激光功率对激光加工CFRPs热损伤影响研究

激光加工通过迅速升温实现材料去除,能够克服传统碳纤维增强复合材料(CFRPs)加工过程中出现的热损伤而导致的加工质量问题,成为了CFRPs精密加工的先进技术。为探究激光功率对CFRPs切割过程的影响机理,针对CFRPs激光切割过程,建立了综合考虑激光功率分布特性、材料相变烧蚀特性、材料各向异性和空气对流的三维介观耦合模型,应用COMSOL5.6进行了数值模拟。模拟结果表明,环氧树脂的烧蚀量随时间的变化呈三次函数关系,碳纤维的烧蚀量呈一次函数关系,且环氧树脂的去除速率高于碳纤维去除速率。此外,热影响区(HAZ)宽度随激光功率增大而增大,随时间变化呈三次函数关系。

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。

侧向冲击荷载作用下CFRP型材-方钢管混凝土柱的动力响应

为了研究CFRP型材-方钢管混凝土固简柱的抗侧向冲击性能,采用水平撞击装置对3个CFRP型材-方钢管混凝土柱进行侧向冲击试验.根据柱的破坏模式、局部变形、整体变形及冲击力分析柱的动力响应,研究了CFRP型材、边界条件、冲击能量与冲击冲量对试件动力响应的影响规律.结果表明,CFRP型材-方钢管混凝土固简柱呈现弯曲破坏,具有良好的抗冲击性能,且随着支座约束能力的增大,抗侧向冲击性能增大.增加单位冲击冲量可使悬臂试件的峰值位移下降7%,而两端固支试件峰值位移仅变化1%.随着支座约束能力的下降,冲击冲量对试件变形的影响程度增大.在钢管混凝土固简试件中内置CFRP型材可使冲击位置处峰值位移下降9%,且降低程度随着支座约束能力的下降而增加.

内置工字型CFRP型材高强圆钢管高强混凝土轴压短柱组合效应分析

目的 研究内置工字型CFRP型材的高强圆钢管高强混凝土短柱在轴心压力作用下三种材料的组合效应。方法 采用有限元分析软件ABAQUS对其进行数值模拟,通过相关试验验证模型的准确性,并对典型构件的破坏形态、受力全过程曲线进行分析,揭示构件各组成部分之间的相互作用和工作机理,评估CFRP配置率、钢材屈服强度、混凝土抗压强度、约束效应系数对组合效应的影响。结果 在高强圆钢管高强混凝土柱中内置CFRP型材,对构件的延性及安全裕度有显著提高,并改善了高强圆钢管对高强混凝土的约束,提高了构件的组合效应。结论 CFRP配置率控制在5.9%~8.4%,约束效应系数在1.2~1.4,钢材屈服强度不大于770 MPa时,构件中三种材料组合效应最佳。

CFRP布加固RC柱细观力学分析模型及抗扭分析

为了探究配纤率、截面形状、截面尺寸、轴压比对碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)加固钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)柱抗扭性能的影响,采用了可以同时考虑混凝土材料非均质性、钢筋与混凝土间黏结-滑移关系、CFRP布与混凝土间界面关系的细观力学分析方法。首先,建立了用于CFRP布加固RC柱抗扭性能分析的三维数值模型;进而,将基于该模型的数值模拟结果与试验结果对比,验证了模型中加载方式、外贴CFRP布方法的合理性及材料参数的准确性;最后,基于建立的细观力学分析模型,探讨了配纤率、截面形状、截面尺寸、轴压比对扭转作用下CFRP布加固RC柱破坏模式和力学性能的影响机制。分析结果表明:CFRP布加固RC柱抗扭承载力随配纤率增大而提高,但提高幅度随配纤率增大而降低;受到围压分布的影响,圆形截面的有效约束面积大于方形截面,使得CFRP布对圆柱的约束效果好于方柱;CFRP布加固RC柱的名义扭转强度存在尺寸效应;轴压比的增大使其抗扭承载力先增大后减小,在轴压比为0.4时达到最大值。进一步,采用叠加规范公式方法提出了FRP布加固RC构件抗扭承载力计算公式,与数值模拟结果对比发现,该公式可给出安全储备冗余度30.2%的设计值,可初步用于CFRP布加固RC柱抗扭承载力的安全设计。

