复合材料层合板单搭胶接力学性能检测技术与分析

胶接工艺缺陷对单搭胶接接头的拉伸剪切性能有着重要的影响。为了研究不同单搭接胶接层厚度对不同材质复合材料层合板胶接性能的影响规律,通过喷水穿透法超声C扫描对试样的剪切区域进行无损检测,并分别采用1mm、2mm、4mm的胶层厚度,以碳纤维/玻璃纤维复合材料层合板为被粘物,进行单搭胶接拉伸剪切性能试验。检测及试验结果表明:当胶层厚度h1mm时,对于相同材料的被粘物,胶层厚度越大,试件胶接接头剪切强度越小;相同的粘接剂厚度,以碳纤维增强复合材料板为被粘物的试件胶接接头剪切强度大于以玻纤增强复合材料板为被粘物的试件胶接接头强度;胶粘剂与碳纤维被粘物表面的润湿效果要优于胶粘剂与玻纤被粘物表面的润湿效果。     

金属损伤复合材料胶接修补结构力学试验研究

为评估金属损伤复合材料胶接修补结构的剩余强度和剩余寿命,进行了含腐蚀和疲劳损伤LY12CZ航空铝合金板碳/环氧复合材料补片胶接修复结构的力学性能试验,分析了在静拉伸和疲劳载荷作用下修补结构的破坏模式、失效机理。试验研究发现:复合材料胶接修补技术有效改善了腐蚀和疲劳损伤这两类损伤区域的受力状况,恢复了其载荷传递路线,其静拉伸失效形式为金属韧性断裂后胶层脱粘的分步渐进式破坏;与含损伤未修补试样相比,胶接修补大幅度提高了试件的剩余强度和剩余寿命恢复率,修补后铝合金试件承载能力增加了约25%,疲劳寿命增加至修补前的约4倍~5倍。     

腐蚀环境下复合材料修补件力学特性研究

采用复合材料补片胶接修补含裂纹LY12CZ铝合金板,开展了试验室大气环境和加速预腐蚀环境下复合材料修补件静强度拉伸和疲劳裂纹扩展对比试验研究.结果表明,复合材料补片均能显著提高损伤结构的拉伸强度和疲劳寿命,且短周期的预腐蚀环境对修补件两种力学特性的影响可以忽略不计.同时,基于Paris公式和Rose分析模型,建立了常规环境和预腐蚀环境下疲劳裂纹扩展寿命预测模型,通过与试验结果的对比证明了该模型的工程有效性.     

民用飞机机身复材-金属壁板混合连接结构的试验与分析

民用飞机复材壁板与金属壁板的连接是机身结构设计的重要研究内容,如何将复材帽形长桁和金属Z形/2形长桁连接是研究的重点和难点。本研究提出了一种新型混合连接结构,同时考虑了预埋缺陷和BVID损伤对试验件的影响。通过试验、数值仿真等分析方法研究了混合连接结构的静强度特性,详细分析了试验件的受力情况、失效模式以及破坏位置,很好的解决了复材帽形长桁和金属Z形/2形长桁连接载荷传递问题。研究结果表明：该混合连接结构满足民用飞机结构与强度的设计要求,预埋缺陷和BVID损伤对试验件的破坏载荷和破坏模式无影响。以上研究结果为型号飞机的研制和发展提供重要的指导作用。     

