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。      

湿热老化对BFRP粘接接头横向冲击力学性能的影响

为了给车辆粘接结构的碰撞安全提供参考, 选取玄武岩纤维复合材料(BFRP)制作了单搭接接头; 根据车辆服役环境, 选取温度/湿度为80℃/30%和80℃/95%两种环境(GWCS和GWGS), 对接头分别进行了0、5、10和15 d的老化, 通过准静态拉伸测试了失效载荷和失效形式随时间的变化规律; 利用差示扫描量热法分析了BFRP和粘接剂在老化前、后的玻璃态转变温度; 对未老化和老化15 d后的接头进行了冲击能量为0、20、40和60 J的横向冲击试验, 分析了能量吸收、最大冲击载荷和最大变形随冲击能量的变化规律, 同时测试了接头失效载荷和失效形式的变化规律。分析结果表明: GWCS环境下, 老化后接头失效载荷下降比较小, 粘接剂发生后固化反应, BFRP发生分子链断裂, 接头更容易发生基体开裂或者纤维撕裂; GWGS环境下, 老化能明显加速接头性能的退化, 容易造成粘接剂与BFRP界面发生水解和膨胀, 老化15 d后失效载荷下降了54.99%, 失效断面为界面与内聚为主的混合失效; GWCS环境下, 老化后接头具有较好的承受冲击载荷和抵抗变形的能力, 冲击后失效载荷变化不大; GWGS环境下, 老化后接头受横向冲击影响明显, 承受冲击载荷和抵抗变形的能力较差, 在60 J冲击后接头表面损伤严重, 失效载荷下降明显, 下降幅度为58.71%, 失效断面为界面与内聚为主的混合失效, 损伤裂纹较为明显。可见, 车辆服役过程中, 粘接结构需尽量避免受高温高湿环境的作用, 尤其注意横向冲击对老化后粘接结构的影响。      

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。      

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。      

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。      

地铁减振扣件轨下弹性垫刚度特性与寿命预测

为了研究地铁减振扣件弹性垫在服役过程中刚度敏感性和对线路环境振动的影响，以南京地铁多条运营线路中抽取的压缩型减振扣件为研究对象，开展了压缩型扣件轨下弹性垫服役刚度特性、常温下疲劳特性和热加速疲劳老化特性等多环境室内综合测试；基于测试结果对比分析了新旧压缩型扣件轨下弹性垫使用时间与刚度变化的相关性，得到了轨下弹性垫的时间-寿命特性曲线，提出了轨下弹性垫刚度变化百分比与使用时间的寿命预测模型。研究结果表明：在周期性轮轨载荷和线路温湿碱环境等综合作用下，地铁减振扣件轨下弹性垫的服役刚度随使用时间呈线性增加趋势，其弹性发生了性能退化；新的轨下弹性垫热加速疲劳老化刚度曲线与服役抽样轨下弹性垫的刚度曲线趋势基本一致，即轨下弹性垫的热加速循环老化试验能够模拟或演化轨道交通线路的热机械循环载荷等现场条件；基于Arrhenius寿命-应力热加速老化模型，轨下弹性垫服役应力和加速老化应力下的加速因子分别为1.99和1.36,进而可通过加速因子预测减振扣件轨下弹性垫的更换周期。     

基于失效温度动态方程的沥青抗老化性能评价

为了研究沥青的抗老化性能并预测其野外失效龄期,选用1种普通沥青和2种SBS改性沥青。在同一温度下,分3个不同的时段进行了旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)。用动态剪切流变仪(DSR),测定了不同时段老化沥青的高温失效温度和中温失效温度。运用回归分析,拟合了3种沥青失效温度和25℃针入度与RTFOT老化时间的动态方程。分析了老化过程中高温抗车辙性能和中温抗疲劳性能的变化规律,并推算出中温抗疲劳性能失效时的临界RTFOT老化时间。以该老化区间为基础,评价了沥青的老化度和老化速率。研究结果表明:中温抗疲劳性能失效时对应的临界RTFOT老化时间能够用于区分不同种类沥青的抗老化性能,而25℃残留针入度比适用于评价同种沥青的抗老化性能,并且还可以将动态方程联合起来,预测沥青的野外失效龄期。     

制氢转化炉炉管的可靠性分析

利用MINNITAB软件进行制氢转化炉炉管寿命试验数据的统计分析,根据炉管失效数据分布概要图初步判定失效数据服从指数分布函数,进一步采用Bartlett值验证炉管失效数据也服从指数分布.以此分布函数为基础进行可靠性分析,计算出炉管失效率、可靠度、平均寿命、剩余寿命等参数.通过比较不同炉内温度运行时的年平均利润,确定最优的炉内运行温度是946.1摄氏度,可以实现企业年平均利润最大化.根据Nakagawa的研究确定对炉管最佳的检查维修间隔时间是178小时,可以实现炉管总预计检查维修费用最小化.     

