以水压试验分析纤维缠绕角度对GFRP管力学性能的影响

基于海洋环境中长期受压的钢筋混凝土桥梁墩柱易发生开裂和锈蚀的特点,工程中越来越多地应用纤维增强复合材料(FRP)对桥梁墩柱进行加固处理。实践表明FRP纤维缠绕角度的大小对其能起到的加固效果存在一定的差异。为更好地探究纤维缠绕角度与力学性能的关系,对45°、60°和80°三组不同缠绕角度的玻璃纤维复合材料(GFRP)圆管进行水压加载试验,通过收集应力-应变数据计算不同角度下GFRP圆管的环向弹性模量。结果表明:随着纤维缠绕角度的增大,GFRP管的环向弹性模量由8.85 GPa提高到38.16 GPa,对钢筋混凝土墩柱的加固效果更好。

纤维缠绕角度对复材缠绕管的轴向抗压性能影响分析

在对海洋环境下新型复合材料约束混凝土构件的研究和应用中,不同纤维缠绕角对复材缠绕管轴向压缩性能的影响不可忽视,为此在实验室中分别对纤维缠绕角为45°、60°和80°的玻璃纤维复合材料管开展了轴向压缩试验,分析了三种不同纤维缠绕角度对其轴向压缩性能的影响。结果表明:通过采用一种实用新型简易的试验装置,能够精确测量复材管的轴向受压性能:随着纤维缠绕角的变小,复材管的轴向压缩弹性模量从9.64 GPa提高到13.07 GPa,泊松比从0.13提高到0.74。

纤维缠绕角度对FRP管约束混凝土组合柱力学性能影响

为研究不同纤维缠绕角度对FRP管约束混凝土组合柱的协同工作性能,通过参考已有文献数据,分析不同纤维缠绕角度、壁厚对FRP管约束混凝土组合柱抗压强度、承载力和延性影响规律。结果表明:随着FRP管纤维缠绕角度和壁厚的增大,组合柱承载力、延性、抗压强度增大。基于已有试验,拟合出强度计算公式,与已有的试验结果吻合较好,可为FRP管约束混凝土组合柱的实际工程应用提供参考。

纤维缠绕角度对CFRP-Al混合圆管横向受载性能影响

基于准静态横向弯曲试验对缠绕工艺下制备的CFRP/Al混合圆管进行抗弯性能和吸能特性研究,分析了混合圆管的破坏模式,基于不同纤维缠绕角度的碳纤维复合材料-铝合金混合圆管三点弯曲试验结果,通过有限元仿真方法研究了内层纤维缠绕角度对其横向抗弯与吸能特性的影响。试验结果表明,CFRP-Al混合圆管横向载荷下的失效形式、损伤模式与纯铝管基本保持一致,但受纤维缠绕角度的影响失效形貌略有差异。纤维缠绕角度越小,CFRP-Al混合圆管的抗弯性能和吸能性越好,同时压溃效率(CFE)明显降低。基于验证的有限元模型,研究不同角度纤维缠绕内层对于表层纤维层的应力传递影响,小角度缠绕内层对于管件的轴向拉伸变形抑制增加了管件整体峰值载荷与吸能作用,大角度缠绕内层对于管件环向刚度的提升增加了整体压溃效率。依此分析可为合理设计CFRP-Al混合管提供有效依据。

CFRP缠绕周向内波纹耐压壳铺层优化设计

[目的]为顺应深海潜航器耐压壳结构轻量化、高强度的发展趋势,提出碳纤维复合材料(CFRP)缠绕铝合金周向内波纹耐压壳的结构增强方法,并对其CFRP铺层方式进行优化设计分析。[方法]利用ABAQUS有限元仿真软件,通过改变CFRP铺层参数,根据复合材料层的层间应力分布情况,探究14层CFRP铺层下最佳缠绕角度,进而获得最佳铺层方式。并结合相关强度失效准则,对其强度进行校核。[结果]研究结果表明:CFRP增强周向内波纹耐压壳最优缠绕角度为40°,在铺层方式为(±40°2/±55°2/±70°2/90°2)时,层间应力分布较为均匀。该结构的强度满足实际使用需求,且其质量更轻。[结论]该结构可减轻深海耐压壳整体质量,推动深海耐压壳设计向轻量化方向发展。