CFRP复合材料构件胶接特性及失效规律研究

对不同铺层方式和不同胶层厚度的复合材料胶接单搭结构(SLJs)的连接性能进行了研究。使用内聚力模型模拟了SLJs的胶层退化及失效过程，通过与实验对比验证了数值模型的有效性；基于改进后的三维Hashin失效准则，模拟了复合材料层合板的损伤演化。结果表明：胶层的退化形态及失效规律与胶层粘连的复合材料铺层角度密切相关，当胶层两侧粘连的复合材料铺层角度为0°时，胶层会退化形成椭圆环状；当胶层两侧粘连的复合材料铺层角度为45°或-45°时，胶层会退化形成上下中心对称的水滴状；当胶层两侧粘连的复合材料铺层角度为90°时，胶层会退化成沙漏状。0°铺层与胶层相邻时，结构的极限失效载荷最大，此时复合材料未出现损伤；当90°铺层与胶层相邻，结构的极限失效载荷最小且复合材料出现基体损伤、纤维损伤和分层损伤。胶层厚度在0.05～0.5mm时，复合材料胶接单搭结构的连接性能最好，当胶层厚度大于0.5mm,结构的连接性能会大幅下降。     

基于子结构解耦的连接特性识别新方法

连接部件动态特性的准确辨识对预测装配式机械结构的动力学行为有重要意义. 针对传统基于子结构解耦的连接结构动力学特性识别方法难以直接利用可测量数据进行辨识及辨识结果受噪声影响显著等问题, 本文提出了一种新方法. 首先, 提取子结构解耦基本方程在测试自由度上的分量, 并经矩阵变换得到显含连接动刚度矩阵的形式, 而后由真实连接动刚度矩阵分解为已知的初始矩阵与待求的增量矩阵, 推导了具有收敛性质的增量型方程以增强界面自由度较多时辨识的数值稳定性, 并采用多项式拟合动刚度将其转化为了拟合系数的频域估计方程, 按给定准则选取合适的频率点联立方程后, 得到了只需装配体测试自由度上的频响函数来辨识连接特性的迭代公式. 最后, 以若干算例说明了算法的具体流程. 对10自由度弹簧?质量块系统进行了数值仿真, 验证了所提方法的正确性及抗噪性; 对包含一处胶接连接的T形梁结构和包含两处螺栓连接的L形梁结构进行了试验, 所辨识连接结构与残余结构重组的装配体有限元模型计算的频响函数与测量值在较宽频带内吻合较好, 表明了该方法能有效识别实际装配体结构中的连接特性.      

内埋炸药下超高韧性水泥基复合材料的抗爆性能

为研究超高韧性水泥基复合材料(ultra-high toughness cementitious composites, UHTCC)在内埋炸药爆炸下的抗爆性能和损伤破坏规律,对不同炸药埋深下的UHTCC和高强混凝土(high-strength concrete, HSC)进行了内埋炸药抗爆实验。得到了两种材料靶体的破坏状态,并利用接触爆炸的实验结果计算出了两种材料的抗爆性能参数。结果表明,在相同条件下,UHTCC抗爆性能优于高强混凝土。为了进一步探究UHTCC的抗压强度、抗拉强度以及拉伸韧性对靶体在内埋炸药下抗爆性能的影响,首先,采用改进的K&C模型对炸药埋深为40 mm的超高韧性水泥基复合材料靶体进行数值模拟,模拟结果与实验结果基本吻合,并根据数值模拟的结果得到了爆炸冲击波沿靶体径向衰减速度大于轴向衰减速度这一规律,验证了数值模型的有效性;然后,通过调整改进K&C模型中与抗压强度、抗拉强度以及拉伸韧性相关的参数,数值预测了不同抗压强度、抗拉强度以及拉伸韧性下UHTCC靶体的破坏状态,发现增强UHTCC的韧性可以有效防止靶体发生整体性破坏,增大UHTCC的抗拉强度可以减小靶体迎爆面的开坑直径,增大UHTCC的抗压强度对减小开坑直径效果不明显。     

蜂窝夹层复合材料老化强度与疲劳性能的试验研究

本文对蜂窝夹层复合材料老化强度和疲劳试验进行了研究。通过对该材料在老化前后的拉伸、压缩、面内剪切机械性能测试,以及在不同应力水平下的疲劳试验,分析试验结果,得出了标准老化环境对试件的拉伸、压缩承载能力影响不大,而蜂窝夹芯的排列方向对面内剪切试件的强度和疲劳寿命将产生一定的影响等一些对实际工程应用的问题有参考价值的结论和看法。本文还就蜂窝夹层复合材料老化强度和疲劳试验中的一些试验方法、试件的破坏形式、试验件的胶接方法进行了探讨。     

