碳纤维增强复合材料筋对“弱柱节点”抗震性能的影响研究

为研究“弱柱节点”内置碳纤维增强复合材料(CFRP)筋对节点抗震性能的影响,设计并开展不同CFRP筋配筋率的两组“弱柱节点”双向等幅低周往复荷载试验,研究此类节点的破坏类级及破坏形式方面的差异。试验结果表明:内置CFRP筋的配筋率是影响“弱柱节点”破坏程度的重要因素;“弱柱节点”内置CFRP筋时,CFRP筋配筋量越大,节点的承载力不一定越高,CFRP筋配筋率较低且采用小直径CFRP筋时,节点的承载力和变形性能均有所提高;“弱柱节点”内置CFRP筋,需要控制CFRP用量在合适的范围内,才能更好地改善和提高“弱柱节点”的抗震性能,实现结构纠错、容错,降低“弱柱”造成的结构抗震性能影响。

碳纤维增强复合材料筋海洋环境耐久性能研究进展

碳纤维增强复合材料(CFRP)筋作为新型结构工程材料,具有轻质、高强、耐腐蚀等优异性能,可有效替代钢筋,在海洋等腐蚀环境应用前景广阔。介绍了现阶段国内外围绕CFRP材料海洋环境耐久性的研究进展,详细整理分析了CFRP筋耐久性影响机理、耐久性预测模型、CFRP筋混凝土结构耐久性评价等方面可借鉴研究成果,对CFRP筋海洋环境的深入研究发展提出了建议。

改进型碳纤维增强复合材料筋复合式锚具的锚固性能

为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)筋锚具的结构形式及主要设计参数对锚固性能的影响,设计2个复合式锚具及3个改进型复合式锚具,并进行静载拉伸试验;通过对比分析不同锚具的极限荷载、金属筒测点应变以及锚具最后整体破坏形式,研究改进型CFRP筋复合式锚具的锚固性能。结果表明:在不施加预紧力前提下,改进型复合式锚具螺母纵向紧固力可以有效避免夹片滑移,黏结材料种类对锚固过程稳定性有一定影响,但并不影响最终锚固效果,筋材表面形式对锚具锚固性能影响较大;当金属筒厚度为3mm、黏结长度为250mm、夹片长度为100mm时,带肋CFRP筋为中间炸裂式破坏,充分发挥了CFRP筋的抗拉特性,表明改进型CFRP筋复合式锚有良好的锚固性能。

碳纤维增强复合材料筋材应力松弛性能的试验研究

为合理确定湖北十淅高速丹江口水库特大桥地锚桥台预应力碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)筋材的松弛损失,对不同应力比下所用CFRP筋材的应力松弛效应进行了试验研究。基于黏结式锚具和机械压接式锚具锚固的CFRP筋材试件的轴向拉伸试验结果,明确了不同锚固形式对CFRP筋材破坏形态的影响及CFRP筋材的材料性能;基于CFRP筋材试件1 000 h的应力松弛试验,获得了不同应力水平下CFRP筋材应力松弛的发展规律。结果表明:黏结式锚具锚固的轴拉试件发生了理想的筋材拉断爆裂破坏,但应力松弛试件在试验过程中应变变化较大;机械压接式锚具锚固的轴拉试件提前发生了CFRP筋材的层裂剥离破坏,但应力松弛试件在试验过程中应变变化较小,满足GB/T 21839—2019中应力松弛试验的相关要求。随着初始应力比的提高,CFRP筋材的应力松弛越大,初始应力比分别为0.53、0.63和0.82的试件1 000 h的松弛率分别为1.06%、1.65%和2.31%;CFRP筋材应力松弛的发展收敛较快且随初始应力的增加而更快趋于稳定,初始应力比为0.53、0.63和0.82的试件24 h的应力松弛量分别为1 000 h的45.3%、58.8%和59.7%,200 h的应力松弛量分别为1 000 h的78.3%、81.2%和82.7%;基于试验结果,建立了CFRP筋材应力松弛的预测模型,且具有较高预测精度,并预测了丹江口水库特大桥地锚桥台所用预应力CFRP筋材10年,30年、50年和100年的松弛率分别为1.91%、2.18%、2.32%和2.52%。