海洋纤维增强柔性管压溃失效特性研究及参数敏感性分析

以一种黏结型的纤维增强柔性管作为研究对象,基于ABAQUS建立纤维增强柔性管的实体单元模型。根据二维Hashin失效判据判断柔性管失效情况,充分考虑管道内外护套层塑性及纤维增强层复合材料渐进失效,建立纤维增强柔性管的压溃数值模型。将特征值法与弧长法相结合,计算得到了较为精准的纤维增强柔性管临界压溃压力及对应的外压—椭圆度曲线;并对影响柔性管临界压溃压力的几个敏感性参数如椭圆度、纤维缠绕角度、直线度进行分析。研究结果表明椭圆度和直线度偏差的增大及纤维缠绕角度的降低均会使柔性管的临界压溃压力下降,该结果对纤维增强柔性管的设计与使用均具有一定的参考意义。

锥形压力容器变角度缠绕设计研究

复合材料压力容器两端极孔大小常因不同型号产品要求而不同,而这常常导致在缠绕设计中,容器两端缠绕角不同,在此需要进行变角度缠绕设计。基于CADWind软件对锥形结构压力容器变角度缠绕设计进行了探索研究,由软件模拟得到大端缠绕角为45.3°,小端缠绕角为31.9°,结合实际对部分参数进行微调,可以实现纤维的稳定缠绕及全覆盖。

复合材料回转壳体纤维缠绕角度设计及试验验证

随着碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic, CFRP)及其制造工艺的发展,可设计性较强的CFRP产品用来替代金属结构以实现轻量化设计,受到更多设计者的关注.以CFRP回转壳体为研究对象,基于ABAQUS建立CFRP回转壳体有限元分析模型,探讨缠绕角度对结构力学性能的影响,并设计了两种纤维缠绕方案.通过拉伸性能分析、压缩性能分析以及加速度过载性能分析对设计结构进行强度校核,最终确定以[90°/(90°/±20°/±45°)2/90°/±20°/90°/±45°/90°]s为成型方案.采用干法缠绕工艺对该方案的CFRP回转壳体进行制作,通过试验法进行对比验证.结果表明:纤维缠绕角度为0时,CFRP回转壳体抗压性能最优;抗拉强度/模量偏差率为24.23%/18.71%,抗压强度/模量偏差率为9.56%/18.62%,过载强度模量偏差率为3.22%/2.72%,验证了有限元模型具备一定的准确性;根据安全系数计算可知,该纤维缠绕设计方案能够达到技术性能指标要求.

GFRP用量及缠绕方式影响约束素混凝土柱体的研究

为研究玻璃纤维增强复合材料(GFRP)约束素混凝土柱体的力学性能,进行了6组试件轴心的受压试验,主要从GFRP用量、缠绕方式和角度方面考察了GFRP布对约束素混凝土柱体力学性能的影响。试验结果表明,螺旋缠绕试件承载力和延性均有较大提高;采用螺旋与全包约束相结合可以较大提高GFRP布的利用效率;±15°交叉螺旋缠绕的素混凝土柱比6°螺旋缠绕的素混凝土柱表现出更强的承受轴压的能力,但极限应变稍低;剪切裂缝经常发生在试件的45°处;GFRP布在轴向和环向可提供有效的变形和强度,可部分替代混凝土柱中的钢筋。

纤维缠绕复合材料方管设计研究

作为典型非轴对称回转体构件,复合材料方管在缠绕过程中要求满足稳定缠绕和均匀布满两个工艺条件。基于解析几何,分析方管缠绕丝嘴与芯模的空间关系,推导丝嘴运动轨迹方程,提出基于不滑线理论的方管小角度测地线缠绕设计方法;建立方管测地线周期缠绕理论,分析从不同起始点缠绕的实际误差;设计方管缠绕线型,并应用于实际缠绕,得到其小角度缠绕的一般绕线方程。结果表明,本文提出的方管小角度测地线缠绕理论正确,线型设计方法可靠,得到的丝嘴运动方程合理、精确,能很好地满足复合材料方管缠绕的基本原理和工艺要求。

