CFRP在汽车轻量化与安全中的应用进展

碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)具有比强度高、吸能性好等优点,在汽车结构安全及轻量化中的应用优势明显,前景广阔。本文综述了CFRP在汽车轻量化及安全性中应用的研究进展,从汽车车身、底盘以及配件等方面阐述了CFRP在汽车轻量化的应用,从安全性的角度分析了CFRP在汽车安全部件的优势,指出了制约CFRP应用的结构设计理论及异质连接工艺等难点,并展望了未来CFRP在汽车领域的应用前景。旨在拓展CFRP在汽车轻量化与安全中的应用范围,为其在汽车工业发展及轻量化中的广泛应用提供参考。

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。

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。

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。

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。

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.

CFRP-钢箱混凝土变截面新型跨座式轨道梁设计优化

为满足新型跨座式单轨系统需求,提出一种碳纤维复合材料(CFRP)-钢箱混凝土组合轨道梁形式。通过数值模拟试验,探究钢箱上室混凝土厚度对荷载作用下的钢箱混凝土轨道梁跨中顶面、底面、上室混凝土最大应力及竖向挠度的影响,得出钢箱上室混凝土的适宜厚度;在此基础上考虑运行维护阶段轨道梁抗弯性能需求,通过梁底粘贴预应力CFRP提高其抗弯性能,经分析得出钢箱混凝土变截面组合轨道梁跨中竖向挠度随梁底粘贴CFRP长度的变化趋势并给出CFRP-钢箱混凝土轨道梁的设计建议。研究结果表明:该CFRP-钢箱混凝土变截面新型跨座式单轨轨道梁抗弯性能良好,可满足实际工程需要。

湿热环境下外贴CFRP加固RC梁抗弯性能有限元分析

本文研究了湿热环境下外贴CFRP加固RC梁抗弯性能。首先,基于已有的FRP-混凝土界面双参数黏结滑移模型,引入湿度和温度对断裂能G_(f)、界面刚度B的影响系数,建立了湿热环境下界面黏结滑移模型。然后,利用该界面模型对一组湿热条件作用下的试验梁进行有限元数值模拟,将模拟结果与试验结果进行对比分析,验证模型的正确性。最后,使用已验证的有限元模型深入分析不同湿热条件下CFRP与混凝土的宽度比和CFRP的加固量等因素对钢筋混凝土加固梁抗弯性能的影响。结果表明:本文建立的CFRP-混凝土黏结滑移模型,可以有效地模拟湿热环境下的界面性能;湿热条件下的加固梁主要发生剥离破坏,且随着湿热环境恶化,加固梁受弯承载力和对应的挠度明显下降;湿热环境下,可以通过适当增加CFRP与混凝土的宽度比和CFRP的加固量提高加固梁的受弯承载力。

车用CFRP材料超声振动钻孔工艺优化及质量分析

为了提高难加工增强体碳纤维复合材料(CFRP)的钻孔加工性能,在螺旋铣加基础上增加了超声振动辅助。设计了不同工艺条件对CFRP超声振动螺旋铣孔实施测试,对比了各条件下CFRP超声辅助螺旋铣孔的切削力差异,测试了孔加工质量状态。研究结果表明:采用超声振动螺旋铣方法处理可以避免引起分层现象,保证同一部位纤维与树脂基体相互形成更紧密结构。综合工艺参数对切削力和切削温度的影响,确定一下参数范围是比较优秀的:主轴转速4000r/min,螺距0.15mm,切向进给量0.04mm。CFRP分层状态受到切削刃锋利性以及材料去除率的综合影响,调整工艺参数能够有效的控制材料去除量,对切削力和切削温度起到很好的调节效果,进而减小分层损伤。

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。

内置工字形CFRP的高强圆钢管高强混凝土纯弯构件抗弯刚度研究

目的研究内置工字形CFRP型材高强圆钢管高强混凝土纯弯构件的抗弯刚度,为该类构件的设计和工程应用提供参考。方法设计3个CHCFHST-CFRP构件,对其进行纯弯试验;应用ABAQUS有限元软件建立了纯弯构件数值模型,在数值模拟结果与试验结果吻合的基础上,分析各参数对构件抗弯刚度的影响;并且推导了适用于纯弯构件的抗弯刚度和挠度计算公式。结果试件均未出现断裂,钢管也未产生局部鼓曲,卸载后纯弯段有明显回弹;随着混凝土强度、钢管壁厚和型材尺寸的增长,构件抗弯刚度略有增长;与未配置CFRP型材的构件相比,配置CFRP型材后构件的抗弯刚度有了明显的增长。结论试件整体呈弯曲破坏模态,具有良好的变形能力,具有较强的耗能能力及刚度退化能力;利用笔者推导的公式得到的计算值与试验结果吻合较好,公式可用来计算此类构件的抗弯刚度与挠度。

