玄武岩纤维高延性水泥基复合材料的动态力学性能

利用玄武岩纤维和水泥基材料,通过一定配比融合制成了在静态拉伸试验中呈现多缝开裂、应变硬化、极限拉伸应变0.5%以上的玄武岩纤维高延性水泥基复合材料(basalt fiber engineered cementitious composites, BF-ECCs)。用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置对不同玄武岩纤维掺量的水泥基复合材料进行动态压缩和动态劈裂试验。结果表明:(1)在压、拉两种应力状态下,玄武岩纤维对水泥基复合材料的静态强度、动态强度均有增强,且高应变率下玄武岩纤维对抗压强度动态增幅较小,对劈裂强度动态增幅较大;(2) BF-ECC的抗压强度和劈裂强度均随应变率升高而显著提高,两者均可以采用动态增强因子(dynamic increase factor, DIF)反映动态强度的增幅,但劈裂强度的应变率敏感性强于抗压强度;(3)依据试验得到的普通水泥混凝土速率敏感性的CEB-FIP方程(2010)不适用于BF-ECCs。     

基于数字图像相关的玄武岩纤维增强混凝土抗压实验研究

制备不同玄武岩纤维(Basalt Fiber, BF)掺量的玄武岩纤维增强混凝土(Basalt fiber Reinforced Concrete, BFRC)试块,结合数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)方法研究了BF对混凝土抗压特性的影响。结果表明,混凝土中加入适量BF可以提高其抗压强度和劈裂抗拉强度,但过量的BF会产生负面效果,且BFRC的抗压强度与劈裂抗拉强度呈线性关系;当BF掺量为0.6%时,增强效果最佳,其抗压强度比素混凝土增大24.40%,劈裂抗拉强度比素混凝土增大38.84%。通过DIC方法获取试件抗压破坏的全场应变演化,并通过应变场观察到微裂纹和宏观裂纹的发展过程。素混凝土微裂纹扩展路径单一,且宏观裂纹扩展速度较快;对于BFRC试件,微裂纹出现在多个区域,各区域微裂纹独自发展,且宏观裂纹路径较为复杂。基于应变场特征将BFRC的压缩破坏过程分为微裂纹萌生、微裂纹扩展、宏观裂纹扩展3个阶段,并分别讨论了BF在每个阶段的作用效果和机理。     

复合材料后压力框加筋元件双轴拉伸试验与模拟

试验针对应用在飞机后压力框上的碳纤维织物复合材料的力学特性和设计压力框壳体加强筋的刚度匹配问题,本文设计了十字形的试件,并开展了双轴拉伸试验,测试分析了试件中心位置含有不同尺寸加强筋时对刚度和强度的影响。依照试验条件,建立有限元模型,以中心位置未加筋试件为基准,探讨了两种尺寸筋条增强效果的差异。试验与模拟结果表明:在双轴拉伸载荷作用下,帽型加强筋明显提高了试件刚度和强度;两种筋条尺寸的差异对于试件刚度和强度的影响不明显;根据重量最小的原则,在同等条件下使用较小尺寸加强筋更为合适;有限元模拟与试验结果吻合良好,验证了本文提出的试验和模拟方法可用于复杂应力条件下织物复合材料结构的力学性能分析。     

燃气爆炸作用下蒸压加气混凝土砌体墙的加固性能

为研究燃气爆炸作用下蒸压加气混凝土砌体墙的加固性能,基于有限元软件LS-DYNA,建立了砌体墙简化数值模型,分析了GB 50779-2012 石油化工控制室抗爆设计规范中建议的荷载作用下砌体墙高度和厚度的影响,对比了玄武岩纤维(basalt fiber reinforced plastic, BFRP)布与喷涂式聚脲对蒸压加气混凝土单向砌体墙的加固效果,并以防止砌体墙倒塌为设计目标,给出了加固建议。研究表明,本文中建立的简化数值模型能较好地模拟燃气爆炸作用下蒸压加气混凝土砌体墙的变形和破坏模式,计算结果与试验吻合良好;《规范》建议荷载作用下,未加固砌体墙以弯曲破坏为主,随着墙体高度增加,破坏模式由弯曲破坏向剪切破坏转变;BFRP布条加固可以有效提高墙体抗弯刚度和压拱效应,而聚脲涂层加固对抗弯刚度提高有限但墙体拉拱效应明显,二者均能显著提高墙体抗爆性能;加固墙体均发生弯曲破坏,BFRP布条材料的断裂一般发生在墙体位移最大处,而聚脲涂层材料的断裂发生在跨端边界处。