弯-剪-扭复合受力CFRP布加固RC梁抗扭性能细观数值分析

为了研究弯-剪-扭复合受力条件下碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)布加固钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)梁的抗扭性能,建立体现混凝土材料非均质性、钢筋-混凝土黏结滑移关系和CFRP布-混凝土相互作用关系的细观数值分析模型。由于缺乏CFRP布加固RC梁在弯-剪-扭复合受力作用下失效破坏的典型物理试验,采用复合对比验证法对数值模型的合理性进行验证,即分别与单独受剪、单独受扭以及受弯-扭复合作用下RC梁和CFRP布加固RC梁的试验结果进行对比验证。进而,基于建立的细观数值分析模型探究了配纤率和扭弯比对CFRP布加固RC梁在弯-剪-扭复合受力作用下抗扭力学性能的影响。结果表明:1)采用CFRP布加固能够显著提高RC梁的峰值扭矩;2)随配纤率增加,RC梁损伤分布范围逐渐变大,CFRP布应变逐渐减小,梁整体峰值扭矩增大,但其增大幅度减小;3)随扭弯比增加,RC梁裂缝分布愈加集中,裂缝与水平方向夹角逐渐减小,梁整体峰值扭矩增大,CFRP布应变减小。建立的考虑弯-剪-扭复合受力作用的数值模拟方法可为后续研究复杂应力状态下CFRP布加固RC梁尺寸效应行为等奠定基础。

飞秒激光表面织构化对CFRP/2060铝锂合金高速激光连接接头剪切性能的影响

激光表面织构化作为提高异质结构接头剪切性能的有效手段,已广泛应用于碳纤维增强复合材料(CFRP)与金属材料激光连接领域中。采用波长515 nm的飞秒激光在2060铝锂合金表面制备微结构,采用能量密度分布均匀的矩形光斑实现CFRP和2060铝锂合金异质接头的高速光纤激光连接,探讨飞秒激光刻蚀深度、扫描线间距对异质结构接头剪切强度的影响规律。结果表明,通过飞秒激光织构化处理,异质接头剪切强度得到了大幅提升,接头破坏形式均为界面断裂和基体断裂的混合断裂模式。在激光功率5 kW、焊接速度高达3.6 m/min条件下,接头平均剪切强度可达35.7 MPa,是未经飞秒激光织构化接头的2.3倍。

小当量近场爆炸冲击下CFRP层合板失效机理及吸能特性

为研究碳纤维增强环氧树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)在小当量近场爆炸冲击下的失效机理及吸能特性,对CFRP层合板分别开展了自由场爆炸试验和扫描电镜试验。同时,建立采用3D Hashin失效准则的复合材料层合板损伤模型,针对近场爆炸冲击下CFRP层合板的动响应行为进行了数值模拟,结合试验结果分析了CFRP层合板在近场爆炸冲击下的失效机理及吸能特性。结果表明:CFRP层合板迎爆面与背爆面失效模式存在差异,层合板迎爆面受到冲击波直接作用,出现基体开裂、纤维断裂或中心穿孔失效,分层出现在纤维⁃基体界面;背爆面由于反射拉伸波的作用,出现大面积的分层失效与裂片飞出,分层出现在基体内部。在层合板动响应过程中,高应力区域集中在穿孔区域边界,沿纤维方向分布,0°与90°铺层的应力水平高于±45°铺层。与迎爆面相比,背爆面处的层合板吸收转化大部分能量,约占总吸能的52%~56%。

基于断裂力学的横隔板弧形切口CFRP加固参数研究

横隔板弧形切口疲劳开裂为正交异性钢桥面板的主要疲劳病害之一。为研究该部位的疲劳性能,分析碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)参数对加固效果的影响,首先,建立钢梁节段模型,在弧形切口应力幅最大处引入初始裂纹,基于断裂力学理论得到疲劳荷载作用下横隔板弧形切口处的开裂模式及疲劳寿命;然后,建立CFRP板加固模型,改变各加固参数,对比不同初始裂纹条件下裂纹扩展过程中的应力强度因子变化规律,探究CFRP板长度、宽度、厚度、弹性模量以及胶层剪切模量等参数对加固效果的影响;最后,给出推荐加固参数组合。研究结果表明:横隔板弧形切口处疲劳裂纹为I型裂纹,疲劳寿命约为576.42万次;CFRP板加固能有效降低裂纹尖端应力强度因子幅值,但是CFRP板长度与宽度存在加固的临界尺寸,当尺寸大于这一临界值时,其对加固效果影响极小;CFRP板厚度、胶层剪切模量对加固效果的影响随参数增大而逐渐减弱;采用长×宽×厚为45.0 mm×30.0 mm×2.0 mm、弹性模量为460 GPa的CFRP板进行加固后,裂纹将不再扩展,疲劳寿命显著提高。

