格构增强轻木夹芯复合材料结构疲劳机理研究与寿命预测

发布时间：2020-09-27 18:56

　　玻璃纤维增强复合材料(GFRP)结构因其比强度高、耐腐蚀性能好、经济性好等优点在基础设施领域中逐步广泛应用,复合材料夹芯结构,作为一种高效的结构形式,在土木工程和海洋工程等领域具有良好的应用前景,可用于道路垫板、桥面板、快速拼装房屋及桥梁防撞装置等。通过对此类复合材料夹芯结构件在土木工程中的实际应用及分析发现,疲劳损伤累积是导致其最终失效的主要原因之一,在疲劳交变载荷作用下,夹芯结构的纤维面板、芯材会发生不同程度的损伤破坏及界面脱粘现象,直接影响了构件的承载力和耐久性,严重制约了结构的可靠度和安全性。本文结合工程实际,以GFRP作为面板、巴沙木(balsa)作为芯材的夹芯结构为研究对象,采用试验研究与理论分析相结合的方法,研究了有、无格构增强的复合材料夹芯结构的疲劳行为和失效机理,建立了相应的寿命预测模型,并对复合材料夹芯结构的疲劳寿命进行了分析和预测。本文主要研究内容和成果有:(1)轻木夹芯复合材料结构组分材料的疲劳性能研究。以荷载水平为变化参数,对GFRP层合板进行拉伸疲劳性能试验;采用短梁三点弯曲加载方式,对balsa芯材进行剪切疲劳性能试验;得到两种组分材料的疲劳失效模式、破坏机理和疲劳寿命影响因素等,并建立起相应的拉伸疲劳S-N曲线和剪切疲劳S-N曲线。结果表明:GFRP片材拉伸疲劳行为与载荷水平相关;Balsa夹芯短梁芯材疲劳剪切断裂沿木纤维纹理,疲劳破坏过程呈现明显的脆性特征。GFRP片材的疲劳寿命分布表现出明显的“静强度破坏、退化和疲劳极限”三阶段,疲劳极限约为r=0.165;balsa芯材的剪切疲劳寿命数据离散性较大,但寿命与载荷等级之间的对应关系仍具有明显的规律性。(2)轻木夹芯复合材料结构的弯曲疲劳性能试验研究。对不同跨高比及格构设置的轻木夹芯复合材料梁进行四点弯曲疲劳试验,研究了夹芯梁的疲劳破坏过程、失效模式和疲劳寿命,分析了疲劳试验中界面剥离行为。结果表明:无格构夹芯梁的失效模式为芯材剪切与面板脱粘;格构增强夹芯梁的失效模式随格构设置及载荷等级变化,主要表现为上面板屈曲或压坏、下面板拉断等;对于格构增强试件,芯材中出现可见裂纹至试件失效的持续时间较长,失效模式呈现出明显的延性特征,即试件可带裂缝工作,夹芯梁的疲劳寿命与格构设置、载荷等级和试件跨高比相关;界面裂纹形式为Ⅰ-Ⅱ混合型,证明芯材剪切裂缝引起了芯材与面板之间的界面剥离,格构增强夹芯梁中格构腹板的存在可有效的减缓甚至阻止界面裂纹的扩展,格构增强夹芯梁的抗剥离性能随格构数量增加而变强。(3)轻木夹芯复合材料结构疲劳寿命分析。系统地建立了轻木夹芯复合材料梁的可线性化、非可线性化的疲劳寿命曲线模型,对轻木夹芯复合材料梁的疲劳寿命进行量化分析,预测了夹芯梁的疲劳极限。结果表明:复合材料层合板适用的三参数S-N曲线模型可能较好的适用于预测轻木夹芯复合材料梁的疲劳寿命;从适用度来看,双参数模型仅适用于描述或预测中高周期内的疲劳寿命,三参数模型可对夹芯梁的全周期寿命进行准确预测时。此外,基于等效截面法和多元非线性回归方法,针对三参数寿命模型进行参数回归分析,得到三参数模型中各参数与跨高比、格构设置的关系,将三参数模型的适用性扩大。(4)轻木夹芯复合材料结构疲劳损伤行为分析和累积损伤模型建立。分析夹芯结构的挠度变化规律及刚度衰减规律,判定无格构夹芯梁的疲劳损伤是芯材中微裂纹和微孔洞不断萌生且通过芯材扩展的过程,而格构增强夹芯梁疲劳损伤主要原因是上、下面板的GFRP拉伸或压缩疲劳引起。基于累积损伤理论、一阶剪切变形理论、剩余刚度理论,分别建立了适用于无格构轻木夹芯复合材料结构、格构增强轻木夹芯复合材料结构的“指数型”疲劳累积损伤模型,并依据模型对夹芯结构的疲劳寿命进行预测,合理地解释了不同格构设置、不同跨高比的夹芯结构寿命预测和损伤评价问题。分析了夹芯梁累积损伤模型中各参数的分布规律,并据此预测了夹芯梁的疲劳损伤量和寿命。(5)基于BP神经网络的轻木夹芯复合材料结构疲劳寿命预测。将轻木夹芯复合材料结构的疲劳损伤累积行为看作是一个非稳态的过程,选择载荷等级、腹板等效面积比、试件跨高比作为输入项,疲劳寿命作为输出项,利用BP神经网络对轻木夹芯复合材料梁的疲劳寿命进行预测,并与四点弯曲疲劳试验寿命值、累积损伤模型寿命预测值对比。结果表明:BP神经网络可以通过样本数据提取到隐含的非线性关系,BP神经网络对所有样本数据的内在特征给予完整体现,有较强的聚类性,对所有单个数据点的预测效果都较好;与此同时,利用建立的BP神经网络模型对输入层中不同因素的权重进行了量化。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU31
【部分图文】：

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