     

天然纤维增强复合材料力学性能及其应用

本文介绍了天然纤维的化学成分、结构以及力学性能;综述了天然纤维的表面处理方式,分析了其作用机理,并讨论了表面处理对其复合材料力学性能的影响;从增强体形式出发,介绍了短纤维、纤维毡、纤维织物以及单向纤维增强复合材料,并研究了成型工艺、纤维含量和表面处理等对其拉伸、弯曲、界面性能和冲击强度以及断裂韧性的影响;最后总结了天然纤维增强复合材料在汽车、建筑土木等领域的应用现状,并展望了其发展和应用前景.     

云纹干涉法研究复合材料构件的应力强度因子

本文采用贴片云纹干涉法，测试并研究了正交异性板纯弯试件及拉伸试件的应力强度因子。文中给出了复合材料纤维加强方向不同时位移与应力强度因子的关系式，通过测试得出受力模型的全场位移，给出云纹图，进而由裂纹尖端位移场推算出应力强度因子Ｋ１及Ｋ值。试验结果与有限元计算结果吻合良好。     

粗集料对超高性能水泥基材料动态力学性能的影响

采用大掺量超细工业废渣取代水泥、最大粒径为2.5 mm的天然砂取代粒径为600 m的磨细石英砂,并掺加了最大粒径为10 mm的高弹高强粗集料,制备出抗压强度达200 MPa的超高性能水泥基复合材料。并采用分离式霍普金森压杆装置对不同纤维掺量的钢纤维增强超高性能水泥基复合材料（ultra-high performance steel fiber reinforced cementitious composites, UHPSFRCC）试件进行了高速冲击压缩实验,研究了应变率和纤维掺量对该材料抗冲击性能的影响规律及粗集料发挥的作用。结果表明,UHPSFRCC的抗冲击能力随纤维掺量的增加而增强;动态强度随应变率的提高相应地增大;动态性能因掺入用作粗集料的玄武岩碎石而得到了相应的改善。还分析了超高性能水泥基复合材料具有高动态性能的机理。     

纤维缠绕复合材料压力容器渐进损伤分析

利用大型有限元软件ANSYS的参数化设计语言(APDL)建立了纤维缠绕复合材料压力容器的有限元模型,该模型真实地反应了复合材料压力容器封头处纤维缠绕层的厚度以及纤维缠绕角度沿子午线不断变化的情况,即充分体现该压力容器结构的真实性.针对建立的有限元模型,对复合材料压力容器在一定内压下的应变进行了分析,将分析的结果与试验结果比较,验证该模型的准确性.在此基础上进行了复合材料压力容器的渐进损伤分析,获得了复合材料压力容器在外载荷逐渐增加的情况下,复合材料缠绕层逐层失效破坏的详细信息,为复合材料压力容器的设计提供一定的依据.     

管道体积型缺陷复合材料补强的试验模拟研究

为分析管道体积型缺陷屈服前后复合材料缠绕层分担载荷的差异,在材质为X60钢、外径为508mm、壁厚为8.7mm的管件上预制深厚比约为70%的体积型缺陷,并进行低压水压试验,分析缺陷及完整管壁在弹性阶段的应力分布特点。采用玻璃纤维复合材料补强管道缺陷再次进行试验,分析试验压力上升时,管道缺陷发生塑性变形的水压值及应变响应趋势;采用水压试验结果验证有限元模型的准确性后,应用数值模拟分析管件缺陷屈服前后复合材料作用的差异。研究表明:对含体积型缺陷的管道,缺陷区域在内压作用下形成局部弯矩;复合材料缠绕层可以有效抑制这一弯矩,使弹性阶段局部弯矩的最大降幅超过50%,提高了缺陷发生屈服的压力;缺陷区域屈服之后,复合材料缠绕层分担环向载荷,对缺陷管壁的局部鼓胀具有约束作用,使补强管道沿剩余壁厚的应力分布不均匀度降低,约为未补强管道的一半,提高了管道的承载能力。     

