不同尺寸下CFRP 约束煤圆柱细观模拟研究

为探究碳纤维增强聚合物(CFRP)布约束煤圆柱的尺寸效应规律,利用三维PFC-FLAC构建碳纤维增强聚合物(CFRP)布约束煤圆柱细观模型。通过已有试验数据验证了该模型的有效性,并在此基础上开展0、1、2、3层CFRP布对不同尺寸(50、100、150 mm)煤圆柱尺寸效应的研究;得到了不同层数(L)下抗压强度演化规律的函数关系,以及不同层数下弹性模量演化规律的函数关系;并建立了CFRP布约束煤圆柱的修正Richart强度分析模型。结果表明:在CFRP布层数一定时,不同尺寸CFRP布约束煤圆柱的抗压强度,具有明显的尺寸效应,CFRP布约束煤圆柱的相对峰值强度增强比,随尺寸的增大而增大;直径50 mm煤圆柱随CFRP层数增加弹性模量逐渐增大,直径100、150 mm煤圆柱在0≤L≤3层弹性模量先增加后减小,具有明显的层效应规律;裂隙累积量随CFRP层数的增加而增大。

液压缸缸筒轻量化设计及理论研究

研发一种具有金属内衬的法兰式碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)液压缸缸筒,通过复合材料的本构关系和厚壁圆筒理论推导CFRP缸筒的应力应变公式,建立数学模型,并结合强度和刚度理论,进行液压缸缸筒轻量化研究。运用Abaqus软件进行仿真分析,验证所提出方案的可行性,联合Isight软件进行优化设计,以DOE试验设计寻找最优解。结果表明:优化设计后,CFRP缸筒满足强度和刚度要求;液压缸缸筒质量由16.58 kg减少到5.26 kg,总体减轻68.3%,达到轻量化设计目的。

基于MFCC的碳纤维复合缠绕气瓶损伤声发射信号分析

针对碳纤维复合缠绕(CFPR)气瓶的损伤在线监测问题,对CFRP气瓶冲击损伤过程的声发射检测进行研究。以获取到的气瓶损伤声发射信号作为研究对象,通过梅尔倒谱系数(MFCC)特征提取方法,将原始信号转换为特征系数向量,将其参数值及变化趋势进行同步比较。试验结果表明,不同损伤类型梅尔倒谱系数的分布呈现出明显的规律性。该研究结果可为CFPR材料的声发射检测信号识别提供一些参考。

碳纤维补强预应力钢筒混凝土管试验研究

针对预应力钢筒混凝土管道(PCCP)在使用过程中出现的裂缝、断丝等劣化现象,提出一种“一纵三环”黏贴碳纤维布加固PCCP管的方法。为验证该法修复PCCP断丝管的效果,采用3根2.2 m直径PCCP管在管芯混凝土内表面黏贴碳纤维增强复合材料(CFRP)进行加固试验。按不同温度和湿度组合黏贴CFRP,并分别在自然养护7 d和浸水30 d后进行正拉接性能试验。结果表明,自然养护条件下正拉接强度随着黏贴温度的升高而升高,随湿度增加呈先降低再升高的趋势;浸水养护后正拉接强度有所降低,为自然养护强度的80%。

内压作用下车载储氢瓶抗典型破片冲击数值模拟研究

针对大质量低速破片对典型车载Ⅲ型储氢瓶的冲击行为,利用LS-DYNA有限元仿真软件建立了典型车载储氢瓶的破片冲击模型,重点研究了在不同内压及破片与瓶体不同夹角下气瓶的冲击响应,并探讨了其损伤数据的变化规律。结果表明:内压与损伤深度及损伤面积都呈现出显著的负相关的关系,总体上呈现先急后缓的趋势,可见内压对于储氢瓶起到了一定的保护作用;当破片与瓶体夹角为90°时,气瓶被穿透,破片着靶角度45°比着靶角度0°对气瓶损伤效果更低;当储氢瓶内压较高时,由于纤维层被破坏,内压会对气瓶造成损伤。由此可见,内压对储氢瓶的防护效果的影响是显著的,但由于碳纤维材料特性,其防护能力较低,建议实际使用时添加外部防护单元。

CFRP修复PCCP断丝管的试验研究

为了验证CFRP修复PCCP断丝管的效果,采用两根内径2.6m的PCCP,管A为原管,管B为在管芯混凝土内表面粘贴CFRP的加固管,在不同内压作用下进行断丝,研究最不利情况下PCCP断丝破坏特征。管A在内水压力0.9MPa,断丝40根时,断丝区管芯混凝土应变突增,出现宏观裂缝,发生脆性破坏;管B在同样内水压力断丝70根时,断丝区管芯混凝土微裂缝持续扩展,继续加压至0.95 MPa时,管芯混凝土出现宏观裂缝,而非断丝区管芯混凝土受断丝影响不大。试验结果表明粘贴在管芯混凝土内壁上的CFRP与PCCP结构联合承载,在管芯混凝土出现微裂缝后参与应力重分布,限制了管芯混凝土裂缝的开展,调整了管体结构的受力状态,CFRP补强加固PCCP断丝管的效果明显。

