内压作用下复合材料修复裂纹管道的失效分析

为准确评估在内压作用下纤维复合材料修复含裂纹管道的有效性及失效压力,建立复合材料修复后裂纹管道的失效数值模型。该数值模型通过扩展有限元法模拟管道裂纹的扩展,利用cohesive单元模拟胶层的脱粘失效,复合材料的失效通过最大应力失效准则进行判定。通过静水压爆裂试验对所提失效数值模型进行验证,实验结果与数值计算结果具有较好的一致性。失效数值分析结果表明:当内压增大至一定值后,未修复管道的初始裂纹沿轴向及壁厚方向逐渐扩展,进而使得管道内壁单元扩展成真实裂纹,此时真实裂纹贯穿整个壁厚方向,即认为裂纹管道发生爆裂失效,爆裂失效压力随初始裂纹半长呈指数形式下降。复合材料修复裂纹管道的不同修复工况呈现相同的失效模式:在单调递增的内压作用下,管道内表面首先出现黏结裂纹,而后其外表面裂纹张开趋势急剧上升,使得复合材料层应力急剧上升,达到极限强度而失效。且对于不同的初始裂纹尺寸,存在对应的复合材料缠绕层数临界值。     

开孔复合材料层合板的拉伸强度和失效模式分析

为研究纤维编织工艺、铺层角度和孔径大小对开孔复合材料层合板拉伸强度和失效模式的影响规律,选用正交平纹玻纤层合板（WFL）和单向玻纤层合板（UFL）制作0°和45°铺层开孔拉伸试件,随后进行了试验研究;采用 Abaqus 建立基于二维 Hashion 失效准则的渐进损伤仿真模型,并对试验结果进行了对比,分析了试件的损伤机理。研究结果表明：层合板强度随开孔增大而减小,并且这种变化率随孔径增大而增大,45°铺层的层合板的变化率小于0°铺层,WFL 小于 UFL;WFL 的破坏以纤维断裂为主,裂纹垂直于纤维方向,UFL 以基体开裂为主,裂纹沿纤维方向,孔径则对破坏模式无明显影响;0°铺层 WFL 的破坏是由纤维拉伸失效导致,45°的则由纤维拉伸失效和基体拉伸剪切失效共同导致,0°铺层 UFL 由基体压缩失效导致,45°的则由基体拉伸剪切失效导致;拉伸强度的仿真与试验结果最大误差为14．1％,由此验证了仿真计算方法的有效性。     

军用输油管道腐蚀剩余强度数值模拟分析

对于已发生腐蚀的军用输油管道,必须对其剩余强度进行评估。本文比较了当前腐蚀管道剩余强度分析的主要方法,包括改进的B31G准则、弹塑性理论分析和有限元数值模拟分析,指出有限元分析结果更为准确。就单个蚀坑作用时的腐蚀管道和多蚀坑交互作用时的腐蚀管道的剩余强度进行了弹塑性有限元数值模拟分析,得到了一些重要结论,为军用输油管道腐蚀后剩余强度的评估提供了理论论据。     

管道机器人在三通处的通过性分析

三通是管道机器人经常遇到的典型障碍之一,克服该障碍的能力用管道机器人在三通处通过性来描述。文中提出一种描述差压驱动式管道机器人三通通过性的数学模型,该模型由一组组合约束构成。通过对约束方程的分析讨论、与管道机器人弯道通过性的对比分析,得出了规律性的结论。管道机器人在三通处的姿态、单元体的几何尺寸、行走轮结构形式对其通过性都有不同程度的影响。所提出数学模型是管道机器人三通自主行走控制策略设计和相应结构设计的理论基础。     

高温空气下C/SiC复合材料力学性能测试

测试了C/SiC复合材料在高温空气下的压缩、弯曲和拉伸性能,利用扫描电子显微镜分析复合材料在室温与高温条件下的断口微观形貌。结果表明:从室温升温到1 000 ℃测试温度时,C/SiC复合材料的压缩强度由247 MPa降低至78 MPa,性能降低68%;弯曲强度由480 MPa降低至277 MPa,性能降低42%;拉伸强度由247 MPa降低至152 MPa,性能降低38%。高温氧化导致界面退化,损伤材料基体与碳纤维结构,加剧了纤维断裂程度,改变了纤维与基体的结合状态,纤维增韧机制逐渐消失,导致复合材料性能下降。     

烧结温度对 Cf/SiC 复合材料界面的影响

系统地研究了烧结温度对Cf/SiC复合材料界面和力学性能的影响.结果表明,烧结温度较低(1700℃)时,由于复合材料的烧结性差,纤维与基体间仅仅为一种机械结合,因此纤维与基体间结合很弱,从而导致复合材料力学性能低.烧结温度提高至1800℃后,由于适量的富碳界面相不仅可避免纤维与基体间的直接结合,而且使纤维与基体间的结合强度适中,因而复合材料具有很好的力学性能.进一步提高烧结温度至1850℃或更高温度时,由于界面相与纤维间的反应加重,纤维本身性能大大降低.同时,纤维与基体间结合强度提高,因此复合材料的力学性能大大降低.     

