CFRP加固带缺陷钢结构的界面应力有限元分析

发布时间：2017-05-19 00:06

  本文关键词：CFRP加固带缺陷钢结构的界面应力有限元分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：利用碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP)加固带缺陷钢结构,往往粘结层是最薄弱的环节。本文根据CFRP加固带缺陷钢梁与CFRP加固带缺陷钢板的试验模型,通过大型通用商业有限元软件ABAQUS,采用混合模式内聚力法则作为粘结层本构,建立了CFRP加固带缺陷钢梁和CFRP加固带缺陷钢板的有限元模型。将有限元结果与试验结果进行了对比验证,分析了CFRP加固带缺陷钢梁与CFRP加固带缺陷钢板的承载能力和界面裂纹扩展规律,并对有限元模型进行了参数分析。主要研究内容与结论包括：(1)建立了CFRP加固带缺陷钢梁的有限元模型。有限元结果与试验结果的荷载挠度发展曲线吻合较好,CFRP纵向应变分布也基本保持一致。结果显示有限元钢梁的破坏模式为首先缺口附近的界面应力降为0而产生裂纹,随后往CFRP板端部进行扩展,这也与试验现象保持一致。有限元结果与试验结果的开裂荷载偏差较小,且极限荷载的最大偏差也小于6.0%。说明利用本文的模型具有良好的精度,结果是可靠的。(2)基于得到验证的CFRP加固带缺陷钢梁的有限元模型,探讨了裂纹深度、CFRP弹性模量和厚度的改变对CFRP加固带缺陷钢梁加固效果的影响。结果表明：裂纹长度越大缺口处界面应力下降相对更快,粘结层更容易开裂,且极限承载力和延性会明显降低。而CFRP板弹性模量和厚度越大,缺口处界面应力下降趋势相对更缓慢。增大CFRP弹性模量和厚度可以有效延缓粘结层的开裂并提高极限承载力,但延性会明显降低而过早发生剥离。(3)建立了CFRP加固带缺陷钢板的有限元模型。结果表明：全贴加固方式A和边贴加固方式B的有限元结果与试验结果的荷载应变发展曲线均吻合较好。同时全贴加固方式A的极限荷载相对更大且延性更好,因此加固效果更好。全贴加固方式A和边贴加固方式B的破坏模式均在板端界面应力率先降为0而产生裂纹并往圆孔裂纹附近扩展至剥离,这也与试验现象一致,进一步验证了该模型的准确性。(4)基于CFRP加固带缺陷钢板的有限元模型,分析了CFRP弹性模量和厚度对两种加固方式的影响。结果显示提高CFRP板的弹性模量和厚度可以明显提高两种加固方式的刚度。但CFRP板的弹性模量和厚度的提高对全贴加固方式A的开裂荷载和界面应力没有影响,而会降低极限荷载。同时提高CFRP板的弹性模量和厚度将导致边贴加固方式B的粘结层提早发生软化,而对开裂荷载和极限荷载的影响很小。
【关键词】：有限元分析 界面应力 CFRP板 缺陷钢梁 缺陷钢板
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU391
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 引言13-14
• 1.2 CFRP加固修复钢结构的国内外研究现状14-19
• 1.2.1 CFRP加固钢结构的静力学性能研究14-15
• 1.2.2 CFRP加固钢结构的疲劳性能研究15-16
• 1.2.3 CFRP加固钢结构的界面性能研究16-17
• 1.2.4 CFRP加固钢结构的数值分析研究17-19
• 1.3 课题研究的目的和意义19
• 1.4 本文的研究内容19-21
• 第二章 CFRP加固带缺陷钢结构的粘结层本构模型研究21-32
• 2.1 CFRP加固钢结构的粘结机理21-22
• 2.2 CFRP加固钢结构的粘结破坏类型22-23
• 2.3 粘结层本构模型23-30
• 2.3.1 粘结分离模型24-25
• 2.3.2 粘结滑移模型25-27
• 2.3.3 混合模式内聚力法则27-30
• 2.4 本章小结30-32
• 第三章 CFRP加固带缺陷钢梁的界面应力有限元分析32-55
• 3.1 CFRP加固带缺陷钢梁的有限元分析32-38
• 3.1.1 试验几何模型介绍与材料参数32-35
• 3.1.2 有限元模型的建立步骤介绍35-36
• 3.1.3 模型网格划分36-38
• 3.2 CFRP加固带缺陷钢梁的有限元模型精度验证38-41
• 3.2.1 荷载-跨中挠度曲线对比验证38-39
• 3.2.2 CFRP纵向应变分布对比验证39-41
• 3.2.3 CFRP加固带缺陷钢梁承载力对比41
• 3.3 CFRP加固带缺陷钢梁的界面应力分布41-49
• 3.3.1 有限元结果-粘结界面应力分布41-48
• 3.3.2 有限元与试验的粘结界面破坏模式对比48
• 3.3.3 粘结界面应力理论值与有限元结果对比48-49
• 3.4 参数分析49-54
• 3.4.1 裂纹长度对CFRP加固带缺陷钢梁的影响49-51
• 3.4.2 CFRP弹性模量对CFRP加固带缺陷钢梁的影响51-52
• 3.4.3 CFRP板厚度对CFRP加固带缺陷钢梁的影响52-54
• 3.5 本章小结54-55
• 第四章 CFRP加固带缺陷钢板的界面应力有限元分析55-74
• 4.1 CFRP加固带缺陷钢板粘结层开裂的有限元分析55-60
• 4.1.1 试验几何模型介绍与材料参数55-57
• 4.1.2 两种加固方式的有限元模型介绍57-60
• 4.2 模型精度验证-荷载-CFRP应变曲线60-61
• 4.2.1 全帖加固方式A荷载-CFRP应变曲线60-61
• 4.2.2 边贴加固方式B荷载-CFRP应变曲线61
• 4.3 两种加固方式的荷载-位移曲线对比61-62
• 4.4 CFRP加固带缺陷钢板界面应力分布62-67
• 4.4.1 全帖加固方式A的界面应力分布62-65
• 4.4.2 边贴加固方式B的界面应力分布65-67
• 4.5 参数分析67-72
• 4.5.1 CFRP参数对全帖加固方式A的影响67-70
• 4.5.2 CFRP参数对边贴加固方式B的影响70-72
• 4.6 本章小结72-74
• 结论与展望74-76
• 参考文献76-81
• 攻读学位期间发表的论文81-83
• 致谢83

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