玻璃鋼錨環(huán)承載性能的有限元分析

劉建月，崔小朝，劉偉婧，鄭亞東

（1.太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，太原　030024；2.太原理工大學(xué)應(yīng)用力學(xué)與生物醫(yī)學(xué)研究所，太原　030024）

玻璃鋼錨環(huán)承載性能的有限元分析

劉建月1，崔小朝1，劉偉婧2，鄭亞東1

（1.太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，太原030024；2.太原理工大學(xué)應(yīng)用力學(xué)與生物醫(yī)學(xué)研究所，太原030024）

通過ABAQUS有限元分析軟件建立了連續(xù)玻璃纖維纏繞的聚酯樹脂基玻璃鋼錨環(huán)的有限元計(jì)算模型，對(duì)玻璃鋼錨環(huán)與金屬夾片、鋼絞線配合使用的支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了加載分析。通過改變玻璃鋼錨環(huán)的半錐角，研究了玻璃鋼錨環(huán)與夾片的錐角搭配對(duì)錨具承載性能的影響。計(jì)算分析表明，在300 kN載荷作用下，計(jì)算模型中錨環(huán)纖維方向承載性能良好；軸對(duì)稱面內(nèi)最大主應(yīng)力集中在錨環(huán)與夾片接觸面附近，此處小范圍基體開裂對(duì)錨環(huán)承載性能影響不大；錨環(huán)對(duì)稱面內(nèi)剪應(yīng)力大面積超出基體強(qiáng)度極限，是影響錨環(huán)承載性能的主要因素。當(dāng)夾片半錐角為7°時(shí)，玻璃鋼錨環(huán)半錐角為6.3°～6.5°能改善錨環(huán)的應(yīng)力分布狀態(tài)，提高錨具的承載能力。

玻璃鋼；錨環(huán)；有限元分析；錐角搭配

錨具是錨索支護(hù)系統(tǒng)中的核心部件，由錨環(huán)、夾片和錨墊板三部分組成［1］，煤礦用礦用單孔錨具在礦井煤幫和頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)中起到傳遞錨索張力，固定錨索的作用。錨具的承載能力和性能對(duì)煤礦安全生產(chǎn)意義重大［2］。

玻璃鋼錨環(huán)，是應(yīng)用連續(xù)玻璃纖維充分浸潤(rùn)樹脂基體以后，纏繞到錐形模具上，經(jīng)固化成型和脫模處理制得的復(fù)合材料錨環(huán)。將玻璃鋼錨環(huán)代替金屬錨環(huán)并與金屬夾片，鋼絞線配合使用，應(yīng)用于煤礦高張力錨固區(qū)的永久支護(hù)結(jié)構(gòu)中，以避免金屬錨環(huán)的銹蝕腐蝕引起的支護(hù)失效［3-5］。

由于玻璃鋼錨環(huán)呈軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以看成是復(fù)合材料單層板纖維方向指向圓周方向的軸對(duì)稱模型，對(duì)于復(fù)合材料單層板的剛度與強(qiáng)度，復(fù)合材料力學(xué)給出了線彈性范圍內(nèi)的本構(gòu)關(guān)系描述［6］。而玻璃鋼錨環(huán)的軸對(duì)稱面內(nèi)纖維方向均指向環(huán)向，所以對(duì)稱面內(nèi)材料具有各項(xiàng)同性的性質(zhì)［7］。因此，獨(dú)立的正軸彈性系數(shù)減少為5個(gè)［8］。

本文依據(jù)復(fù)合材料的材料性質(zhì)，以非線性分析軟件ABAQUS為平臺(tái)，建立玻璃鋼錨環(huán)的有限元計(jì)算模型，分析玻璃鋼錨環(huán)在受載下不同材料方向的應(yīng)力狀態(tài)，并通過改變玻璃錨環(huán)半錐角的方式，分析玻璃鋼錨環(huán)與金屬夾片的錐角搭配對(duì)錨具其承載性能的影響。

1　玻璃鋼錨環(huán)的有限元模型

因?yàn)殇摻g線與夾片間的咬合受力關(guān)系不是本章研究的重點(diǎn)，在建立有限元模型時(shí)，將夾片和鋼絞線看成一個(gè)各向同性材料的整體。錨環(huán)與夾片的幾何特征和受力狀態(tài)均呈現(xiàn)出軸對(duì)稱特征，所以在ABAQUS的前處理中，建立錨具結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)構(gòu)的幾何尺寸如圖1，單位為mm，其中夾片半錐角為7°，錨環(huán)半錐角α為5.3°.