缠绕型碳纳米管增强陶瓷基复合材料的有效刚度和应力分析

以直线型、余弦波型和缠绕型空心碳纳米管增强陶瓷基复合材料的三维特征体积单元模型为研究对象,利用满足精确周期性边界条件的均质化法计算该模型的有效弹性模量和局部应力,分析碳纳米管的几何形状、尺寸和力学特性对碳纳米管复合材料力学性能的影响,并与经典混合法则、Halpin-Tsai法及其他数值模拟的结果进行对比。结果表明：碳纳米管的几何缠绕特性对横向变形有较好的限制作用;缠绕型复合材料的力学性能呈曲线变化,比直线型和余弦波型碳纳米管复合材料更容易受几何特性的影响：缠绕型碳纳米管的最大轴向应力和最大等效应力随碳纳米管外径的增大而增大,但碳纳米管的各向异性会降低碳纳米管的最大应力,导致缠绕型碳纳米管复合材料传递应力的能力减弱;双尺度均质化法和有限元法结合能有效反映力学性能的变化特征,是分析具有复杂微观结构力学性能的有效方法。     

夹层复合材料耐压圆柱壳深水静压承载特性分析

为探究新型夹层复合材料耐压圆柱壳在深水环境中的极限承载能力及失效模式,以湿法缠绕工艺成型的圆柱壳模型为研究对象,通过开展深水静压试验研究及数值仿真,分析了结构的极限承载能力及失效模式。结果表明:夹层复合材料圆柱壳的失效模式为整体失稳,内外蒙皮均出现明显纤维断裂,伴随结构渗水,内蒙皮与芯层界面处出现分层并扩展,导致结构完全丧失承载能力。同时,在兼顾结构强度与稳定性双重指标前提下,预测了结构的渐进破坏模式及极限荷载,预测值与试验结果相比误差为5.97%。该研究为夹层复合材料耐压壳的应用设计提供了技术储备。     

纤维缠绕复合材料实芯球形结构单元耐撞性多目标优化

为了提高纤维缠绕复合材料实芯球形结构单元的耐撞能量耗散性能,在初始结构单元耐撞性分析的基础上,建立以结构单元中心承载圆柱体高径比、球形芯材短轴长轴比以及纤维缠绕复合材料表层壁厚比和缠绕角度为结构优化设计参数,以比吸能效率和冲击峰值载荷为评价指标的多目标优化模型。采用分级递进优化方法将多目标优化模型分解为两级单目标优化子模型,并通过有限元软件Abaqus得到不同子模型的碰撞响应。结合径向基函数构造近似函数模型,并采用第二代非劣排序遗传算法对结构优化设计参数进行两级递进求解,得到耐撞性能最优的结构单元。进一步开展的试验验证和破坏模式分析表明,优化设计后结构单元的耐撞吸能水平得到大幅提高,从而验证了该多目标优化分析模型的有效性。     

螺旋轮式管道检测机器人越障性能研究

建立了一种螺旋轮式管道检测机器人驱动系统的三维模型,对驱动系统通过凸台和三通的能力进行了动力学分析。研究了预紧弹簧刚度和预紧力对螺旋轮过凸台能力的影响,讨论了过三通时的几何约束和动力学约束条件,并通过算例分析,验证了模型的正确性。     

内腐蚀缺陷尺寸对DN150承插管线承压能力的影响

为了科学地指导DN150承插管线的使用与管理,采用非线性有限元法对带内腐蚀缺陷的DN150承插管线进行了剩余强度的评估。通过分析和计算,研究了腐蚀缺陷宽度、长度和深度对管线极限承载能力的影响。结果表明：腐蚀缺陷宽度对DN150承插管线的承载能力影响很小,可忽略不计;随着腐蚀缺陷长度的增加,管线的承载能力略微减小,当缺陷长度达到150mm,管道失效压力基本不变;随着腐蚀缺陷深度的增加,管道失效压力呈线性递减,其对管道失效压力的影响程度远远大于腐蚀缺陷长度。     

UHMWPE纤维混凝土基本力学性能研究

研究了一种由超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维增强的新型纤维混凝土基本力学性能。针对C70等级高强混凝土,设计了四种体积掺量纤维混凝土,通过立方体抗压、劈裂抗拉和四点弯曲抗折试验,分析了纤维掺量对混凝土力学性能的影响。结果表明：UHMWPE纤维对混凝土的抗压强度增强作用不明显,但较大提高了混凝土的抗拉强度和抗折强度,且对混凝土有很好的阻裂、增韧效果。在纤维体积掺量为0.3%~0.5%时,劈裂抗拉强度提高25%以上;掺量0.5%时,弯曲抗折强度提高率超过23%。     