内置CFRP管的钢管再生混凝土短柱轴压性能研究

目的研究不同截面形式下,内置CFRP管的钢管再生混凝土短柱力学性能。方法利用有限元软件建立试件模型,验证模型的正确性,在此基础上,建立组合短柱模型,分析CFRP层数、钢管厚度、再生骨料取代率对不同截面形式下组合柱力学性能的影响。结果增加CFRP层数和钢管厚度可以提高组合短柱的极限承载力和位移延性系数;改变再生骨料取代率,对组合短柱力学性能的影响较小;改变截面形式,圆截面短柱的力学性能优于方截面短柱。结论在工程设计中,使用该组合短柱时建议组合柱内置两层CFRP,截面形式建议优先考虑圆截面;若需提高组合柱承载力,建议采用增加钢管厚度的方式。

既有RC变截面柱加固前后的力学性能

针对变截面柱加层改造处存在的外力损伤、混凝土强度变低等问题,采用增大截面法、CFRP包裹法及粘钢加固法对构件进行加固并分析其受力性能。结果表明:增大截面法、CFRP加固法及粘钢加固法使原构件轴压承载力分别提升了113%、128%、112%,使侧压承载力分别提升了105%和192%及154%,但在周期荷载作用下粘钢加固法具有较大优势;增大截面法适用于提升变截面柱轴压承载力,CFRP加固适用于提升侧压承载力及轴压承载力,但两者均不适用于提升变截面柱抗震能力。而粘钢加固法相较于前两种方法均具有普适性。

预应力CFRP平板式锚具优化设计与应用

针对平板式锚具存在需在混凝土表面开槽、有效行程短、不可重复利用等问题,开展了平板式锚具优化设计与应用研究,提出了一种无须在结构基面设置扣槽,占用空间小、碳纤维增强材料(CFRP)板有效利用长度更长,轻质高强、可重复利用的预应力CFRP平板式锚具。有限元分析表明:在计算荷载作用下,锚具性能满足预应力CFRP加固需要,锚固支座、锚板和锚栓最大应力值分别为133、76、94 MPa,总体应力分布均匀,均小于其屈服强度,最大变形值为0.056、0.024、0.028 mm,保证锚具不先于结构破坏。随着锚栓直径与锚板厚度增大,锚具内部应力与变形均有所改善,其中锚栓直径变化对锚栓与锚板接触部分受力影响较大;锚板厚度对混凝土表面与锚栓接触部分受力影响较大,故建议锚栓直径为18 mm,锚板厚度为20 mm。实际工程应用表明该锚具使用效果良好。

不同再生混凝土取代率与CFRP布层数高强方钢管再生混凝土柱轴压性能

通过轴压试验和有限元数值模拟试验研究了在轴向荷载作用下,再生混凝土取代率、CFRP布层数对CFRP约束高强方钢管再生混凝土柱轴压性能的影响.结果表明:试件的峰值承载力和初始刚度会随着CFRP布层数的增加而提高,试件的延性则会随着CFRP布层数的增加而下降,且增加CFRP布层数可使试件中部环向变形的发展延后,进而可有效提升其轴压性能;提高再生混凝土取代率会降低试件的峰值承载力、初始刚度及延性,但其破坏形态与无取代试件类似.研究结果可为类似组合柱轴压性能的评价提供参考.

新型CFRP索股锚固体系设计及试验研究

为改善CFRP索股锚固体系的锚固性能及CFRP索股受力不均问题,研制了锚具内壁面带凹槽的CFRP索股锚固体系,对其进行了试验测试,分析了锚固体系破坏模式、荷载-位移、锚固效率、CFRP索股应变变化规律,通过应力变异系数评估了锚具内壁面凹槽设置和预张拉对CFRP索股应力不均匀改善的效果。研究结果表明,锚具内壁面设置凹槽和对CFRP索股进行预张拉能够提高锚固体系的锚固效率,锚固效率可达99%以上;试验观察到CFRP索股存在受力不均现象,引起CFRP索股受力不均的原因主要与CFRP索股长度不一致和粘结介质的剪切变形相关;通过在锚具内壁面设置凹槽和对CFRP索股进行预张拉能够改善锚固体系CFRP索股的应力不均程度,锚具内壁面凹槽深度为2 mm、间距为5 mm,预紧力为10%名义极限荷载时,锚固体系在自由段中点和加载端处的平均应力变异系数分别降低了7.16%、3.86%。

界面缺陷对CFRP加固钢筋混凝土梁抗弯性能的影响研究

为研究界面缺陷对CFRP加固钢筋混凝土梁抗弯性能的影响,制作了3根钢筋混凝土梁对比试件,并进行了四点弯曲试验。同时,采用ABAQUS分析软件建立了非线性有限元模型,并进行了数值模拟分析。结果表明:当存在多个不连续缺陷时,试件上的CFRP提前发生剥离,剥离荷载下降了20.77%,导致试件的破坏模式发生改变,虽然极限荷载仅降低2.46%,但挠度降幅高达15.37%,延性下降显著;界面缺陷附近易产生应力集中,促使多裂缝均衡发展,导致裂缝间距减小;界面缺陷影响CFRP剥离起始发生位置,更易引起CFRP沿试件宽度方向贯穿剥离。