基于时序参数法的BFRP蠕变行为预测

本文研究了基于时序参数法的玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)板弯曲蠕变行为．为了提高模型理论预测的精度,文中将整个实验时长的数据进行了合理的细化分组,且每组时长尽可能相同,然后对细化分组的数据组分别进行直接外推法拟合,得到各数据组对应的拟合方程参数,最后获得了BFRP板弯曲蠕变行为的理论预测模型．对比模型预测值和实验值可以发现：模型预测值随着时间的增长,越来越接近于实验值,最后二者的相对误差几乎为零．该结果表明：文中建立的蠕变预测模型具有足够高的精度,可以应用于BFRP的蠕变行为的预测．     

三维编织复合材料渐进损伤的非线性数值分析

基于考虑纤维束相互挤压的八边形纤维束截面单胞模型,引入周期性位移边界条件,采用 细观非线性有限元方法,建立了三维四向编织复合材料的渐进损伤拉伸强度模型. 该模型考 虑了增强体纤维束纵向非线性剪切应力-应变关系,采用Hashin型损伤失效准则定义了纤维 束的典型损伤类型,并根据纤维束和纯基体相应损伤类型所造成的材料性能退化,模拟了不 同编织角试件各类损伤产生、扩展及材料最终破坏的整个过程. 模型数值结果与实验数据吻 合较好,证明了该模型的合理有效性. 探讨了组分材料剪切非线性、损伤对材料宏观非线性 本构行为的影响,结果表明：随着编织角增大,纤维束剪切非线性效应和累积损伤对材料非 线性力学行为的影响明显增强.     

含切口损伤复合材料层合板拉伸失效行为研究

对含有不同切口损伤的复合材料层合板试件进行了拉伸试验,采用电阻应变计同步测量切口损伤前缘区域随载荷的变化,测定含切口损伤层合板的剩余强度,并讨论了损伤长度和损伤角度对剩余强度的影响规律.建立含切口损伤复合材料层合板有限元模型,分析了含切口损伤复合材料层合板的拉伸失效行为,计算了含切口损伤复合材料层合板的剩余强度,确定了剩余强度与切口损伤状态的关系.计算结果与试验结果具有较好的一致性.     

双向纤维腹板增强复合材料夹层板受弯性能实验研究

采用真空导入成型工艺,制备出双向纤维腹板增强复合材料夹层板。在四边简支条件下,对无腹板增强、不同腹板高度和间距的试件进行了集中加载实验,研究其受弯承载力、破坏形态等。结果表明:用双向纤维腹板来增强复合材料夹层板,可显著提高试件承载能力,还能有效减缓面层的剥离破坏;与此同时,腹板高度和间距的减小能减缓面板剥离现象;随着腹板高度增加和腹板间距减小,抗弯能力得到显著提高;增加腹板高度还能有效减小夹层板跨中挠度,但腹板间距对跨中挠度的影响并不明显。     

缝纫复合材料层合板面内拉伸强度研究

旨在研究由缝纫引起的材料弹性性质的变化并对缝纫复合材料层合板面内拉伸强度进行理论预测。认为缝纫引起的面内纤维偏转是缝纫影响复合材料面内力学性能的主要原因，引入最大纤维偏转角和变形区宽度两个结构参数，提出了描述材料非均匀性的纤维弯曲模型。采用多层次多尺度模拟的方法得到层合板非均匀的材料性质。通过二维有限元分析对单向拉伸载荷作用下的面内强度进行理论预测，得到与试验数据相吻合的结果，进而分析了缝纫密度对拉伸强度的影响。     

