服役温度对BFRP/铝合金粘接接头静态失效的影响

在车辆轻量化设计过程中, 为了预测BFRP/铝合金粘接接头在服役温度下的静态失效行为, 加工了处于拉应力、剪应力与拉剪组合应力状态的粘接接头, 根据车辆服役温度特点, 选取-40℃、-10℃、20℃、50℃、80℃五个温度测点, 通过准静态拉伸试验, 得到不同应力状态下接头失效强度随温度的变化规律, 分析了粘接接头失效形式和失效准则; 基于粘接接头在不同温度下的拉、剪应力, 建立了接头的二次应力失效准则方程, 对不同温度下的接头强度进行失效预测。分析结果表明: 粘接接头的失效强度受温度的影响明显, 随温度升高, 失效强度减小; 粘接接头中剪应力和拉应力的不同占比也会对接头失效强度造成一定的影响, 随着剪应力比例增大, 温度升高使接头失效强度下降更明显; 相比于低温-40℃, 高温80℃时的拉伸接头与剪切接头失效强度的下降幅度分别为47.77%与61.49%;随着温度升高, 粘接剂的失效应力和杨氏模量逐渐减小, 而失效应变逐渐增大, 说明温度很大程度上影响了粘接剂的力学性能; 粘接接头失效形式为内聚和纤维撕裂的混合失效, 拉应力作用下接头更容易发生纤维撕裂, 并且随温度升高, 纤维撕裂面积减小, 因此, 为了防止纤维撕裂, 需要避免粘接接头受拉应力作用; 粘接接头在不同温度下的二次应力失效准则曲线拟合精度均在0.957以上, 并绘制了失效准则响应曲面, 直观反映了粘接接头失效强度在车辆服役温度下的变化规律。      

考虑温度和载荷影响的动车信息窗粘接结构寿命预测

针对动车信息窗粘接结构, 考虑环境和载荷对粘接结构寿命的影响, 提出了一种加速老化与自然老化相结合的寿命预测方法; 对粘接结构影响因素进行分析, 建立了加速老化的温度-动态载荷耦合循环谱, 制作了铝合金对接接头, 分别进行0、10、20、30循环周期的加速老化试验, 定期测试接头的剩余强度和失效形式, 获得粘接剂剩余强度随载荷循环次数的变化规律; 提取自然老化下不同行驶里程的实车胶条, 进行剩余强度测试, 获得了粘接剂剩余强度随行驶里程的变化规律; 采用多项式函数分别拟合载荷循环次数、行驶里程与粘接剂剩余强度衰减率的函数关系式, 建立了载荷循环次数与行驶里程之间的函数关系式。研究结果表明: 相比粘接接头初始强度, 温度循环10、20、30周期后粘接接头的剩余强度下降幅度依次为11.6%、15.9%、20.7%, 而温度-动态载荷耦合循环后强度分别下降了14.1%、18.9%、24.8%, 说明动态载荷加剧了接头强度的衰减, 并且均呈现先快后慢的下降趋势; 温度-动态载荷耦合试验作用后, 接头断面的失效形式和机理变化明显, 初始时接头胶层发生老化失效, 而后随着载荷循环次数的增加, 接头主要失效机理由老化失效转变为疲劳失效; 加速老化与自然老化下粘接剂失效强度的衰减率变化趋势基本一致, 建立的载荷循环次数与行驶里程的函数关系式能够较准确地预测粘接结构的寿命, 预测得到动车最大安全里程为8.34×106 km。      

复合材料粘接结构强度与环境耐久性综述

为深化对复合材料粘接结构环境耐久性的研究，从胶粘剂基础研究和面向工程的粘接结构应用研究两方面综述了国内外研究现状，探讨了粘接结构老化、疲劳及其耦合作用对强度的影响，总结了单因素和多因素耦合作用下的老化机理，根据基础研究归纳了粘接结构强度预测方法和疲劳寿命预测方法，并对未来研究重点及方向进行展望。分析结果表明:温度和湿度对粘接结构力学性能影响最为显著，多因素耦合作用下的老化更具破坏性，随温度产生的固化收缩、热膨胀系数的差异以及随湿度产生的水解和增塑作用均会使粘接剂老化，且载荷能够加速吸湿对粘接界面造成损伤，从而引发结构过早失效；老化与疲劳之间存在双向耦合作用，随时间变化的交变载荷不仅会影响粘接结构的疲劳寿命，同时还会加速粘接结构老化，而粘接结构在长期服役过程中的老化又会降低结构的疲劳性能；目前尚缺乏对湿热环境与交变载荷耦合作用下老化机理的深入研究，工程应用中的内聚力模型对延展性胶粘剂和厚胶层的预测效果欠佳，应进一步提高内聚力模型在复杂应力状态下的使用精度；损伤力学模型应考虑车辆实际服役工况并加入湿热耦合因素影响以提高使用精度；粘接结构疲劳寿命预测大多基于半经验模型，且对接头疲劳行为的预测局限于特定环境条件；随着粘接技术的进一步发展，对复杂应力状态下粘接结构服役性能的有效评估与建立准静态、疲劳和环境退化综合影响的渐进损伤模型将是未来研究的重点。      