体外预应力CFRP筋加固钢筋混凝土梁的理论与数值分析

随着服役时间的增长和车辆荷载的增加,老旧的钢筋混凝土桥梁面临承载力不足、变形超限等问题,采用体外预应力CFRP筋对其加固是一种有效的解决方法。采用有限元分析软件ABAQUS对某跨度24 m的铁路桥梁进行数值模拟与参数分析,其中,根据不同的CFRP预应力筋的直径(31 mm、43 mm、61 mm)和预应力大小(250 MPa、500 MPa、750 MPa、1000 MPa、1250 MPa),获得模型梁的开裂弯矩、梁底钢筋屈服弯矩以及梁开裂时的跨中变形。将《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)等现行规范的理论计算结果与数值模拟结果进行对比,发现两者吻合良好,误差在15%以内,从而验证了规范中钢筋混凝土梁开裂弯矩计算公式、正截面承载力计算公式以及跨中挠度计算公式对于体外预应力CFRP筋加固钢筋混凝土梁的适用性与准确性,为实际工程加固设计提供参考。

低预应力CFRP板加固RC梁模型试验研究

为研究低预应力CFRP加固RC梁的力学性能,设计进行了CFRP加固方法的对比模型梁试验。通过对直接粘贴、机械张拉粘贴锚固成为低应力CFRP板及粘贴加热伸长后回缩成为低预应力CFRP板这3种方法,将同规格的CFRP板粘贴在混凝土试验梁表面,通过分级加载试验,获得不同施工方法的CFRP板加固后开裂荷载、极限荷载、裂缝发展及荷载-挠度曲线等。试验结果表明:3种施工方法下进行机械张拉低预应力CFRP板加固对原梁抗剪承载力性能提高较大。在正常使用阶段,机械张拉低预应力CFRP板加固梁和加热张拉低预应力CFRP板加固梁出现斜裂缝的荷载等级高于直接粘贴CFRP加固梁出现斜裂缝的荷载等级。机械张拉低预应力CFRP板加固梁和加热张拉低预应力CFRP板加固梁产生的裂缝宽度小于直接粘贴CFRP板加固梁产生的裂缝宽度。相对最明显的是机械张拉低预应力CFRP板,裂缝一直维持在较低水平。粘贴锚固的低预应力CFRP加固方式操作相对简单,可应用于桥梁维修或拆除前临时加固工程等。

基于Abaqus的CFRP薄壁弹性杆卷绕应力仿真与研究

CFRP(Carbon-Fiber-Reinforced-Plastic)薄壁弹性杆可展机构当前在空间可展支撑机构领域应用广泛,关于其力学性能的研究和设计优化是当前研究的热点。本研究基于Abaqus有限元仿真软件,对厚度为0.8~0.9mm的CFRP薄壁弹性杆的收展过程进行了力学仿真模拟,得到了CFRP薄壁弹性杆在直径100mm的卷筒上达到指定弯曲状态时的应力分布结果,验证了CFRP薄壁弹性杆的强度并归纳总结了CFRP薄壁弹性杆弯曲时的应力分布规律。

CFRP-OFBG板加固损伤钢梁抗弯疲劳试验及其寿命预测研究

为研究采用碳纤维增强复合材料(CFRP)加固后钢梁的疲劳性能,采用自主研发的具有自监测性能的智能碳纤维-光纤光栅板(CFRP-OFBG板)加固受损钢梁,在完成常幅荷载四点弯曲疲劳试验的基础上,研究不同应力幅作用下CFRP-OFBG板加固钢梁的疲劳性能。借助有限元方法,建立“三维实体”有限元模型,结合J积分计算方法求解得到加固钢梁裂纹尖端的应力强度因子,基于线弹性断裂力学理论建立疲劳裂纹扩展模型,对CFRP-OFBG板加固钢梁的疲劳裂纹扩展寿命进行预测。研究表明:CFRP-OFBG板的加固作用可有效提高受损钢梁的疲劳寿命,延缓裂纹扩展速率,改善裂纹尖端的受力状态,降低裂纹尖端的应力强度因子;在循环荷载作用下,CFRP-OFBG板加固试件的疲劳寿命均随着应力幅的增大呈现递减趋势。将试验结果与预测结果相比较,发现加固试件疲劳寿命预测值比试验值略高,分析认为,这主要是因为在有限元模拟时没有考虑到试验中CFRP-OFBG板的局部剥离。

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.

