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。     

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。     

路基静态土压力与温度的关系研究

对长春-双辽高速公路K37 km处换填山皮石断面与K42 km处石灰土处置断面的土压力与温度监测结果进行分析,利用OriginPro8.0软件分析路基不同埋置深度处静态土压力随温度的变化规律.研究结果表明:随着温度的降低,路基静态土压力呈现先增后减的趋势,在K37 km处静态土压力随温度的平均变化率为1.64;而K42 km处静态土压力随温度的平均变化率为0.60.对比两处断面的监测结果可知,在静态土压力方面,换填山皮石断面比石灰处置土断面对温度的敏感性更高.     

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。     

钢轨扣件失效对列车动态脱轨的影响

建立了非对称车辆/轨道耦合动力学模型, 分析轨道扣件失效对车辆动态脱轨的影响, 考虑离散轨枕支承对车辆/轨道耦合作用的影响, 通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟扣件组失效状态, 推导了考虑钢轨横向和垂向以及扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式, 利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力, 采用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程, 通过数值分析计算, 得到轮轨横垂向力之比、轮重减载率、脱轨危险状态的持续时间和轮对踏面上轮轨接触点位置的变化。连续5个钢轨扣件不同程度失效对列车动态脱轨的影响的数值模拟结果表明, 如果失效因子从0.8增大到1.0, 即钢轨扣件经历从接近完全松脱到完全松脱, 钢轨扣件失效对列车动态脱轨影响呈指数规律。     

接头位置及刚度对预制箱形结构内力的影响

利用弹性二维有限元分析模型, 把广州地铁三号线明挖段初步设计阶段的整体双跨箱形结构划分为顶板、底板和边墙5块构件, 计算了边墙与顶板的连接接头的设置位置及其抗弯刚度变化对预制双跨箱形结构内力的影响。结果表明: 接头抗弯刚度的变化主要影响边墙最大正弯矩、顶板最大负弯矩和顶板最大正弯矩; 而且接头的位置离顶板轴线距离越小, 顶板最大正弯矩和边墙最大正弯矩越大, 而顶板最大负弯矩越小; 因为顶板最大正弯矩和边墙最大正弯矩均小于顶板最大负弯矩, 所以接头设置在边墙适当的负弯矩处比较有利。     

焊接工艺对6061-T6铝合金接头疲劳性能的影响

通过脉动拉伸疲劳性能试验和对疲劳断口的形貌分析,分别对不同线能量、不同预热温度和不同层间温度下的6061-T6铝合金MIG焊对接接头疲劳性能进行了研究.结果表明:随着线能量的增加和预热温度的降低,接头指定寿命为1×107的中值疲劳极限σ01有所升高,且在不同层间温度下,层间温度为70 ～90℃时中值疲劳极限σ01较高.疲劳试验中所有断裂试件均在焊缝处断裂,其断口形貌分析表明:试验试件焊缝处表面或近表面的气孔是整个疲劳断裂的启裂源,在脉动载荷的作用下,裂纹从此处产生并向内部逐渐扩展.疲劳裂纹启裂区和扩展区具有典型的疲劳断裂特征,疲劳纹清晰,终断区为韧窝型断口形貌.     

加工与存储温度对SBS改性沥青的性能影响分析

选取4个加工温度(160,170,180,190℃)与3个存储温度(90,120,150℃)对3种SBS改性沥青(E+S-YS,E+S-YY,S+S-YY)进行改性加工与存储;应用沥青常规试验与重复蠕变试验,进行了感温性、高温性能、低温性能的试验研究。研究结果表明:不同的加工温度与储存温度,对3种SBS改性沥青的性能影响不同,当加工温度为180℃、存储温度为150℃时,S-YY改性剂的改性沥青各项性能达到最优;当加工温度为170℃、存储温度为120℃时,S-YS改性剂的改性沥青各项性能达到最优。针对不同类型的SBS改性沥青提出相应的制备与存储的温度推荐值。     

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。