胶粘剂和CFRP吸湿对复合材料粘接接头失效的影响

对胶粘剂和复合材料的影响进行解耦;采用常温环境分别对胶粘剂、碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)和CFRP/铝合金粘接接头进行不同时间周期的浸泡,研究了不同应力状态对粘接接头失效的影响;以准静态失效测试的失效强度和失效模式分析为主,结合傅里叶变换红外光谱仪分析、差示扫描量热法分析和扫描电子显微镜分析,分别研究胶粘剂和CFRP吸湿后的失效机理,揭示了吸湿对复合材料粘接接头失效的影响机理。分析结果表明:胶粘剂在吸湿30 d后发生了水解,失效强度下降约53.7%,失效应变约为原来的3.2倍;CFRP吸湿后表面粘附性降低,容易引起界面失效,但打磨之后能够得到改善,CFRP吸湿后纤维/基体界面力学性能降低,在正应力状态下更容易造成纤维撕裂;CFRP/铝合金粘接接头的失效强度在吸湿30 d后下降了约23%,失效断面中胶粘剂出现了韧性断裂和界面失效;通过对胶粘剂、CFRP和CFRP/铝合金粘接接头吸湿后的失效分析,发现剪应力状态下的CFRP/铝合金粘接接头失效主要受胶粘剂吸湿后的性能下降影响,其次是界面失效的影响,而正应力状态下的CFRP/铝合金粘接接头失效还受CFRP性能下降造成的纤维撕裂影响。      

车身粘接结构断裂失效准则改进

为了解决现有失效准则无法满足粘接结构真实失效预测的问题, 利用试验测试与仿真分析相结合的方法建立一种基于应力的断裂失效准则; 设计了5组典型拉剪比的ISR-7008/铝合金粘接接头, 并对5组不同拉剪比的粘接接头进行准静态拉伸试验, 获得了初始断裂载荷与最大断裂载荷, 确定了胶层断裂失效点的起始位置; 建立了粘接接头的仿真模型并在仿真模型中施加初始断裂载荷, 提取出5组典型拉剪比的接头失效区域内初始断裂点的各种应力; 通过对失效点的各种应力进行比值和线性组合处理, 得出等效应力计算公式, 基于该等效应力计算公式建立适用于粘接结构的初始失效和后续失效统一的失效准则; 设计了验证试验方案, 通过对比试验结果和仿真结果, 分析了失效准则的有效性。分析结果表明: 在75°嵌接接头中, 仿真分析获得的失效载荷为1 717.6 N, 试验测试获得的失效载荷为1 936.4 N, 试验和仿真的相对误差为11.3%;仿真结果与试验测试的胶层失效过程基本吻合, 验证了本文建立的失效准则的有效性。建立的基于应力的失效准则实现了粘接结构初始失效准则和后续失效准则的统一, 可以较为准确地预测复杂应力状态下粘接接头的失效过程, 并且该失效准则解决了弹性粘接剂厚胶层的仿真问题, 为工程实际应用中的粘接结构强度设计提供了一定参考。      

压力加工对爆炸焊复合钢板结合区的影响

爆炸焊复合板经压力加工后,界面两侧晶粒会出现不协调的塑性变形,从而降低产品质量.以0Cr13/Q235爆炸焊复合板为研究对象,通过施加不同的轴向载荷使复合板产生12.5%、37.5%和50%的变形;通过光学显微镜和扫描电镜等分析不同变形量下界面的微观组织形貌和显微硬度变化规律.结果表明:塑性变形量增加引起结合界面厚度下降及界面附近显微硬度整体升高,界面两侧晶粒取向趋于一致,呈现出各向异性;但当变形量增加至50%时,其硬度略有下降.     