碳纤维增强复合材料黏结型锚固体系弯拉性能试验研究

为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)黏结型锚固体系的弯拉性能,对设计的锚固体系试件进行了10组轴向拉伸试验与12组弯拉试验。在锚固体系优化基础上研究了CFRP筋直径、弯曲半径改变下试件的极限承载力、破坏模式、锚固效率及CFRP筋荷载‒应变关系。结果表明,锚固体系的弯拉承载力折减量系数随CFRP筋弯曲半径的增大而减小,CFRP筋直径越大试件承载力折减量系数越大,并且CFRP筋横向约束有利于弯拉极限承载力的提高。此外,CFRP筋荷载‒应变曲线的非线性变化是试件失效前的典型特征。弯曲半径和CFRP筋直径的比值与锚固效率系数为线性关系,比值在2.4‰以下时试件的弯拉锚固效率系数小于80%,试件呈不均匀断裂和剪切的破坏形式。

玻璃与碳纤维混杂增强复合材料3D打印与实验

本研究基于热塑性材料熔融沉积成型工艺,研制了双喷头连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构增材制造平台,制备了不同混杂比的纤维增强热塑性复合材料结构试件,分析了不同结构试件的弯曲力学性能与失效模式,探索了嵌入碳纤维智能层的混杂纤维增强热塑性复合材料的力阻行为。结果表明:比较纯热塑性材料结构件,玻璃纤维增强复合材料结构件弯曲强度提高了115.99%,碳纤维增强复合材料结构件弯曲强度提高了198.76%;玻璃纤维与碳纤维混杂增强复合材料结构件具有负弯曲强度混杂效应和正弯曲模量混杂效应。可根据碳纤维电阻相对变化率对混杂增强复合材料结构的应变与断裂破坏状态进行实时自感知。研究结果为连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构件的高质高效制造与智能化提供了新工艺与新思路。

基于数据库的玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度计算方法

玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度试验主要研究弯折半径与直径之比对弯拉强度的影响,直线段抗拉强度对弯拉强度的影响研究较少。本文基于ACI 440.3R-12中B.5试验方法,开展3组(9个弯拉试件)不同直线段抗拉强度的玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度试验研究。3组试件直线段抗拉强度分别为530(A组)、850(B组)和1100 MPa(C组),弯折半径与箍筋直径之比均为3。试验结果表明:所有试件均发生玻璃纤维增强复合材料箍筋弯折段被拉断的破坏模式;A、B、C组试件弯拉强度分别为325、445和530 MPa。本文系统收集了国内外已有93个弯拉试件,并结合本文9个弯拉试件建立了玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度试验数据库。基于数据库统计分析,提出了保证率不小于95%的玻璃纤维增强复合材料箍筋弯拉强度计算方法。

BN粒子改性PVDF电纺纤维膜插层增强碳纤维/环氧树脂复合材料层间韧性

针对纤维增强复合材料层压板的分层失效问题,本文提出了一种氮化硼(BN)粒子改性聚偏氟乙烯(PVDF)电纺纤维膜以插层方式增强碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料层间断裂韧性的方法。通过超声处理将BN均匀分散于PVDF溶液中,利用静电纺丝方法制备了BN改性PVDF纤维膜(BN&PVDF),作为插层材料被引入碳纤维的层间,采用手工铺设-真空热压法制备BN&PVDF增强CF/EP复合材料层压板(BN&PVDF-CF/EP)。重点研究了BN粒子含量对改性PVDF电纺纤维膜增强CF/EP层间断裂韧性的影响及相关增韧机理。研究结果显示:当BN含量为3.2wt%时,BN&PVDF电纺纤维膜的增韧效果最好,相对于CF/EP,BN&PVDF-CF/EP的Ⅰ型层间断裂韧性提高了129.6%,Ⅱ型层间断裂韧性提高了160.6%;BN粒子引入后,提高了PVDF的拉伸强度和模量;SEM分析显示,BN粒子被部分镶嵌于PVDF纤维上,提高了PVDF纤维表面的粗糙度,增强了PVDF纤维与基体的界面相互作用,引起了更加复杂的增韧形式并提高了PVDF纤维的增韧效果。