先张预应力BFRP筋混凝土梁受弯性能试验研究

玄武岩纤维筋是一种新型复合材料,具有轻质、高强、非磁性、耐高温、耐酸碱等多重优点.完成了直径为10 mm的BFRP筋基本力学性能测试.进行了3根先张有粘结预应力BFRP筋混凝土梁,1根非预应力BFRP筋混凝土梁的受弯性能对比试验,分析了试验梁受力过程及破坏形态、平截面假定情况、特征荷载值、荷载--挠度关系、裂缝发展情况...     

船用复合材料与钢质高压气瓶比较设计

基于网络理论对船用复合材料高压气瓶进行了外形尺寸及厚度设计 ,并与按第三强度理论钢质气瓶的设计结果进行了比较 .结果显示 :钢制高压气瓶的重量是复合材料气瓶的重量的二十几倍     

新型BFRP筋增强混凝土受弯构件挠度控制

玄武岩纤维塑料增强筋（BFRP筋）的特性导致以其为增强筋的受弯构件出现裂缝后刚度降低非常明显,变形发展过快。因此,对BFRP筋混凝土梁的设计主要应根据其变形性能标准的要求来进行。为方便设计人员进行BFRP筋受弯构件设计,结合试验研究,通过对比国内外有关FRP筋混凝土梁开裂截面有限惯性矩计算模型的研究,探索出适合BFRP筋混凝土梁开裂截面有效惯性矩计算模型;通过建模分析,表明有限元计算模型和其他几种计算模型一起可以应用于BFRP筋混凝土梁直接挠度控制。推导出FRP筋受弯构件配筋率计算公式,结合直接挠度控制研究,提出通过控制跨高比限值来进行梁尺寸初选的间接挠度控制计算公式。     

玄武岩纤维增强塑料筋耐海水腐蚀性研究

海工工程中由于海水的腐蚀,混凝土中的钢筋会出现锈蚀等问题.玄武岩纤维增强塑料筋作为一种新型建筑材料,用来代替钢筋用在海工工程等腐蚀性较强的混凝土中,以此避免钢筋锈蚀带来的耐久性问题.研究了玄武岩纤维增强塑料筋耐海水腐蚀性,采用常温长期浸泡和高温浸泡加速腐蚀试验方法,得出玄武岩纤维增强塑料筋在常温下耐海水腐蚀性较强,而在...     

碳纤维强度的统计特性及对复合材料线芯力学性能的影响

测试了国产T300级碳纤维的单丝和复丝拉伸强度,并用Weibull分布来描述碳纤维单丝平均拉伸强度。采用拉挤工艺制备出国产碳纤维复合线芯,测试了国产碳纤维复合线芯的弯曲强度和短梁剪切强度性能。结果表明:国产T300级碳纤维单丝拉伸强度性能达到东丽T300碳纤维水平,且分散性更小;复丝强度略低。国产T300级碳纤维集束性较差,在拉挤抽纱过程中,容易夹纱和起毛。在纤维体积含量基本相同情况下,国产T300级碳纤维复合线芯力学性能与东丽T700碳纤维复合线芯力学性能相差不大。     

多轴向织物层合板层间剪切强度有限元分析与实验研究

用VIMP工艺制备了UD、0/45/-45、0/45/90/-45三种多轴向织物增强,四种厚度的GFRP层合板试样,采用短梁剪切实验考察了层间剪切强度和破坏模式。建立了GFRP层合板短梁剪切试样有限元模型,计算了内部层间剪应力分布。结合计算和实验结果分析表明层合板存在由宽度方向层间剪应力变化导致的自由边缘效应,含偏轴铺层的层合板更容易发生边缘开裂破坏。厚度相同时0/45/-45多轴向织物增强层合板的层间剪切强度最高。短梁剪切强度测试存在尺寸效应,随着厚度的增加,强度下降,样品波动系数增大。     

A theoretical justification for an increasing average failure rate strength distribution in fibrous composites

A general model for the failure of fibrous composite materials is described. It is shown to contain some of the well-known models in the literature. The composite material is viewed as a coherent system of independent identically distributed component strengths. Under the assumption that the applied load is redistributed “homotonically” to the unfailed components upon the failure of a component (an individual fiber segment) and that the distributions of component strengths are IFRA, it is shown that the system (composite) strength distribution is also IFRA. Examples are given using carbon reinforced composite data to illustrate the IFRA property.