重载货车冲击动态特性及其对摇枕横向载荷的影响

基于摩擦缓冲器动力学理论、车钩双向接触方法与车体摇枕载荷传递模型, 构建了车辆冲击三维动力学模型, 仿真了不同冲击速度与不同空重车状态的货车冲击, 分析了车辆冲击动态特性及其对摇枕横向载荷的影响, 并通过试验对仿真结果进行了验证。分析结果表明: 利用车辆冲击三维动力学模型顺利实现了车辆冲击时缓冲器动态特性、车钩连挂动态特性与摇枕横向载荷的仿真计算, 并获得了与冲击试验较为吻合的结果, 其中车钩力误差基本小于10%, 摇枕横向载荷误差基本小于25%;空车质量较小, 在冲击作用下车钩和从板姿态变化大, 因此, 重车冲击空车时车钩力动态曲线振荡特性较重车冲击重车更为明显, 甚至局部出现尖峰; 相对于车钩接触模型与力学传递特性, 摩擦缓冲器模型存在黏滞特性, 导致重车冲击重车和重车冲击空车下车钩接触力较缓冲器阻抗力分别小24%和31%;车钩力和摇枕横向载荷随着冲击速度的提高而逐渐增大, 且时间变化历程与最大峰值出现的时间基本一致, 相同速度下重车冲击重车的车钩力要大于重车冲击空车的车钩力, 在3、5、8km·h-1速度下分别大57%、25%和37%, 而产生的摇枕横向载荷刚好相反, 3种速度下分别小42%、53%和47%, 因此, 重车与空车调车连挂过程更容易造成转向架摇枕横向载荷过大, 应严格控制其连挂速度。      

钩缓系统在不同速度条件下各界面吸能特性研究

为研究钩缓系统在不同速度条件下的碰撞响应,以某6辆编组的地铁列车为平台,基于钩缓系统能量吸收能力和各界面的能量传递顺序,建立了五种不同速度的碰撞工况,研究各界面能量变化规律.计算结果显示:配有EFG3橡胶缓冲器钩缓系统的列车,在碰撞过程中各界面能量吸收较为平均,随着碰撞速度的增加,各界面的能量增长率也较为均衡,可有效缓解碰撞界面的冲击载荷.     

基于实测数据的动车组轴箱横向载荷特性

研究了轴箱横向载荷高精度测试方法，将经过标定的轴箱安装于运用车辆，获得了载荷-时间历程，结合车辆运行状态分析了在高速线路典型服役条件下的载荷特性，编制了对应于进出站工况、低速运行、高速运行的恒幅载荷谱。研究结果表明:轴箱横向载荷影响因素主要为列车运行速度、曲线半径、道岔、轨道不平顺；运行中普遍存在着相对固定且与车辆运行速度无关的2 Hz的低载荷主频；对于大于5 Hz的频率，载荷主频与列车的运行速度直接相关，曲线通过时内轨侧轴箱载荷变化幅值稍大于外轨侧，且载荷均值以及最大载荷幅值均随列车运行速度的增大而增大；曲线半径增大的同时横向载荷均值逐渐接近于0，最大载荷幅值也逐渐减小；进出站道岔会造成横向载荷出现约10 s的一次波动，同时包含短时间冲击载荷；横向轨道不平顺会造成轴箱横向载荷在通过相应区间时出现多个大幅波动，随着运行速度的增加，波动周期缩短，峰值减小；进出隧道对横向载荷影响不明显；对于不同运行工况下的载荷谱，进出站工况载荷幅值最大，作用频次占很少部分；低速运行载荷幅值次之，作用频次占比约为1/3，高速运行载荷幅值最小，作用频次占比达到60%以上。      

车辆漏油不是小毛病

在车辆的使用中，往往会出现漏油故障。 一、常见车辆漏油的主要原因 一是密封材料长期使用后磨损过限，老化变质，变形失效。如石棉垫、纸垫、软木垫有了缺陷（如凹坑、破裂以及密封面出现划痕、毛刺、杂质颗粒等），使金属面与固体垫不能紧密贴合，就会产生界面泄漏。     

玄武岩纤维增强锚杆加固混合土室内拉拔试验研究

玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）质量轻、强度高、耐久性好,将该材料用作锚杆可有效解决传统钢筋锚杆的腐蚀问题,在恶劣环境下的工程建设中具有广阔的应用前景. 本文以广泛存在于西南山区的崩坡积混合土为对象,通过室内拉拔试验研究了锚杆类型、锚杆直径、锚固长度以及灌浆体直径等因素对极限拉拔荷载和界面剪应力的影响,并对锚固体系的破坏模式以及应力分布规律进行了分析. 研究结果表明:混合土中BFRP锚杆破坏模式均为沿灌浆体与土体界面的剪切破坏,BFRP锚杆与钢筋锚杆的抗拔承载性能基本一致,实际工程可以使用BFRP锚杆直接替代钢筋锚杆;BFRP锚杆拉拔荷载位移曲线呈三阶段形式,弹性临界荷载为极限荷载的20% ~ 28%,试验条件下锚杆的极限承载力与锚固长度、灌浆体直径成正比关系;灌浆体环向裂缝使锚杆的轴向应力沿杆体呈单峰形式分布,同时使锚固段前部的应力集中程度降低;混合土中灌浆体直径越大则界面强度越低,直径从90 mm增大为110 mm,界面强度降低约8%.      

