宏微观渐进展开损伤本构模型及其在碳纤维增强复合材料中的应用

基体开裂、纤维拔出、界面剥离等是碳纤维增强复合材料常出现的局部各向异性损伤现象,这些损伤逐渐扩展,削弱了材料的强度和刚度,影响材料的承载能力.对此利用宏微观摄动理论对位移进行双范围渐进展开,在微观位移中引入损伤应变,通过计算损伤应变集中因子,得到了含损伤的均质化损伤弹性常数(宏观有效刚度矩阵),用平均法和混合法检验了无损情况均质化弹性常数计算的有效性.利用经典的热动力学理论建立了相应的损伤演化方程,结合有限元法得到不同铺层方式的宏观应力-应变关系以及各向异性损伤的演化规律,所得结果与Wang等人(Wang S Z,Journal of Materials Science,1992,27:5483-5496)用相同材料做出的实验数据较为吻合,证明了利用宏微观双范围渐进展开方法分析包含各向异性损伤情况碳纤维增强复合材料力学性质的有效性.  

Peeling behavior and spalling resistance of CFRP sheets bonded to bent concrete surfaces

In this paper, the peeling behavior and the spalling resistance effect of carbon fiber reinforced polymer （CFRP） sheets externally bonded to bent concrete surfaces are firstly investigated experimentally. Twenty one curved specimens and seven plane specimens are studied in the paper, in which curved specimens with bonded CFRP sheets can simulate the concrete spalling in tunnel, culvert, arch bridge etc., whereas plane specimens with bonded CFRP sheets can simulate the concrete spalling in beam bridge, slab bridge and pedestrian bridge. Three kinds of curved specimens with different radii of curvature are chosen by referring to practical tunnel structures, and plane specimens are used for comparison with curved ones. A peeling load is applied on the FRP sheet by loading a circular steel tube placed into the central notch of beam to debond CFRP sheets from the bent concrete surface, meanwhile full-range load-deflection curves are recorded by a MTS 831.10 Elastomer Test System. Based on the experimental results, a theoretical analysis is also conducted for the specimens. Both theoretical and experimental results show that only two material parameters, the interfacial fracture energy of CFRP-concrete interface and the tensile stiffness of CFRP sheets, are needed for describing the interfacial spalling behavior. It is found that the radius of curvature has remarkable influence on peeling load-deflection curves. The test methods and test results given in the paper are helpful and available for reference to the designer of tunnel strengthening.  

基于科研成果的应变电测技术的延伸教学1）

在应变电测技术的教学中,结合作者的科研课题,引入CFRP (carbon fiber reinforced plastic) 智能表层这一新型应变传感器进行延伸教学. 教学过程中从灵敏度、测量区域以及耐久性3 个方面的不足分析了电阻应变片的局限性;通过CFRP 智能表层应变-电阻效应、连续测量功能和温度补偿方式的介绍使学生了解CFRP 智能表层的基本原理及特点. 这种延伸教学方式一方面能启发学生的科研兴趣,另一方面能对传统授课内容的学习起到促进作用.  

基于粘聚力理论的CFRP加固钢板剥离机理研究

碳纤维增强复合材料（CFRP）加固钢板时，CFRP端部往往会发生剥离破坏而导致失效，文中重点研究了CFRP加固钢板的机理。首先根据粘聚力理论建立了CFRP加固钢板的有限元模型；然后对CFRP加固钢板进行了静态拉伸试验研究，并利用试验数据验证了有限元模型；最后基于有限元模型对CFRP剥离破坏进行了机理研究。分析结果表明：采用粘聚力理论建立的有限元模型可以准确模拟胶层剥离机理；胶层剪应力是胶层剥离破坏主要因素，整个过程经历了弹性变形、胶层软化和胶层剥离三个阶段；胶层剥离破坏从CFRP端部开始，逐渐向中间发展，最终导致胶层完全失效。  

碳纳米管/碳纤维增强复合材料层合板低速冲击响应和破坏的数值模拟

碳纳米管/碳纤维增强复合材料（carbon nanotube/carbon fibre reinforced plastic,CNT/CFRP）是一种多尺度复合材料，比传统CFRP有更好的综合性能和更广阔的应用前景。对CNT/CFRP在低速冲击下的响应和破坏进行了数值模拟研究。首先，基于先前的研究通过引入基体增韧因子、残余强度因子并改进损伤耦合方程，建立了新的FRP动态渐进损伤模型；然后，利用新建立的本构模型并结合黏结层损伤模型，对4种碳纳米管含量的增韧碳纤维增强树脂基复合材料层合板在5个能量下的冲击实验进行了数值模拟；最后，将模拟结果与文献中的相关实验结果进行了比较，并讨论了冲击速度的影响。结果表明：新建立的FRP本构模型能够预测CNT/CFRP层合板在低速冲击载荷作用下的响应、破坏过程和分层形貌，模拟得到的载荷-位移曲线和破坏形貌与实验吻合较好；冲击速度会影响CNT/CFRP层合板拉伸和压缩破坏的比例，相同的冲击能量下，更大的冲击速度会造成更多的拉伸破坏。