平面编织混杂铺层层合板单钉连接拉伸性能

对平面编织混杂铺层层合板单钉连接结构的挤压性能进行试验研究,分析了铺层比例和试件尺寸对其挤压强度和破坏形式的影响.基于ANSYS平台建立了该层合板单钉连接结构的三维损伤累积有限元模型,对其非线性挤压破坏行为进行了数值计算,预测了初始挤压破坏载荷;同时提出并验证了适合该类型层合板的损伤判据和衰减准则.计算得出的初始挤压破坏载荷与试验结果吻合良好,说明该模型能准确预测层合板单钉连接的初始挤压破坏载荷.     

冷成型钢住宅结构的蒙皮效应研究

以整体结构在风荷载下侧移超过规范容许值和连接件发生破坏作为判断标准,对蒙皮(墙板)的抗剪性能进行了研究.首先以一单层冷成型钢排架为研究对象,考查其在面内荷载作用下可能出现的破坏模式.在此基础上以5层冷成型钢框架结构为例,分析其在控制荷载(风荷载)作用下的受力情况.通过比较传统柱间支撑和蒙皮这两种构造的框架整体侧移刚度,发现在螺钉连接方式和间距合理的前提下,蒙皮完全可以取代支撑.通过改变螺钉的间距和螺钉的连接方式(每波连接、隔波连接)以及板的厚度,对该5层框架的受力和侧移进行参数分析,给出了在不同板厚条件下获得理想蒙皮抗剪效果的连接方式:对于0.6mm板,螺钉与框架柱只能采用每波连接方式,并且跨度方向螺钉间距不能大于250mm;对于1.0mm板,跨度方向螺钉间距小于等于500mm,而且可以采用每波或隔波连接方式.建议在实际工程中螺钉应尽量采用每波连接方式.     

EFFECT OF Z-PINS＇ DIAMETER, SPACING AND OVERLAP LENGTH ON CONNECTING PERFORMANCE OF CMC SINGLE LAP JOINT

The effect of through-thickness reinforcement by composite pins （Z-pins） on the static tensile strength and failure mechanisms of the joints made from ceramic matrix composite （CMC） is investigated. Overlap length of the single lap joint is 15 mm, 20 mm, 23 mm, 37 mm, and 60 mm, respectively. The experimental results indicate that the final failure modes of the joints can be divided into two groups, （a） the bond-line stops debonding until crack encounters Z-pins; and then the adherends break at the location of Z-pins, when overlap length is more than 20 mm; （b） the bond-line detaches entirely and Z-pins are drawn from adherends, when overlap length is equal to 15 mm. A simple efficient computational approach is presented for analyzing the benefit of through-thickness pins for restricting failure in the single lap joints. Here, the mechanics problem is simplified by representing the effect of the pins by tractions acting on the fracture surfaces of the cracked bond-line. The tractions are prescribed as functions of the crack displacement, which are available in simple forms that summarize the complex deformations to a reasonable accuracy. The resulting model can be used to track the evolution of complete failure mechanisms, for example, bond-line initial delamination and ultimate failure associated with Z-pin pullout, ultimate failure of the adherends. The paper simulates connecting performance of the single lap joints with different Z-pins＇ diameter, spacing and overlap length; the numerical results agree with the experimental results; the numerical results indicate enlarging diameter and decreasing spacing of Z-pins are in favor of improving the connecting performance of the joints. By numerical analysis method, the critical overlap length that lies between two final failure modes is between 18 mm and 19 mm, when Z-pins＇ diameter and spacing are 0.4 mm, 5 mm, respectively.     