载重车辆-伸缩缝耦合系统的垂向振动数值模拟方法

为研究车辆对大位移伸缩缝振动特性的影响,考虑轮胎载重车辆过大位移桥梁伸缩缝时的真实激励特性,提出了一种载重车辆-伸缩缝耦合系统垂向动力学模型,同时引入新型快速积分法对数值模型进行求解. 以ZL1600模数式大位移伸缩缝为研究对象,通过仿真结果与试验测试结果的对比验证模型有效性,并基于此模型分析了轮胎载重车辆对大位移伸缩缝的冲击效应. 研究结果表明:中梁测点垂向速度的动力学模型仿真结果能较好地匹配试验测试结果,仿真得到中梁测点最大下沉位移的偏差均小于10.0%,表明该模型具有较高的计算精度;车辆轮胎力的最大冲击系数出现在车轮驶上伸缩缝后方桥面时,需要考虑对此处结构进行加强;车辆轮胎对伸缩缝中梁和后方桥面的冲击系数均随车速的增大而增大,最大冲击系数分别为0.67和0.82,均超过了国内现行规范的推荐值0.45,应得到重视.      

BFRP网格改良藏式毛石墙体受力性能试验研究

为研究玄武岩纤维复材 （basalt fiber reinforced polymer，BFRP） 网格改良藏式毛石墙体（简称毛石墙体）的受力性能，分别进行了4片毛石墙体的受压试验及低周水平往复加载试验. 重点研究竖向及水平往复荷载作用下BFRP网格改良毛石墙体的受力行为、破坏形态、承载能力、耗能性能、刚度退化规律等. 试验结果表明:竖向荷载下BFRP网格改良毛石墙体墙身裂缝发展较未改良毛石墙体缓慢，其平均极限抗压承载力是未改良毛石墙体的2.72倍，改良毛石墙体的最终破坏形态为BFRP网格受拉断裂后墙体面外失稳破坏；低周水平往复荷载作用下BFRP网格改良毛石墙体的耗能性能和抗剪承载力较未改良毛石墙体有显著提高，其平均峰值抗剪承载力提高幅度达74.3%；BFRP网格改良毛石墙体的最终破坏形态为斜向贯通裂缝处BFRP网格受拉断裂后墙体的剪切破坏.      

PBL剪力连接器的承载机理与屈服荷载

为了研究PBL剪力连接器的变形特征,通过4类9组共33个试件的加载试验,测试了外加荷载和PBL连接器变形,结合试件破坏形态,揭示了PBL剪力连接器在加载全过程的承载机理,探明了影响PBL连接器变形性能的主要因素.在此基础上,提出了PBL连接器屈服荷载的定义及计算公式.研究结果表明:PBL连接器的工作可分为拟弹性、弹塑性和屈服3个阶段;混凝土榫的剪断,导致PBL连接件屈服,屈服滑移量为1.2 mm;在弹性、弹塑性阶段由混凝土榫和钢筋共同承载;在屈服阶段,主要由芯棒钢筋承载;芯棒钢筋直径和强度、混凝土榫的直径是影响变形性能的主要因素,芯棒钢筋直径不宜小于16 mm.      

风和随机车流下悬索桥伸缩缝纵向变形

为动态仿真与评估运营阶段风和随机车流联合作用下大跨钢桁悬索桥伸缩缝纵向变形, 建立了风-随机车流-钢桁悬索桥分析系统; 基于已有单主梁风-车-桥耦合振动分析系统, 引入弹簧单元模拟伸缩缝, 并从车-桥耦合关系和钢桁梁横断面风荷载精细化加载2个方面将分析系统从单主梁提升为梁格法; 基于监测数据仿真重现了交通流荷载, 采用建立的分析系统计算了一座典型大跨钢桁悬索桥伸缩缝在随机车流作用下的动态位移时程响应, 获取并验证了累计位移与交通流质量的相关关系; 以滑动支承耐磨材料厚度为评估指标确定了伸缩缝累计位移临界值, 评估了伸缩缝的正常工作寿命; 在不同风速和随机车流作用下对伸缩缝纵向变形性能进行了参数敏感性分析。分析结果表明: 伸缩缝在随机车流作用下的时位移极值远小于设计允许伸缩范围-880~880 mm; 伸缩缝累计位移与其对应时段内的交通流荷载具有正相关性; 在风与随机车流联合作用下, 风速小于15 m·s-1时, 影响伸缩缝纵向变形的主要荷载因素为随机车流, 风速大于15 m·s-1时, 主要荷载因素为风荷载; 伸缩缝时位移极值与时累计位移随风速的增大均呈增大趋势; 当风速增大至20 m·s-1时, 风荷载产生的伸缩缝纵向变形近似为车流荷载下的2倍; 建立的风-随机车流-钢桁悬索桥分析系统可为运营荷载下伸缩缝纵向变形的动态仿真与性能评估提供数值分析平台。