钢纤维增强砂浆的轴拉损伤力学模型

基于Li Fa Ming的平行棒模型,对短钢纤维增强砂浆的平板试件,在直接拉伸条件下的破坏行为进行了分析,假设试件由N根相互平行的复合棒组成,每根复合棒又由一根纤维棒和S根砂浆棒组成,考虑纤维在基体中分布的方向因子和长度因子.砂浆的损伤可按连续损伤力学进行处理,将Loland模型和Mazars模型加以改进来描述.依据多根纤维的拉拨模型,假定纤维与基体间界面的损伤由纤维脱粘长度与纤维插入长度的比值来描述,复合材料的损伤包括基体的损伤和纤维的损伤,借助已有的试验数据和文献资料来确定本构模型中的各种参数,成功建立了短钢纤维增强砂浆直接拉伸应力一应变全曲线模型.所建模型与试件在直接拉伸试验下的应力-应变全曲线进行了对比,结果较为吻合.     

基于纤维随机分布的单向复合材料拉伸破坏过程模拟

单向复合材料的极限拉伸强度受纤维强度变化和纤维随机分布的影响。本文提出了一种合理的纤维随机分布假设,并以此建立了剪滞数值模型。利用蒙特卡罗模拟方法结合现有模型分析了单向复合材料的拉伸失效过程,得到极限拉伸强度。与文献模型相比较的结果表明,本文的模型结果更理想。     

纺织结构复合材料力学性能的实验研究

本文通过实验测定了三维编织结构复合材料侧边未切割、受切割和中央钻孔试件的拉伸性能，对比了受切割和未切割纤维对于试件侧边拉伸应变的影响，并且讨论了拉伸失效的机理和原因．发现受切割和钻孔试件的拉伸性能低于未加工试件的性能，受切割侧边的拉伸应变高于未切割侧边的拉伸应变，三维编织结构复合材料的拉伸失效主要由纤维断裂引起的．文中还对三维编织结构复合材料的孔边应力集中现象进行了研究，并进行了深入分析，得到一个重要结论，即四步法复合材料的孔边应力集中系数比传统层板复合材料和金属材料的低．从这个意义上说，三维编织结构复合材料适合于作为含孔结构的连接件．     

NiMnGa颗粒/环氧树脂复合材料的力学性能研究

将通过球磨法获得的Ni2MnGa颗粒与双酚A二缩水甘油醚环氧树脂混合均匀并常温固化,制备出相应的复合材料试件;通过拉伸-卸载试验研究了NiMnGa颗粒对树脂基体的增强效果;以试验为基础,从细观力学的角度分析了NiMnGa颗粒对树脂基复合材料弹性特性的影响;采用商用有限元软件Abaqus,对NiMnGa/树脂复合材料单胞模型进行了仿真计算。分析结果表明:随着NiMnGa颗粒体积含量的增加,试件的拉伸模量和剪切模量增大、泊松比减小;随着椭圆NiMnGa颗粒长短半轴比的减小,复合材料纵向泊松比增加、纵向拉伸模量减小,横向拉伸模量呈先减后增的趋势,剪切模量则呈先增后减的趋势。通过对比可知试验值、理论值、有限元模拟值数值相近且变化趋势一致。     

纤维复合材料界面横向拉伸分析

以单纤维十字型横向拉伸试验为研究对象,对纤维/基体界面采用弹性-软化双线性内聚力模型,建立了纤维复合材料在横向拉伸作用下界面法向失效过程的解析模型。得到了沿纤维/基体圆周界面的法向应力分布,纤维/基体界面的状态与界面承载力和单纤维复合材料承载力的关系,以及内聚力参数和试件几何尺寸对它们的影响。结果表明:纤维/基体圆周界面在脱粘前经历全部弹性及弹性+软化两种状态;当界面为弹性状态时,界面法向应力随界面强度线性增加;当界面为弹性+软化状态时,界面软化范围随界面裂纹萌生位移的增加而增大;界面初始脱粘位置与拉伸荷载方向重合;界面初始脱粘时的界面承载力随界面强度及界面裂纹萌生位移的增加而增加,随界面裂纹生成位移的增加而降低;单纤维复合材料的脱粘荷载受基体截面尺寸的影响,当纤维体积含量相同时,沿荷载方向截面尺寸的增大对提高脱粘荷载更显著。     

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。