碳纤维布(CFRP)加固混凝土圆柱约束效应的试验研究

以不同尺寸混凝土圆柱外包碳纤维轴心受压试验为基础 ,对碳纤维加固素混凝土圆柱力学性能及其约束效应对加固效果的影响作了研究 。

纤维增强聚合物条带约束混凝土圆柱的耐久性

通过碳化、盐溶液干湿循环下碳纤维增强聚合物布(CFRP)和玻璃纤维布(GFRP)条带约束混凝土圆柱耐久性试验,对比分析了环境作用、纤维布类型、粘着剂类型(胶Ⅰ和胶Ⅱ)对混凝土圆柱轴压性能的影响。结果表明,无论是否受环境作用,纤维增强聚合物约束圆柱的轴向应力-应变关系基本呈双线性,其强度与延性都比无约束混凝土圆柱有一定提高。碳化环境对CFRP和GFRP约束圆柱基本没有影响,盐溶液干湿循环作用后FRP条带约束混凝土柱的强度、刚度和延性降低。CFRP约束柱比GFRP约束柱耐干湿循环性能好。此外,胶的种类对耐久性也有一定影响。

碳纤维增强聚四氟乙烯及其在潜艇上的应用

介绍碳纤维增强聚四氟乙烯(CF/PTFE)在潜艇上作为高压空气瓶减振垫材料的研究应用情况,讨论了原材料及制各工艺对CF/PTFE性能的影响。该材料取代原铅减振垫材料后大大提高潜艇高压空气瓶的耐腐蚀性、安全性、可靠性和使用寿命。

CFRP内衬法加固预应力钢筒混凝土管的内水压力试验研究

通过内水压力试验,研究了CFRP内衬法加固预应力钢筒混凝土管(PCCP)的结构力学性能和破坏模式,并采用光纤布拉格光栅(FBG)感测技术测试了试验过程中PCCP各层结构和CFRP内衬的变形情况,得到了内水压力作用下PCCP结构的力学响应规律。同时,模拟了在所有预应力失效的情况下,PCCP的力学性能及破坏情况。结果表明,在内水压力为1.8 MPa时,PCCP原管管芯混凝土开裂,而CFRP加固管在加压至1.9 MPa后发生开裂,表明CFRP内衬能够有效增强管芯混凝土的延性,有效延缓管芯混凝土开裂,提高PCCP抗裂性能。同时,CFRP内衬法加固所有预应力失效的PCCP能够承受原设计内水压力,表明CFRP内衬能够恢复受损严重PCCP的承载能力。

PCCP复式碳纤维加固1∶1模型试验研究

针对PCCP的预应力钢丝断裂数目增多给PCCP运行带来的安全隐患问题,提出了PCCP复式碳纤维加固技术。在原型PCCP内壁进行了现场测试,证实了PCCP复式碳纤维加固技术的可行性。试验采用电阻应变片和光纤两种测量手段,监测了1∶1模型在内水压力作用下断丝对PCCP内壁混凝土及碳纤维的影响。试验结果表明:与传统碳纤维加固方案相比,对4 m管径的PCCP采用内壁复式碳纤维加固方案可提高碳纤维的拉应力水平约4~5倍。

预应力钢筒混凝土管内壁复式碳纤维加固试验与计算分析

碳纤维加固预应力钢筒混凝土管(PCCP)具有非开挖、工期短、对周边环境影响小的特点。但是,由于碳纤维与混凝土的极限拉应变相差近百倍,传统碳纤维加固PCCP技术无法有效发挥碳纤维的应力水平。本文提出复式碳纤维加固PCCP技术,即在碳纤维与PCCP之间增设自主研发的高压缩弹性垫层,利用垫层的压缩性为碳纤维变形提供空间,显著提升碳纤维的环向应变水平。为了验证复式碳纤维的加固效果,采用直径为0.75 m的钢筒进行模型试验,试验结果表明,当内水压力为1.0 MPa时,复式碳纤维加固技术较传统碳纤维加固技术中碳纤维环向微应变提升20倍以上,被加固结构的微应变降低40%以上。基于拉梅公式的力学模型计算结果与试验结果基本一致,随着垫层厚度或碳纤维层数的增加,钢筒的环向微应变降低,但降低的速度逐渐减小。该技术利用了碳纤维高强和高模量的特性,实现了碳纤维与PCCP共同承受内水压力的效果。

断丝PCCP管道外贴CFRP修复足尺模型试验研究

断丝是目前预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe,PCCP)最为常见的一种病害,如不及时加固,极易造成爆管等事故。针对长距离PCCP输水管道难以停水维修问题,提出了一种外贴碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)的维修方法。为了探究外贴CFRP修复断丝PCCP效果,采用一根内径2.8m的PCCP管道进行了内水压足尺试验。试验对修复前后PCCP结构应变响应进行了对比分析,结果表明:由于CFRP'箍束'作用,修复后断丝区中间截面材料应变减小,利于PCCP承压。