纤维缠绕GFRP管约束混凝土的轴压性能与设计模型

设计制作了18组54个纤维缠绕玻璃纤维增强复合材料(GFRP)管约束混凝土圆柱试件,参数包括纤维层数(6、10)、纤维角度(±45°、±60°、±80°)、长细比(2、4)和受压截面(全截面、核心混凝土),基于轴心受压试验结果,提出了依据纤维角度的面向设计的峰值应力预测模型。研究结果表明:GFRP管可有效提高约束试件的强度和延性。试件的峰值强度随着纤维角度和层数的增大而增大,长细比大的试件峰值强度的提升幅度更大,全截面受压会对约束试件的环向性能造成不利的影响。约束模式主要由纤维角度决定,其中±60°和±80°角度的试件为强约束,呈脆性破坏,±45°角度的试件为弱约束,呈延性破坏。通过研究峰值强度与有效约束强度之间的数学关系,所得到的面向设计的简化模型,对于求解不同纤维角度试件的峰值强度具有足够的精度,可为相关的工程实际应用提供参考。

纤维缠绕复合管材短期爆破压力理论分析

根据一定的假设和简化构建了理论爆破压力的计算模型,并通过力学平衡法推导出纤维增强复合管材的理论短期爆破压力计算公式,然后对不同缠绕角度涤纶纤维增强高密度聚乙烯管材进行短期爆破压力测试。由实测数值与理论计算结果的偏差可知,纤维层的环向方向各层纤维受力不均不能忽略,需要对理论公式进行修正,与实测数据进行对比发现,修正公式计算结果最大误差为1.12%,可准确预测爆破压力。不同缠绕角度的计算结果表明,随着纤维缠绕角度增大,短期爆破压力先增大后减小,该管材在最大短期爆破压力时对应的缠绕角度为最佳缠绕角度,其值为60.05°。

纤维缠绕复合材料管的强度分析

采用三维各向异性弹性理论分析内压和轴向组合载荷下复合材料缠绕管道各缠绕层中的应力,模型考虑管壁厚度引起的拉剪耦合效应。引入Hashin破坏准则研究复合材料缠绕管道的强度与铺层角度的关系。研究发现缠绕角度相同时内压引起的应力由里向外逐层增加,因此管道失效实际上由外层的应力控制。建议相邻层缠绕角度的递增量,以使各层应力状态更接近一致。

碳纤维复合材料缠绕制品抗外压性能研究

研究了树脂基体模量、缠绕角和厚度对碳纤维复合材料缠绕制品抗外压性能的影响。实验结果表明:采用MNA共混PMDA固化环氧树脂并调整PMDA含量可以有效改变树脂模量,随着PMDA含量的增加,树脂模量提高。当PMDA含量仅为MNA的5%时,树脂模量从3.71 GPa增加到4.18 GPa,提高了13%;当PMDA含量为MNA的10%时,模量达到最大值,为4.61 GPa,提高了24%。随着基体模量增加,单向CFRP的压缩强度、剪切强度和环刚度均先增加后减少。当基体模量为4.18GPa时,CFRP的压缩强度和剪切强度均达到最大值,分别为655 MPa和71.6 MPa,提高了16%和12%。此时,缠绕管环刚度达到最大值,为277 k N/m^2,提高了87%;同时增加缠绕角和厚度能够提高缠绕管的抗失稳能力。

内置GFRP管钢管混凝土短柱轴压力学分析

为研究内置GFRP管直径、纤维缠绕角度、外钢管厚度和核心混凝土与环形混凝土强度等级各参数对内置GFRP管圆钢管混凝土组合短柱的极限承载力和延性的影响,利用ABAQUS有限元软件对组合短柱轴心受压进行了数值模拟.结果表明:ABAQUS模拟值与试验值吻合较好;与普通圆钢管混凝土短柱相比,由于内置GFRP管的存在,核心混凝土的约束作用得到进一步提高,此新型组合短柱的力学性能得到很好地改善.在加载过程中,内置GFRP管缠绕角度对构件承载力和延性影响最小;组合短柱抗压承载力和延性随着外钢管厚度的增加、GFRP管直径的增大、混凝土强度等级的提高而提高,且变化幅度明显.

涤纶纤维增强聚乙烯复合管承压性能模拟

针对纤维增强塑料复合管实物承压性能测试工作量大、成本高以及影响因素不明确等问题,采用有限元模拟分析法研究了复合管生产工艺对承压性能的影响。依据公称直径150 mm、公称压力2.5 MPa涤纶纤维增强塑料复合管的结构及材料特征,采用Halpin-Tsai模型法建立了复合管的有限元模型,研究了纤维铺层数量、纤维缠绕角度以及内衬层壁厚等工艺参数对复合管承压性能的影响。结果表明,采用建立的复合管模型模拟计算的管材爆破压力为11.105 MPa,与实物管材水压爆破值10.75 MPa的相对误差仅为3.302%。增加纤维层的数量、纤维缠绕角度以及内衬层壁厚均可提高复合管的承压性能。综合考虑制造成本和生产效率,分析获得涤纶纤维增强聚乙烯复合管最佳生产工艺参数为纤维铺层数为4层、纤维缠绕角为56°、内衬层最小壁厚为9 mm。