含分层碳纤维增强复合材料损伤声发射定量表征

基于声发射技术,实现了含分层缺陷碳纤维复合材料的定量评价。采用三点弯曲加载对含近表面分层和中间位置分层缺陷的碳纤维增强复合材料试件进行实验测试,结合声发射技术对试件的损伤起裂/演化进行评价。结果表明,采用声发射信号的累计声能可以实现损伤的量化表征,含近表面分层缺陷的试件抗弯强度比含中间位置分层缺陷的试件低11.39%,累计声发射能量高6.1%;分层缺陷的存在不会改变试件损伤模式;含近表面分层缺陷的复合材料更易出现纤维断裂,且整体损伤较多。

碳纤维增强复合材料在建筑工程加固中的应用

碳纤维增强复合材料在建筑工程架构中的应用有非常显著的优势。通过本文分析可知,碳纤维增强复合材料在建筑工程加固中的应用需通过不断加强技术研发创新力度、完善材料应用技术标准规范、强化质量监督检测工作力度、注重加固效果的检验分析工作,为体现出这种加固材料的应用优势,提升建筑工程,加固施工质量水平提供支持。

碳纤维增强复合材料准静态电弧损伤的电-热耦合分析

为有效预测碳纤维增强复合材料(carbon fibre reinforced polymer,CFRP)层压板的雷击电弧附着响应,并探讨阳极试件材料对雷电电弧参数空间分布的影响,基于商业有限元分析软件ABAQUS,分析了CFRP层压板雷电流注入后的热-电-结构耦合,建立了CFRP层压板电弧附着损伤的三维有限元模型。模拟了复合材料层压板在雷电流作用下的冲击响应,进行了复合材料层压板雷击附着机理和作用模式的分析,并探讨了试件尺寸对电弧附着响应特性的影响。研究结果表明,当CFRP试件的长宽比接近1时,CFRP损伤区域往往集中在准静态电弧附着处,与其他长宽比相比,损伤面积较小,但损伤深度较深。

变温域纤维增强复合材料的损伤定位研究

纤维增强复合材料因其轻质高强、易成型和可设计性强等优异性能,成为众多工程结构用材首选,然而其结构易产生多种形式损伤,降低了材料的可靠性和安全性,故对复合材料进行实时健康监测及损伤定位研究具有重要意义。声发射(Acoustic emission,AE)技术可以有效地检测复合材料中的微小损伤,基于光纤光栅声发射监测系统不受电磁干扰,可在多点同时测量多个物理量,但实现高精度损伤定位仍需进一步研究。为此,构建了一种四通道温度自适应光纤布拉格光栅(Fiber Bragg gratings,FBG)声发射监测系统,可以快速追踪、及时反馈、实时监测FBG的中心波长变化,提高定位精度,在变温域内对碳纤维增强复合材料的损伤定位进行监测,研究结果表明,该系统平均损伤定位误差为12%。

刀具类型及工艺方法对纤维增强复合材料制孔加工质量影响的研究进展

概括总结了刀具类型及工艺方法对纤维增强复合材料(FRC)制孔加工质量影响的最新研究进展。首先介绍了FRC的分类、特性及其在航空航天领域中的应用,以及传统麻花钻制孔刀具及工艺存在的加工缺陷及问题;其次,概述了FRC制孔的分层缺陷形成及评价;再次,从制孔刀具类型及工艺方法两方面,分别概述了FRC制孔加工质量的研究进展,并总结了改善制孔加工质量的新刀具、新工艺和新方法;最后,分析总结了刀具类型及工艺方法对FRC制孔加工质量效果的影响,同时对未来发展趋势和未来工作研究可能方向进行了展望。