中小运量跨座式单轨车体疲劳寿命预测

针对中小运量跨座式单轨车辆头车车体受到循环动态载荷作用时在局部应力集中部位产生损伤并逐步积累,最终导致裂纹或者断裂的疲劳失效现象,通过有限元理论与疲劳分析理论结合对车体进行了疲劳寿命预测。分别将Simpack仿真分析获取的载荷时间历程和试验获取的载荷时间历程作为车体疲劳激励,选用修正后的车体构件S-N曲线,利用nCode Design-Life对车体进行了疲劳寿命预测。基于仿真载荷时间历程和基于试验载荷时间历程的疲劳寿命分别为68.19、71.58a,两种疲劳寿命分析结果均大于使用寿命年限30a。     

沥青混合料疲劳损伤过程的劈裂剩余强度研究

通过劈裂疲劳试验原理,研究经过疲劳损伤后沥青混合料劈裂抗拉剩余强度。依据劈裂疲劳试验方法,设定4个应力比2个加载频率试验条件得出沥青混合料S—N疲劳方程。根据疲劳方程结果与线性损伤理论,规定疲劳损伤程度分别为20%、40%、50%、60%、80%,确定各试验条件下不同损伤程度的疲劳作用次数。经过不同损伤程度疲劳试验后,对各沥青混合料试件进行劈裂剩余强度试验,并建立各试验条件劈裂剩余强度—损伤程度变化规律。为量化计算AC—13型沥青混合料剩余强度随损伤的变化规律,引入指数函数y=keax关系式拟合各试验条件坐标,得出劈裂剩余强度—损伤程度的指数表达式。     

土工袋竖向承载及循环压缩特性试验研究

土工袋技术近年来已被成功应用于房屋地基加固,具有较好的隔震效果,但其在动荷载条件下的变形特性尚未深入研究.为了进一步分析土工袋竖向承载能力及变形特性,开展一系列室内土工袋组合体无侧限极限抗压强度试验以及循环压缩试验,并通过控制循环次数、上部静荷载及循环荷载比值的大小研究其对土工袋组合体竖向应力、应变和动压缩模量的影响.试验结果表明：随着层数的增加,土工袋组合体极限抗压强度逐渐减小并趋于稳定值0.7 MPa,压缩模量峰值也随之减小并稳定于6.73 MPa;循环压缩试验初期土工袋组合体塑性变形显著,每一循环周期产生的竖向残余应变随着循环次数的增加逐渐减小并趋于0;动压缩模量在试验过程中基本保持稳定,不受循环次数的影响;随着上部静荷载的增大,土工袋组合体动压缩模量逐渐增大,上部静荷载为50 kN的土工袋组合体经过200次循环荷载作用后动压缩模量达到53.87 MPa;反之,循环荷载比值越大,动压缩模量越小,循环荷载比值为0.4条件下土工袋组合体在200次循环荷载作用后仍能达到49.39 MPa;在竖向动荷载作用下,土工袋能够满足其作为隔震材料的承载能力及稳定性要求.     

曲面混凝土构件内弧粘贴FRP弦剥离效应

进行了26个曲面构件的FRP-混凝土界面粘贴试验, 研究了混凝土强度、FRP粘贴层数、FRP粘贴长度与构件曲率对粘贴强度、界面应变与破坏机理的影响。研究结果表明: 曲面混凝土构件内弧粘贴FRP易出现3种破坏形态: 弦剥离破坏、FRP在裂缝处被拉断和FRP在试件裂缝一侧发生剥离, 其中构件曲率越大, 越容易发生弦剥离破坏, 小曲率构件多发生FRP拉断破坏; 随外荷载的增大, FRP应变峰值有一个向后传递的变化过程, 说明沿纤维长度方向的FRP并不是全部参与工作, 存在一个有效工作(粘贴) 长度; 对本试验数据采用虚拟零点方法分析得出, 曲面混凝土构件内弧粘贴FRP有效粘贴长度约为14 cm; 曲率对粘贴强度影响显著, 曲率增大, 纤维应变梯度增大, 有效粘贴长度变小, 粘贴强度降低; 曲率相同时, 纤维层数越多, 沿纤维方向应变分布越均匀, 粘贴强度越大, 但是这一增长并非与FRP层数成线性关系, 2层纤维粘贴强度约为1层的1.5倍; 当纤维层数增加时, 粘贴层法向应力增大较快, 试件更易发生弦剥离破坏, 这种破坏是由法向粘贴应力与面内剪应力的耦合效应引起的; 粘贴层应力函数可用内弧曲率圆心角的余弦函数表示, 当矢高分别为30、60、90 mm时, 构件平均误差分别为7.7%、2.4%与8.8%, 因此, 函数精度较高。      