玻纤增强柔性管结构敏感性研究与数值分析

针对在海洋油气开采中传统钢管质量大、易腐蚀老化等问题,亟需找到一种质量小、强度高且耐腐蚀的新型柔性管道,选用玻纤增强柔性管开展了研究,基于复合材料层合板理论建立了玻纤增强柔性管的理论模型,采用ABAQUS建立了管道整体的有限元模型,通过相关文献验证了模型的准确性,分析了缠绕角度在拉伸、压缩、弯曲、拉伸-弯曲以及压缩-弯曲5种荷载工况下对管道应力的影响,并着重分析了拉伸工况下增强层缠绕层数对管道应力的影响.结果表明:柔性管增强层是管道主要的承载结构.综合5种工况模拟结果,得到柔性管增强层最佳缠绕角度为(±45°)~(±55°),增强层缠绕层数在4~16层时,柔性管承载能力有较大提高,超过16层后,承载能力无明显提高.

水泥混凝土路面GFRP传力杆的优化设计

提出了水泥混凝土路面荷载传递效率新指标,给出了荷载传递效率η的定义,并以此系数作为评价GFRP传力杆传荷性能的标准。探讨了不同的纤维体积含量对各向异性GFRP传力杆等效三维模量的影响。采用Abaqus有限元软件,建立GFRP传力杆在车轮荷载作用下的全路面模型,首次从微观角度分析GFRP传力杆在不同纤维缠绕角度和纤维体积含量下对路面弯沉量、混凝土传力杆界面的最大拉、压应力以及单根传力杆传递的最大剪力值的影响,并给出了GFRP传力杆的纤维缠绕角度和纤维体积含量较优值。结果表明:在标准轴载作用下,GFRP传力杆较优的纤维缠绕角度为45°,较优的纤维体积含量为0.65。

FRP纤维缠绕角度对FRP管约束钢骨混凝土中长柱偏压力学性能的影响分析

利用ABAQUS有限元分析软件,对20个FRP管约束钢骨混凝土偏压中长柱进行有限元分析,将有限元分析结果与已有试验结果进行对比,在验证有限元分析结果正确的基础上,针对组合柱的受力全过程进行有限元分析,研究FRP纤维单、双向缠绕角度对组合柱偏压力学性能的影响,进一步分析FRP管、钢骨协同工作性能。研究表明:偏心受压中长柱的受力过程可分为弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段3个阶段;对于FRP管壁纤维单缠绕构件,长细比为5时,其极限荷载随着缠绕角度的增大而增大;长细比为8时,其极限荷载随着缠绕角度的增大而降低,但后期延性性能却有所提高;对于FRP管壁纤维同向交替缠绕构件,长细比为5时,其极限荷载均比相应的单向缠绕角度的构件低;长细比为8时,其极限荷载均比相应的单向缠绕角度的构件高;对于长细比为8的FRP管壁纤维双向交叉缠绕构件,其极限荷载均高于同组其他构件;偏压组合柱的截面应变符合平截面假定,各组成材料之间协同工作性能较好。

海水浸泡和紫外辐照环境下玻璃纤维增强复合材料缠绕管长期性能试验研究

玻璃纤维增强复合材料(GFRP)在海洋环境下缠绕管的长期性能变化规律是影响GFRP管设计应用的重要因素。通过对GFRP缠绕管在海水浸泡、干湿凝露循环以及紫外辐照环境中有无紫外防护涂层情况下的耐久性能进行研究,共完成了306个GFRP缠绕管试件的老化模拟试验,时间最长为90 d。老化完成后进行了环向拉伸测试,得到了不同类型工况环境对GFRP缠绕管性能的影响变化规律。结果表明:1)海水浸泡环境中,不同厚度GFRP缠绕管环向强度有不同程度的下降,但经过足够长老化时间后,不同厚度GFRP缠绕管环向强度保留率趋于一致;2)紫外辐照环境下,厚度较薄的GFRP缠绕管环向强度有明显下降;3)紫外防护涂料可以使GFRP缠绕管在紫外辐照环境下的性能退化速度减慢,对于厚度越薄的管保护作用越明显。