CO_(2)激光参数对去除碳纤维复合材料表面涂层的调控规律研究

激光除漆是近年来飞速发展的新型“绿色”除漆技术。针对目前化学处理、人工打磨等方式去除碳纤维增强复合材料(CFRP)表面涂层效率低以及对环境不友好等问题,开展CO_(2)激光去除CFRP表面涂层的调控规律和去除机理研究。重点研究了扫描次数、光斑重叠率、扫描速度和激光功率等参数对厚度约为100μm的涂层去除影响规律,并获得较为优化处理参数。结果表明,当光斑重叠率为95.75%、扫描速度为170 mm/s、激光功率为44 W时,扫描处理一次就可以有效地去除CFRP表面涂层,且对CFRP表层纤维的损伤程度最小。结果为深入研究去除CFRP表面不同厚度和种类的涂层提供参考。

碳纤维复合材料高效低碳加工综合实验设计

以碳纤维增强基复合材料(CFRP)为加工对象,设计了一种高效低碳钻削加工的综合实验项目。基于响应曲面法研究了机床主轴转速、进给速度和CFRP板材铺层顺序对CFRP构件加工质量的影响,建立了预测回归方程,最终得出最优孔口质量和最低功耗的工艺参数:最佳铺层顺序为[0°,90°,0°,90°],主轴转速在2000 r/min左右,进给速度设置在50 mm/min左右时功率最低;主轴转速在10000 r/min左右,进给速度设置在20 mm/min左右时分层因子最低。实验涉及新型材料加工、绿色加工和节能降碳等多个学科领域,能够增强学生的科研兴趣,提高实践动手能力和创新意识。

基于NSGA-Ⅲ算法的碳纤维复合材料螺旋铣孔切削参数多目标优化

碳纤维增强复合材料(CFRP)力学性能呈各向异性,层间强度低,为改善CFRP钻孔时中出现的缺陷,螺旋铣孔技术逐渐得到应用。为找到合适的切削参数使得CFRP各项加工性能均达到最优,对CFRP螺旋铣孔切削参数多目标优化方法进行研究。通过螺旋铣试验,测得不同切削参数下的切削力和孔径偏差;使用非线性拟合方法分别建立以径向切削力、轴向切削力、孔径偏差、切削效率为优化目标的多目标优化模型;采用第三代非支配遗传算法(NSGA-Ⅲ)进行多目标优化,获得帕累托最优解;基于主成分分析构建最优切削参数决策算法,完成切削参数解集优劣性能排序,获得满足不同加工性能的最优参数组合。结果显示:NSGA-Ⅲ算法与主成分分析方法的结合可使多目标优化取得良好的效果。

碳纤维增强复合筋材黏结型锚具试验及工程应用

为开展碳纤维增强复合筋材在桥梁工程中应用的可行性分析,采用试验方法对单根筋材锚固性能进行检验,并通过有限元法进行了锚具受力性能的模拟分析;此后应用相应锚具制备出大吨位试验索,对其极限承载力、黏结强度、持荷效应、锚具效率系数等参数取值情况进行了计算分析,同时将复合套筒形式锚具应用于桥梁进行实践。分析过程及结果可助推碳纤维增强复合筋材黏结型锚具在桥梁工程中的应用。

