%~1.43%,变形情况较为稳定。缩管式恒阻大变形锚杆具有良好的抗冲击特能,可为地下工程建设过程中岩爆灾害的治理提供有力的技术支撑。

喷涂聚脲在防弹抗冲击领域中的研究进展

介绍了喷涂聚脲作为防弹抗冲击材料的特点,对聚脲近年来防弹抗冲击的研究应用进展进行了总结,并对聚脲的抗冲击作用机理进行了探讨,指出了防弹抗冲击聚脲的配方设计原则和检测方法。

仿虾螯式抗冲击微加速度传感器设计

针对外弹道信息测量过程中,低量程微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)加速度传感器在上万g_n过载环境下的损坏问题,提出了一种仿虾螯式抗冲击微加速度传感器,可以实现抗过载30000g_n、量程50g_n的指标要求。有限元仿真结果表明,在50g_n载荷作用下,加速度计敏感单元位移为0.99μm,灵敏度为0.124 pF/g_n;引入仿虾螯式抗冲击缓冲结构的加速度传感器在30000g_n过载作用下承受的等效应力的最大值从1022.5 MPa降低至84.326 MPa,有效地提高了该传感器件的可靠性。

火灾下双钢板-混凝土组合墙抗冲击机理分析与挠度预测

双钢板-混凝土组合墙(steel-concrete composite wall,SC wall)常用于核电站、超高层等重要结构的承重构件,其在偶然荷载作用下的力学性能也是其推广应用的关键指标。为此,针对火灾下SC墙的抗冲击性能进行研究并给出相关设计建议。首先建立了SC墙在火灾与冲击耦合作用下的有限元模型,在验证模型可靠性基础上,开展了火灾下SC墙抗冲击机理的分析;然后研究了轴力、受火时间、材料强度、冲击能量与抗剪连接件形式等参数对SC墙在火灾下抗冲击性能的影响规律;最后给出了该类构件在耦合工况下跨中峰值挠度的预测公式。结果表明:随着受火时间的增加,SC墙受冲击变形模式由局部冲切逐渐转变为整体弯曲破坏;火灾下,混凝土为SC墙受冲击的主要耗能部件;混凝土强度、轴力与抗剪连接件形式对SC墙在高温下的抗冲击性能影响显著,钢板强度的影响则较小;建议的公式可较合理地预测火灾下SC墙受冲击后的跨中峰值挠度。

单向载荷下建筑用方钢管柱螺栓连接节点的抗冲击性能

用高强螺栓与Q345B钢制备方钢管柱螺栓连接节点试件,分别施加80、120、160 kN的预紧力,制成3种不同预紧力的连接节点试件。通过落锤冲击试验对试件施加单向载荷,并进行承载力与耗能测试,分析单向载荷下方钢管柱螺栓连接节点的抗冲击性能。结果表明:当单向载荷冲击速度较大时,试件的冲击力、位移均增大;其中,施加160 kN预紧力的试件的冲击力与位移始终较低,且冲击持续时间较短,具有良好的抗冲击效果;当试件经单向载荷冲击后,3组试件的极限承载力均有所降低,但施加160 kN预紧力的试件的承载力与耗能较高。因此得出,施加160 kN预紧力的方钢管柱螺栓连接节点抗冲击性能最优,更适用于高层建筑钢结构。