常泰长江大桥主航道桥纵向约束索CFRP筋材及成品索试制试验研究

常泰长江大桥主航道桥为主跨1208 m的公铁两用双塔钢桁梁斜拉桥,采用温度自适应塔梁约束体系实现对温度的完全自适应,该体系采用CFRP索作为纵向约束索。CFRP索采用127-∅7 mm扭绞型热挤聚乙烯平行CFRP筋材成品索。为保证CFRP索的质量,首先在工业化生产线上进行CFRP筋材试制及静载拉伸试验,然后在CFRP筋材试制基础上,进行CFRP成品索的试制及静载拉伸试验研究。结果表明:CFRP筋材试拉伸的强度为3099~3886 MPa,拉伸弹性模量为181~201 GPa;CFRP成品索加载至大于100%公称破断索力时,索体内的CFRP筋材未出现开裂、损伤、断丝等现象,锚固体(锚具及铸体)未见异常,拉伸弹性模量大于160 GPa,试验结果均满足相关要求。

编织碳纤维复合材料加强铝合金帽型薄壁梁动态弯曲特性研究

金属/复合材料混合薄壁结构可同时满足汽车车身抗撞性和轻量化的要求。旨在对比研究不同纤维铺层方式铝/碳纤维复合材料(Aluminum/Carbon Fibre Reinforced Plastic,Al/CFRP)混合帽型薄壁梁的动态弯曲特性。通过三点弯曲试验比较分析各试件的弯曲失效行为与耐撞性能,结合试验结果建立有限元模型且验证其准确性,并进一步分析压头尺寸、压头形状和冲击位置对混合梁弯曲性能的影响。结果表明,铺层角度较铺层顺序对试件弯曲性能影响更大,压头尺寸越大、压头形状越相对扁平或冲击位置越远离中间时可获得较好的耐撞特性。研究所用方法与所得结论可为类似抗弯结构耐撞性设计提供参考。

极端湿热环境对CFRP/钢界面性能的影响

为掌握极端湿热环境下CFRP/钢界面性能的退化机理,用Sika-30胶黏剂制作了12个CFRP/钢双搭接试件,并在70℃的模拟海水中浸泡不同时间后进行拉伸剪切试验.结果表明:CFRP/钢双搭接试件的破坏模式受浸泡时长的影响较小;CFRP/钢界面平均抗剪强度随浸泡时长呈先上升后下降趋势;浸泡90 d后,CFRP/钢界面平均抗剪强度较未浸泡试件下降了35.6%.

盐蚀/冻融环境下环氧树脂结构胶强度降解机理

为探究盐蚀/冻融循环作用对环氧树脂胶黏剂材料的拉伸、剪切性能的影响,分别开展了40个胶黏剂和40个单搭接接头的盐蚀/冻融循环试验和力学性能试验,分析其力学性能随环境作用时间的变化规律.研究表明,随环境作用时间增加,所有胶黏剂试件失效模式未发生变化,而单搭接接头由内聚破坏和界面脱黏的混合失效模式变为界面脱黏失效模式.胶黏剂试件的拉伸强度总体呈现下降趋势,210次盐蚀/冻融循环后降低了9.2%.水分在单搭接接头界面的扩散速率远大于胶黏剂试件,导致了单搭接接头剪切强度相对于胶黏剂拉伸强度下降更为显著,210次盐蚀/冻融循环后剪切强度降低了60.9%.此外,盐蚀/冻融循环2160次后,胶黏剂拉伸强度保留率约为31.1%,而单搭接接头已失效.

新型CFRP网格-重组竹复合板力学试验研究

为提高重组竹的力学性能并减轻其各向异性缺陷,设计了一种新型CFRP网格-重组竹复合板(CBCP).分别对8组CBCP拉伸试样和18组CBCP拉拔试样进行单轴拉伸试验和拉拔试验,以分析其力学行为并评估复合方法的影响.选择3个相似的构成模型对拉拔试样的黏结应力-滑移曲线进行拟合,根据试验结果确定CFRP网格和重组竹的临界锚固长度及计算方法,并分析讨论了CFRP层数、横向CFRP束特性和锚固长度对CFRP网格与重组竹黏结性能的影响.结果表明,复合CFRP网格可使重组竹的顺纹和横纹抗拉强度分别提高35.77%和135.20%,从而改善了重组竹的各向异性缺陷.增加网格层数和间距可提高CBCP的拉伸性能.随着锚固长度的增加,平均界面黏结强度呈幂函数递减,而峰值载荷滑移则线性递减.