基于Lamb波和改进贝叶斯融合算法的CFRP边缘分层损伤分析

贝叶斯融合法在CFRP上的损伤定位分析结果比较好,但在传感器网络边缘区域会出现比较明显的定位误差。为解决原有算法对传感器网络边缘的分层损伤定位不精确的问题,分析了两种不同损伤因子构成的贝叶斯融合算法在CFRP上的损伤定位效果,验证了以ToF损伤因子形成的贝叶斯融合算法对CFRP损伤定位的可行性,以及贝叶斯融合算法对边缘分层损伤的定位精度;在以损伤因子DI所形成概率成像算法的基础上,以衰减更快的指数权重代替线性权重,将改进的概率成像算法重新代入以贝叶斯为框架的算法中形成一种新的贝叶斯融合算法。结果表明,与现有的融合重构算法相比,改进的融合重构算法至少将损伤定位精度误差减少了58%,定位误差不大于5 mm。

CFRP板纵向加固RC柱在水平低周循环荷载下的力学性能研究与应用

开发了一种纵向粘贴CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer,碳纤维增强复合材料)板的RC(Reinforced Concrete,钢筋混凝土)柱抗弯加固系统,该加固系统由纵向粘贴在柱表面的预制CFRP板和防止柱底CFRP板脱粘的混凝土加厚层组成.为研究纵向粘贴CFRP板对RC柱的抗弯性能影响,设计并开展了5根足尺矩形RC柱的水平低周循环加载试验.研究结果表明:粘贴CFRP板加固能有效延缓柱的开裂;柱的破坏模式得到明显改善;相较于未加固柱子,粘贴1层CFRP板和2层CFRP板加固的RC柱极限承载力分别提高了15.1%和17.4%;加固后柱的抗弯承载力和刚度得到提高,但增加CFRP板的层数对极限强度和刚度没有显著影响,反而会降低柱的延性,相较于仅采用增大柱底截面的方式加固的对照柱,粘贴1层CFRP板和2层CFRP板加固的试验柱的延性系数分别降低16.2%和35.1%;试验过程中,由于柱与基础节点承载力的限制,CFRP的最大应变仅达到极限应变的24%,抗拉强度未得到充分发挥.该加固方法已在某医院加固工程中得到应用,跟踪研究表明,加固后柱子的抗弯承载力有明显提升,加固方法得到工程业界的认可.

超声振动辅助磨削CFRP复合材料薄管撕裂损伤研究

针对碳纤维增强复合材料(CFRP)薄管超声振动辅助磨削过程中存在撕裂损伤且形成原因不明确的问题,通过对M55J和T300复合材料薄管开展超声振动辅助磨削试验,探究了超声振幅、进给量及主轴转速对磨削力和撕裂尺寸的影响规律,通过对磨削过程的受力分析和对最大未变形切屑厚度的计算,分析了撕裂位置的形成原因和撕裂尺寸的变化规律。结果表明:磨削力随超声振幅的增大而减小,随进给量的增大而增大,与主轴转速的关联性较小;撕裂易出现于CFRP薄管内壁,其长度与高度随超声振幅的增大而减小,随进给量的增大而增大,随主轴转速的增大而减小。

CFRP-PCPs复合筋加固钢-混组合梁负弯矩区抗裂试验与理论计算

为解决钢-混组合梁负弯矩区混凝土板易开裂而造成刚度减弱的行业难题,以预制的CFRP-PCPs(carbon fibre reinforced polymer-prestressed concrete prisms)复合筋作为中支座的腹筋,并以复合筋的数量、预应力张拉水平和截面尺寸为主要参数设计制作了五根复合筋钢-混组合连续梁和一根普通组合连续梁,研究其在单跨单点荷载下负弯矩区的抗裂性能。结果表明:复合筋能显著增强中支座截面刚度,对负弯矩区的裂缝控制能力提升显著;与普通组合梁相比,复合筋梁的开裂荷载提高近30%,裂缝数量与裂缝宽度减少近50%;复合筋面积是提高裂缝控制能力的主要因素,预应力水平和截面尺寸对开裂荷载的影响较弱;复合筋的开裂荷载与预应力水平、面积正相关,其中预应力水平是影响复合筋效用时长的关键因素。基于现有理论和试验数据,本文提出CFRP-PCPs复合筋钢-混组合梁负弯矩区开裂荷载和复合筋的开裂荷载计算公式,计算结果与试验值较为吻合,可为复合筋在钢-混组合梁桥实际工程中应用提供参考。