氧气/燃料比对超音速火焰喷涂WC-Ni涂层抗冲击性能的影响

目的研究超音速火焰喷涂工艺参数对WC-12Ni硬质合金涂层抗冲击性能的影响。方法依据氧气/燃料比(λO/F)调节工艺参数,以λO/F=1.1为基准点,分别固定氧气流量811 L/min、降低煤油流量,或者固定煤油流量22.7 L/h、增大氧气流量,均使λO/F增至1.2和1.3,制备了5组涂层,分析涂层组织及力学性质的变化规律,研究柱-面接触大载荷冲击下的涂层抗冲击行为。结果λO/F对涂层组织及力学性质的影响并非已报道的单调变化规律。固定氧气流量、降低煤油流量使λO/F由1.1增至1.3时,涂层孔隙率由0.91%增至1.24%,硬度和弹性模量分别由10.1、344.0 GPa降至8.6、313.9 GPa;冲击坑体积由2.1×10^(-3)增至3.3×10^(-3)mm^(3),且损伤微观特征由WC颗粒剥落向涂层开裂发展。当固定煤油流量、增加氧气流量使λO/F由1.1增至1.3时,孔隙率降至0.85%,硬度和弹性模量分别增至10.8、382.5 GPa,冲击坑体积增至2.6×10^(-3)mm^(3),直到λO/F=1.3时涂层表面开始出现裂纹。结合涂层硬度和弹性模量分析结果可知,在H3/E2≤8.4 MPa时,涂层发生开裂损伤,裂纹长度随着H3/E2的增加而减小。在H3/E2>8.4 MPa时,涂层损伤以WC颗粒剥落为主,且随着H3/E2的增加而减轻。高H3/E2可提高涂层的抗冲击性能,当H3/E2由6.4 MPa增至8.7 MPa时,坑体积和WC剥落程度分别降低了36%、35%。结论超音速火焰喷涂WC-Ni涂层的H3/E2定量表征了其抵抗塑性变形和开裂的能力,决定了涂层的抗冲击性能。

船用断路器抗冲击性能分析与优化研究

船用断路器是舰船电力系统中的重要基础器件,其在动力学冲击载荷作用下的性能将直接关系到整个舰船电力系统的安全。为了研究影响断路器抗冲击性能的因素,文中建立了断路器模型,运用动力学设计分析法(DDAM)和时域分析法进行仿真研究。针对结构强度不足的现象,进行了优化设计,并通过冲击试验来予以验证。所得结论和方法对进一步提高断路器抗冲击性能提供了参考。

剪切增稠液胶囊增强硅橡胶复合材料抗冲击性能的数值模拟研究

冲击会对实战条件下武器的安全性和可靠性带来影响,因此必须使用抗冲击材料来提高武器系统的安全性。随着武器装备的高速发展,传统的聚合物抗冲击材料已逐渐不能满足要求,因此需要开发兼顾高效、轻质、智能、多次防护、多功能的抗冲击防护材料。将剪切增稠液(STF)胶囊分散在硅橡胶中制备了新型抗冲击复合材料,应用LS-DYNA程序ALE算法对落锤冲击STF/硅橡胶复合材料的过程进行了动力学建模,通过数值模拟研究了复合材料的抗冲击性能,并讨论了冲击速度、STF液滴分布结构以及吸能液体对复合材料抗冲击性能的影响。

增幅冲击下钢筋混凝土板的抗冲击性能

钢筋混凝土板在服役期间可能承受落物多角度连续撞击等多次冲击荷载作用,钢筋混凝土板抵抗多次冲击的能力、多次冲击作用下钢筋混凝土板的性能演化和剩余性能评估等问题至关重要,其中,多次冲击的加载制度是研究钢筋混凝土板抗冲击性能的重点。为研究多次冲击下钢筋混凝土板的抗冲击性能,利用落锤和摆锤试验研究钢筋混凝土板在增幅冲击下的抗冲击性能,获得钢筋混凝土板在历次冲击过程中的冲击力时程曲线以及历次冲击后的整体变形和凹陷变形特征,分析钢筋混凝土板的吸能特性和累计损伤演化规律,研究钢筋混凝土板受冲击后的残余性能。结果表明:冲击角度对钢筋混凝土板的变形有显著影响,斜向冲击对钢筋混凝土板安全性能的影响更大;增幅冲击降低钢筋混凝土板的吸能能力,提高其破坏率,钢筋混凝土板的冲击响应相对于恒重重复冲击更加稳定。

核级截止阀抗冲击性能数值分析

为确保对核级截止阀的抗冲击性能进行全面而准确的评估,以核级截止阀为对象,分别采用动力学设计法(DDAM)和时域模拟法在频域和时域上对核级截止阀进行抗冲击计算分析。首先计算截止阀分别在纵向、垂向和横向三个方向上的频域和时域冲击载荷,然后对截止阀的抗冲击特性进行仿真计算,得到截止阀三个方向上的位移及应力分布。两种方法计算结果表明,截止阀的阀体两侧拐角部位是截止阀在冲击载荷下的薄弱部分。同时,截止阀对冲击载荷的响应与冲击加载方向有很大关系,截止阀响应的特性都以横向响应为主,要对横向抗冲击设计重点考虑。