复合材料层合板损伤声发射信号特征提取方法

针对碳纤维复合材料气瓶的损伤在线监测问题,按照Ⅲ型瓶缠绕结构,制作缠绕方式及厚度尺寸一致的层合板进行冲击过程的声发射检测研究。通过将小波包能量谱分析法应用到冲击损伤过程中获得的声发射信号,得到不同冲击能量下的声发射信号能量谱分布。与超声扫描获得的B扫图像对比表明,小波包能量谱的分布规律能较好表征层合板的损伤类型,同时可获得CFRP层合板不同损伤类型的声发射频率特性。

管束集装箱Ⅳ型储氢瓶筒体CFRP层抗弹冲击数值模拟

利用Abaqus/Explicit有限元仿真软件建立了管束集装箱Ⅳ型储氢瓶筒体碳纤维增强复合材料(CFRP)层子弹冲击模型,重点探讨了当子弹以不同冲击初始速度穿透均衡CFRP储氢瓶筒体时的纤维缠绕角度与筒体CFRP层抗弹冲击性能的变化规律。结果表明:在模拟条件下,当子弹以250~500 m/s的较低速度冲击储氢瓶筒体时,筒体CFRP层抗弹冲击性能伴随纤维缠绕角度的递增呈现先增强后减弱的趋势,在缠绕角度为±45°左右时的筒体CFRP层抗弹冲击性能最好;当子弹以500~850 m/s的较高速度冲击筒体时,筒体CFRP层抗弹冲击性能同纤维缠绕角度的关系不明显。该研究可为管束集装箱Ⅳ型储氢瓶的抗冲击设计及优化提供参考。

CFRP修复PCCP的内水压试验

为了验证CFRP的补强加固效果,采用2根内径2.6m的PCCP进行了内水压力试验,并通过集中断丝模拟了最不利断丝管的受力状况。结果表明,未粘贴碳纤维的断丝管,在设计内水压0.9MPa的状态下,断丝40根后管芯混凝土开裂。分部位粘贴1层、2层和3层环向碳纤维的加固管,在设计内压0.9MPa下,断丝70根后管芯混凝土开裂。CFRP在管芯混凝土出现微裂缝后参与应力重分布,一定程度上缓解了裂缝尖端的应力集中,延缓管芯混凝土开裂,同时,改善了非断丝区钢丝受力状态,延迟了钢丝和钢筒进入屈服状态。CFRP补强加固PCCP的效果明显。

碳纤维全缠绕铝内胆气瓶预紧压力的优化

以2L的碳纤维全缠绕铝内胆气瓶为例,利用ANSYS完成其在各个压力过程下的有限元应力分析。在内胆结构尺寸和缠绕层一定的情况下,研究了预紧压力的变化对该气瓶应力影响的结果。根据分析得出的结果,依据DOT CFFC标准的要求确定出了该气瓶的最佳预紧压力值,实现了对该气瓶预紧压力的优化。

PCCP内壁粘贴碳纤维补强加固原型试验及工程应用

针对PCCP的预应力钢丝断丝造成的安全隐患,采用1∶1原型对PCCP进行了内壁粘贴碳纤维补强加固试验,采用电阻应变片和光纤两种测量手段监测了原型在内水压力作用下断丝对PCCP内壁混凝土及碳纤维的影响,试验表明PCCP采用内壁粘贴三层碳纤维加固方案是可行和有效的。针对北京市应急备用水源地工程,采用内壁粘贴三层碳纤维加固方案对3-77号和3-79号PCCP进行了应急补强加固处理,取得了良好效果。

车用70 MPa压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶的应力分析

70 MPa车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶(以下简称车用70 MPa氢气Ⅲ型气瓶)作为氢燃料电池汽车供氢系统的一个关键部件,具有耐高压、重量轻和储氢密度大等特点,是当前氢燃料电池汽车用氢气瓶的首选产品。以27 L车用70 MPa氢气瓶产品为例,利用ABAQUS软件对气瓶在自紧压力后的零压力、公称工作压力、许用压力、水压试验压力和最小爆破压力下的应力进行分析,掌握气瓶在各个压力状态下的应力分布规律,为气瓶的设计提供一定的依据。

高阻尼复合材料支撑筒结构设计与材料工艺

支撑筒用于运载火箭与卫星之间的连接,支撑筒的阻尼减振效果决定了卫星能否正常工作。T700S/AG80复合材料制备的某支撑筒无法满足室温阻尼性能要求。本文通过两种途径提高了支撑筒的阻尼性能,第一种途径采用环氧丁腈预聚物861340共混改性AG80环氧树脂,当861340含量为23%时,改性树脂的阻尼性能最佳;第二种途径是对支撑筒进行分段铺层设计。共制备两个支撑筒1#和2#,1#采用未改性复合材料,2#采用阻尼改性复合材料以及分段铺层,在纵向振动试验中,与1#结构振动响应相比,2#结构的响应下降了60.5%;在横向振动试验中,与1#结构振动响应相比,2#结构的响应下降了20.7%。