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。      

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。      

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。      

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。      

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。      

负载下CFRP约束混凝土应力-应变关系分析型模型

为研究负载水平对FRP(纤维增强复合材料)约束混凝土柱峰值应力和峰值应变的影响,根据32个CFRP(碳纤维增强复合材料)约束混凝土圆柱构件和16个CFRP约束混凝土方柱构件的试验结果,引入负载影响因子,对J G Teng提出的CFRP约束混凝土柱峰值应力和峰值应变计算公式进行修正.在此基础上分析了CFRP约束混凝土柱构件轴向-侧向应变关系,以J G Teng本构模型为主动约束关系,建立了负载下CFRP约束混凝土应力-应变分析型模型.研究结果表明:模型理论曲线与试验曲线接近,修正后的峰值应力和峰值应变与试验结果较吻合,圆柱构件的误差约10%,方柱构件的误差在15%左右.      

纤维取向对短纤维复合材料中应力传递的影响

以短纤维复合材料的单纤维三维模型为基础，利用三维有限元方法，通过计算短纤维增强金属基复合材料中纤维在不同取向下沿纤维长轴方向的纤维轴向正应力和界面应力的分布情况，讨论纤维取向变化对基体和纤维间应力传递的影响。研究表明，随纤维位向角α的增大，基体与纤维间的应力传递程度下降，纤维的增强效果变差。同时，不同取向下的纤维附近有不同的破坏机制，并与界面结合状态密切相关。     

橡胶夹层/复合材料粘结界面应力应变研究

复合材料和橡胶粘结成一体的防振橡胶在机械栽荷的作用下，经常发生因粘接界面破坏而导致的结构失效。用Ⅰ型加载下的双悬臂夹层梁试样，借助有限元对橡胶夹层／复合材料粘接界面的破坏进行研究，指出了橡胶夹层厚度变化以及界面裂纹长度发生改变时，橡胶／复合材料粘接界面裂纹前沿的应力和载荷作用方向上的应变的变化，及其临界断裂条件。     

金属纤维增强铝合金复合材料的研究

为了探讨金属纤维增强铝合金复合材料用做电力机车触线的实用性,本文研究了铁丝/Al—Sn—Cu—Ni、铜丝/Al—Si—Cu 和不锈钢丝/Al—Sn—Cu—Ni 复合材料的强度及界面上的元素分布。试验结果表明,铁丝/Al—Sn—Cu—Ni 复合材料较好,在其纤维和基体的界面上有一层过渡层,有利于提高复合材料的强度。     

基于粘弹性本构的CFRP加固RC梁数值仿真分析

为探讨胶黏剂粘弹性对碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢筋混凝土(RC)梁力学行为的影响,以Burger模型表征胶黏剂的应力-应变-时间关系,利用Laplace变换和逆变换推导了Burger模型Prony级数形式的松弛剪切模量;采用ABAQUS对粘贴CFRP加固RC梁进行数值模拟,分析了胶黏剂粘弹性对界面应力、CFRP轴力、RC梁弯矩和加固梁挠度的影响.研究结果表明:胶黏剂的粘弹性对加固梁的力学行为有一定的影响,随着持载时间的增加,界面峰值剪应力和峰值正应力均减小,CFRP轴力减小,RC梁弯矩增大,加固梁挠度增大;当胶层厚度为0.2 mm时,加载30 d后,界面峰值剪应力减小了40.1%,界面峰值正应力减小了33.0%,加固梁挠度增加了3.7‰,距离CFRP端部20 mm处截面上CFRP轴力减小了15.8%,RC梁弯矩增加了17.4%.     