EFFECT OF Z-PINS'' DIAMETER, SPACING AND OVERLAP LENGTH ON CONNECTING PERFORMANCE OF CMC SINGLE LAP JOINT

The effect of through-thickness reinforcement by composite pins (Z-pins) on the static tensile strength and failure mechanisms of the joints made from ceramic matrix composite (CMC) is investigated.Overlap length of the single lap joint is 15 mm,20 mm,23 mm,37 mm,and 60 mm,respectively.The experimcntal results indicate that the final failure modes of the joints can be divided into twó groups,(a) the bond-line stops debonding until crack encounters Z-pins;and then the adherends break at the location of Z-pins,when overlap length is more than 20 mm;(b) the bond-line detaches entirely and Z-pins are drawn from adherends,when overlap length is equal to 15 mm.A simple efficient computational approach is presented for analyzing the benefit of through-thickness pins for restricting failure in the single lap joints.Here,the mechanics problem is simplified by representing the effect of the pins by tractions acting on the fracture surfaces of the cracked bond-line.The tractions are prescribed as functions of the crack displacement,which are available in simple forms that summarize the complex deformations to a reasonable accuracy.The resulting model can be used to track the evolution of complete failure mechanisms,for example,bond-line initial delamination and ultimate failure associated with Z-pin pullout,ultimate failure of the adherends.The paper simulates connecting performance of the single lap joints with different Z-pins' diameter,spacing and overlap length;the numerical results agree with the experimental results;the numerical results indicate enlarging diameter and decreasing spacing of Z-pins are in favor of improving the connecting performance of the joints.By numerical analysis method,the critical overlap length that lies between two final failure modes is between 18 mm and 19 mm,when Z-pins' diameter and spacing are 0.4 ram,5 ram,respectively.     

新型外包加强型混合节点非线性数值模拟及参数分析

采用Abaqus有限元软件建立新型外包加强型混合节点模型,在验证模型正确性的基础上对其进行拟静力作用下的非线性分析,深入研究各个加载阶段的受力性能及破坏机制,并进行了相关参数对节点抗震性能的影响分析。结果表明,新型节点的最终破坏形态为梁端塑性铰破坏,外包混凝土及扩大包脚的嵌固作用使塑性铰远离节点核心区域,可以有效保护节点核心区和传力路径的连续性;滞回曲线较为饱满,具有较好的耗能能力和塑性变形能力;适当增大扩大包脚立面高度和水平长度,可以提高节点的初始刚度与承载力等性能,并根据相关参数研究给出了合理的设计建议范围,以便为工程设计提供参考。     

高层建筑结构边节点抗震性能研究

通过7根留有施工缝的高层建筑结构边节点的低周反复抗震性能试验,研究了轴压比、节点核心区的混凝土强度等级、柱中混凝土在梁中的延伸长度等对梁柱边节点抗震性能的影响,对构件的破坏特征、承载能力、延性性能、滞回曲线和骨架曲线进行了对比分析。试验结果表明:所有试验构件均为梁端受弯破坏;柱中混凝土在梁中的延伸长度对骨架曲线的形态、屈服荷载和最大荷载都没有显著影响;但是延伸长度对节点的延性性能是有影响的,延伸长度为0.5h(h为梁高)的边节点构件的位移延性系数小于延伸长度为1.0h和1.5h的构件。     

轻质合金压印接头质量判断及其力学性能研究

在结构轻量化的进程中,新型薄板材料被大量使用,新兴的压印连接技术可以实现这些材料的连接．以钛合金为主要材料进行压印连接实验,结果显示材料的母材性能对连接性能、接头强度、失效形式均有一定的影响．压印接头的拉伸-剪切失效形式为颈部断裂时,拉伸-剪切实验过程中载荷位移曲线有两次明显的下降过程,分别是由于圆形压印点的上半部分颈部被拉断,圆压印点的下半部分颈部被拉断造成的．微观分析显示TA1-TA1压印接头断口呈现类解理穿晶断裂,5052-TA1压印接头断口出现拉长韧窝特征,属于塑性断裂,1420-TA1接头断口呈现大面积平面及少量冰糖状花样,属于沿晶脆性断裂．     