加工参数对T800碳纤维增强复合材料铣削质量的影响

增大层厚和增加牺牲层加工工序,是控制大型航空碳纤维复合材料构件形变和装配精度的重要手段,然而如何对其牺牲层进行大余量高效铣削的同时确保无撕裂分层损伤面临挑战。表面柔软的玻璃纤维保护层和内部坚硬的碳纤维复合材料牺牲层因二者的材料性能差异较大,在铣削加工过程中很难同时确保二者均无毛边和分层。为此以某大型航空构件使用的T800碳纤维增强复合材料侧面铣削为例,开展了加工参数对材料铣削质量的影响试验研究,通过分别对硬质合金玉米铣刀、金刚石涂层铣刀、碳纤维专用复合铣刀和双刃聚晶金刚石铣刀4种不同结构形式刀具的铣削力、铣削温度以及加工表面粗糙度进行试验研究,分析了不同加工参数对表面加工质量的影响。试验结果表明:加工表面毛边高度随主轴转速的增加有减小的趋势,随进给速度和径向切深的增加有增大的趋势;较高的铣削温度会引起不同方向的纤维断裂位置发生偏移,导致加工表面粗糙度增大;采用锋利的刃形和多微刃铣削方式,在确保内部碳纤维增强复合材料加工质量的前提下,能够显著改善加工表面的毛边现象,使用左右旋微刃结构的刀具可以使铣削过程更加稳定。

碳纤维增强热塑性复合材料螺旋铣磨制孔损伤研究

目的研究碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)螺旋铣磨制孔的切削温度和切削力的变化趋势,以及典型制孔损伤的特点,并分析切削温度的下降对制孔损伤的影响。方法采用螺旋铣磨的方法开展CFRTP的制孔试验研究,通过改变工艺参数研究切削温度、切削力的变化趋势,分析各类典型制孔损伤的特点、形成原因及随工艺参数的变化情况,并研究添加冷却辅助降低切削温度对抑制制孔损伤的效果。结果随着刀具自转转速、公转转速和螺距的升高,切削温度分别升高了约46.43%、12.06%和95.97%;切削力随着自转转速的升高而降低,随着公转转速和螺距的升高而增大。当螺距达到0.45mm时,轴向力会有所下降。入口损伤和出口损伤主要以毛刺为主,损伤会随着各工艺参数的升高而加剧,孔壁损伤主要表现为涂覆、变形、裂纹等3种形式。添加冷却辅助后,制孔质量得到显著提高,高温下的刀具涂覆问题基本解决。结论切削温度是影响CFRTP制孔质量的主要因素,切削温度的升高导致树脂基体软化,使得切屑形貌从粉末状转变为连续薄片状,进而对切削力产生影响,树脂软化对制孔损伤有着明显的影响。冷却辅助能够明显地降低切削温度,从而起到抑制损伤的作用。

表面浅裂纹损伤后碳纤维增强树脂复合材料层合板断裂强度研究

在实际服役环境下,碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)结构表面容易出现浅划痕损伤,如何评估损伤后CFRP结构的承载性能是关注的焦点。基于边界效应模型(BEM)研究了CFRP板出现表面浅裂纹后的断裂强度,提出了一种CFRP表面定量深度浅裂纹的预制方法,较准确地制备了包含表面浅裂纹的试件;完成了三点弯曲准静态成组试验,在金相显微镜下对裂尖损伤区的断裂特征进行观测,建立了裂纹尖端损伤区量化评价方法。研究结果表明:通过标定试验确定了试验机分别施加300,450,600 N的压力载荷后,CFRP层合板试件表面可形成平均深度约为0.10,0.14,0.18 mm的浅裂纹;完成了边裂纹试件的三点弯曲断裂试验,通过裂纹扩展观测和成组试验数据的拟合分析,确定了反映裂尖损伤区分布范围的参数β和断裂参数C的最优取值,分别为β=0.27,C=0.47,实现了CFRP表面微裂纹损伤后断裂强度的评价,并且拟合分析与直接拉伸试验的抗拉强度对比偏差为4.59%,验证了BEM模型的合理性;基于BEM模型,建立了CFRP层合板断裂强度预测的解析方程,以便于实际工程应用。