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。      

碳纤维与混凝土界面粘结应力计算方法

为了确定碳纤维加固混凝土结构承载过程中胶层部位的剪应力分布规律,判别碳纤维与混凝土界面间是否发生剥离破坏,进行了碳纤维布加固混凝土构件的拉伸试验,基于弹性理论,推导了已知力作用下的任意点胶层界面剪应力与碳纤维正应力的计算方法。计算结果表明碳纤维与混凝土界面的剪应力、正应变的分布规律与试验结果相吻合,计算方法有较高的精度,计算得出胶层部位的极限剪切强度为3.96 MPa,在实际工程中,为防止剥离破坏的发生,应确保胶层剪切应力小于此值。     

湿热环境作用下CFRP加固钢筋混凝土梁的抗弯性能

为研究湿热环境下碳纤维增强复合材料（CFRP）加固钢筋混凝土结构的耐久性问题，采用6根湿热环境下CFRP加固的钢筋混凝土梁进行抗弯性能试验，研究在湿热环境下CFRP加固钢筋混凝土梁的破坏形态、承载力、挠度和裂缝等；根据环氧树脂老化的化学反应微分方程和反应速度的指数定律，给出环氧树脂胶层弹性模量的衰减模型；从混凝土和环氧树脂胶层的力学性能出发，提出湿热环境下CFRP加固钢筋混凝土结构后CFRP剥离时的强度计算公式，推导湿热环境作用下CFRP加固钢筋混凝土梁的抗弯承载力计算公式. 研究结果表明:随着湿热环境作用时间的增加，加固梁的抗弯承载力逐渐减小，CFRP剥离破坏由混凝土控制逐渐转换为由环氧树脂胶层控制；随着湿热环境作用的持续，混凝土裂缝数量减小、裂缝宽度增加但挠度减小，加固梁的损伤增大且脆性增加；加固梁的屈服曲率、极限曲率和曲率延性系数均减小，加固梁的延性变差且CFRP剥离破坏时的脆性和离散性增强；试验与理论计算的对比表明，在湿热环境作用下加固梁发生CFRP剥离破坏时，CFRP极限应变的理论值与试验值误差在20%以内，抗弯承载力的理论值与试验值误差在11%以内.      

X射线衍射法测试高速列车车体铝合金残余应力

为了准确、无损、快速地检测高速列车铝合金的表面残余应力,采用等强杆拉伸试验方法,用X射线衍射法对测试结果进行标定,并用X射线衍射法、盲孔法以及有限元法对测得的车体铝合金焊接接头残余应力进行了对比.结果表明:等强杆拉伸试验标定过程中,在10～70 MPa范围内,随着拉伸载荷的增加,X射线法测得的应力与载荷应力具有一致性,可采用X射线衍射法对车体关键部位应力状态进行测试分析,X射线衍射法残余应力的数值略大于理论计算值和电测法计算值;车顶铝合金焊接接头最大残余应力可达146.3 MPa;X射线衍射法与等强杆标定方法、盲孔法、有限元计算模拟方法的残余应力结果保持了较好的一致性.     

焊接残余应力对动车组铝合金车体疲劳强度的影响

采用热-弹塑性法和固有应变法计算了动车组铝合金车体对接接头的残余应力, 并进行了对比, 以验证采用固有应变法计算残余应力的合理性; 建立了车体的板壳有限元模型, 参照标准《铁路应用—铁路车辆车体的结构要求》 (EN 12663), 确定车体服役状态的疲劳载荷工况, 采用惯性释放法计算了车体有无残余应力的疲劳强度; 根据最大主应力原则, 将车体多轴应力转化为单轴应力, 得到焊缝和母材关注点的平均应力和应力幅值; 结合铝合金车体材料性能参数绘制了Goodman疲劳曲线, 计算了每个关注点的可靠性安全系数, 分析了残余应力对车体疲劳强度的影响。分析结果表明: 焊接残余应力对母材关注点影响不大, 其可靠性安全系数降幅小于5%;焊缝关注点的平均应力增加量可达25 MPa, 其可靠性安全系数降幅超过50%, 最大为54%, 使得车体容易疲劳失效; 残余应力对焊缝关注点最大主应力的方向有明显的改变。