机场道面高频振捣密实混凝土弯曲疲劳性能演化特征

为了验证高频振捣滑模摊铺工艺的可靠性及其对含大粒径骨料(最大粒径为40 mm)干硬性混凝土疲劳演化特征的影响, 分别采用小型机具施工工艺(低频振捣)和滑模施工工艺(高频振捣)在郑州新郑机场摊铺40 cm厚混凝土道面板; 对现场切割试件与室内相同配比成型的试件(尺寸均为150 mm×150 mm×550 mm)进行了弯拉强度与疲劳试验, 测量了跨中梁底应变和竖向位移; 根据可靠度理论分析了不同工艺成型混凝土小梁的弯曲疲劳寿命概率分布特征, 建立了弯曲疲劳方程, 进一步分析了试件的弹性模量衰减特征和梁底残余拉伸应变演变规律。研究结果表明: 高频振捣工艺能使混凝土更加致密, 试件平均疲劳寿命较低频振动成型试件长约27%;双对数疲劳方程能够很好地表征含大粒径骨料道面混凝土的疲劳行为; 高应力水平下高频振捣成型混凝土疲劳寿命比室内成型混凝土长4%, 低应力水平下高频振捣成型混凝土疲劳寿命比室内成型混凝土长18%以上; 混凝土抗弯拉弹性模量随加载循环比的增加基本呈线性衰减特征, 试件临近破坏时的抗弯拉弹性模量为初始模量的50%~80%;在重复荷载作用下, 梁底轴向残余应变随加载次数的增加而增大; 提出的4种典型演化形态可表征不同应力水平下混凝土残余应变的复杂增长趋势; 骨料粒径增大是导致试件疲劳性能演变规律离散性的主要原因, 疲劳荷载作用下的累积损伤和骨料依次失效过程是混凝土残余应变演化曲线出现明显台阶特征的主要原因。研究结果为进一步通过足尺环道加速加载试验建立室内试验与现场足尺道面板性能关联方程奠定了基础。      

基于多模型融合的电动汽车行驶里程预测

纯电动汽车行驶里程预测是驾驶者最关心的问题之一，为解决现有预测算法模型精度低、相对误差大的问题，本文采用融合片段回归与单点分类的机器学习方法对行驶里程进行预测.以真实车辆各项状态参数、环境信息等作为输入，通过聚类和过滤封装式特征筛选，提取最优特征集合，并基于行驶片段样本量选择预测方法，通过对环境温度和电池健康状态(SOH)进行分层耦合提高片段回归预测精度，通过单点分类和片段回归预测模型融合优化最终预测结果.行驶里程测试集预测结果中均方根相对误差(RMSRE)为0.035，平均相对误差为1.71%，能够精确稳定地实现行驶里程预测.     

基于多模型融合的电动汽车行驶里程预测

纯电动汽车行驶里程预测是驾驶者最关心的问题之一，为解决现有预测算法模型精度低、相对误差大的问题，本文采用融合片段回归与单点分类的机器学习方法对行驶里程进行预测.以真实车辆各项状态参数、环境信息等作为输入，通过聚类和过滤封装式特征筛选，提取最优特征集合，并基于行驶片段样本量选择预测方法，通过对环境温度和电池健康状态(SOH)进行分层耦合提高片段回归预测精度，通过单点分类和片段回归预测模型融合优化最终预测结果.行驶里程测试集预测结果中均方根相对误差(RMSRE)为0.035，平均相对误差为1.71%，能够精确稳定地实现行驶里程预测.     

环氧沥青铺装材料加速加载试验研究

针对环氧沥青钢桥面铺装材料,通过借助MMLS3加速加载试验方法,分析了大跨径钢桥面环氧沥青铺装面层、粘结层与钢箱梁底层受力变形与加载次数的变化规律.试验结果表明：环氧沥青铺装各结构层动载变形分布范围稳定.在长期循环荷载作用下,其抗疲劳性能优异.