考虑节点损伤的钢框架结构分析模型

钢框架结构在强震作用下将进入非线性状态,结构的刚度和强度等力学性能随之降低,从而影响到结构以后的抗震性能.本文利用断裂力学的基本原理,通过对栓焊节点存在焊缝裂纹的钢框架刚性连接节点的分析,推导了裂纹的有效长度和有效深度,获得了有损伤刚性连接节点的M-θ关系;并推导了节点有损伤的梁单元刚度矩阵.在数值计算的基础上分析了节点刚度变化对框架结构内力的影响,结果表明节点损伤对结构内力分析影响显著,对有损伤钢框架结构进行承载力评估时必须考虑节点损伤的影响.     

空中爆炸冲击作用下不同接头形式埋地管线动力响应的对比试验研究

为探明爆炸冲击条件下管线接头部位受力变形的特点和规律,在室内爆炸试验碉堡测试系统内分别对直管线、带直接头和弯头管线动力响应情况进行对比试验研究,测试了接头连接处迎爆面及其背面的轴向应变,并对测试结果进行了对比分析。结果表明,管径突变会产生应力集中,接头部位是管线系统的薄弱环节;接头的厚径比是影响接头部位防爆抗震性能的重要参数;接头的类型是影响管线系统防爆抗震性能的重要因素,在管线设计中要尽量减少弯头数量,设置橡胶软接头可增强管线系统防爆抗震性能。     

预应力混凝土水平加腋框架节点受力分析

本文对3个预应力混凝土框架节点进行了低周反复荷载作用下的抗震性能试验,研究了加腋节点的传力机理以及预应力对节点抗震性能的影响规律。研究表明,通过量测节点内的箍筋应变,穿过节点核心区的预应力筋对节点核心区双向交替斜向受压混凝土有重要约束作用,改善了节点的抗剪能力。梁端水平加腋节点中预应力筋不穿过节点核心区时,只要在节点核心区配置适量的箍筋,保持节点后期的强度和刚度,也能够满足抗震设防要求。     

正弯矩和拉力共同作用下刚性组合节点承载力计算方法

框架结构中某柱发生失效会造成梁跨度增加,进而导致梁的内力增大、跨中挠度变大,作用在失效柱上方节点的荷载组合也由负弯矩转变为同时存在的拉力和正弯矩．针对此工况,本文对在正弯矩和拉力作用下的刚性钢-混凝土组合节点进行内力分析,采用内力平衡法推导了拉弯承载力公式,并与相应的组合梁及钢梁的公式进行对比．同时利用ABAQUS有限元软件建立组合节点的有限元分析模型,得到不同参数下钢-混凝土组合节点的拉弯相关曲线,并与本文所提出的公式的计算结果进行了对比,两者吻合较好,为刚性组合节点在拉力和正弯矩共同作用下的拉弯受力设计提供了一定的参考依据．     

用于RC框架-轻钢增层混合结构的新型外箍式节点抗震性能试验研究

RC框架-轻钢增层混合结构是一种上轻下重、刚度突变明显的复杂结构,为了保证结构整体协同工作,本文提出了一种能够有效减缓刚度突变和增强对上部结构约束的新型外箍式连接节点。通过对新型外箍式节点与传统植筋节点的1∶2缩尺模型拟静力试验研究,得到了试件破坏模式和荷载-位移滞回曲线,对比分析了其滞回特性、梁端塑性铰、骨架曲线、强度退化、刚度退化和耗能能力等抗震性能。结果表明:新型外箍式节点可以使梁端塑性铰远离梁根部,有效保护了节点核心区;新型节点通过外箍钢板的构造措施提高了试件的初始刚度、承载力和耗能能力,减缓了刚度与强度退化速度,表明新型节点的抗震性能大幅度优于传统植筋节点,研究成果可为RC框架-轻钢增层混合结构的节点设计提供一定参考。