計(jì)算模型中設(shè)夾片為鋼質(zhì)各向同性材料，彈性模量為210 GPa泊松比0.33.制作玻璃鋼錨環(huán)所用基體和玻璃纖維分別為196#不飽和聚酯樹脂和單絲直徑12 μm無堿玻璃纖維，其材料屬性和體積分?jǐn)?shù)如表1.

圖1　有限元計(jì)算模型的幾何尺寸/mmFig.1 The geometric size of calculation model/mm

表1　復(fù)合材料組分參數(shù)Tab.1 The composite material of component parameters

將計(jì)算模型的半徑方向設(shè)為材料的1方向，對(duì)稱軸方向?yàn)椴牧?方向，環(huán)繞方向?yàn)椴牧?方向。根據(jù)錨環(huán)材料的組分參數(shù)，由復(fù)合材料力學(xué)性能的復(fù)合規(guī)律［9］，可得到玻璃鋼錨環(huán)5個(gè)獨(dú)立的彈性常數(shù)約為：E1=E2=8.93 GPa；E3=45.2 GPa；υ13=υ23=0.3；G12=1.23 GPa；G23=G13=3.256 GPa.

計(jì)算分析中主要研究玻璃鋼錨環(huán)的應(yīng)力水平，對(duì)玻璃鋼錨環(huán)劃分較為細(xì)密的網(wǎng)格，并采用采用參考尺寸約為1 mm的八結(jié)點(diǎn)雙向二次軸對(duì)稱四邊形單元CAX8；采用參考尺寸約為2 mm的四結(jié)點(diǎn)雙線性軸對(duì)稱四邊形單元CAX4對(duì)夾片劃分較為稀疏的網(wǎng)格。計(jì)算模型的軸對(duì)稱網(wǎng)格及其三維視圖如圖2.

圖2　計(jì)算模型的軸對(duì)稱單元網(wǎng)格及三維視圖Fig.2 Axisymmetric finite element meshes and 3D dimensional views of calculation model

受力分析過程中玻璃鋼錨環(huán)錐面與夾片錐面互相接觸，采用ABAQUS接觸分析中的接觸對(duì)算法，將硬度較大網(wǎng)格較為稀疏的夾片錐面設(shè)為主面，錨環(huán)的錐孔面設(shè)為從面，接觸面法向接觸屬性設(shè)為硬接觸，切向摩擦系數(shù)設(shè)為0.01.加載過程中，約束錨環(huán)底部軸向位移，和繞軸3方向的轉(zhuǎn)動(dòng)；約束夾片軸3方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在夾片底面施加300 kN的均布力載荷。應(yīng)用ABAQUS的Standard模塊計(jì)算當(dāng)錨環(huán)的半錐角α為5.3°時(shí)，錨環(huán)的應(yīng)力水平。

2　計(jì)算模型結(jié)果分析

各向同性材料在各個(gè)方向上材料性質(zhì)相同，因此能用極限應(yīng)力來表示其材料強(qiáng)度。復(fù)合材料的強(qiáng)度具有明顯的方向性，不同方向上材料的力學(xué)性能和強(qiáng)度極限具有很大的差別。根據(jù)復(fù)合材料強(qiáng)度復(fù)合規(guī)律，環(huán)向強(qiáng)度等于纖維強(qiáng)度與纖維體積分?jǐn)?shù)的乘積，約為2.23 GPa.

從ABAQUS的計(jì)算結(jié)果看，300 kN載荷下，該尺寸錨環(huán)環(huán)向應(yīng)力云圖見圖3.因夾片的半錐角為7°，玻璃鋼錨環(huán)的半錐角為5.3°，錨環(huán)在錨固過程中率先與錨環(huán)的上部接觸，錨環(huán)在夾片入口處環(huán)向剛度較低，夾片剛度高，在接觸力的作用下，錨環(huán)內(nèi)錐面偏上的部位出程度較高的現(xiàn)纖維方向的應(yīng)力集中。纖維方向拉應(yīng)力的最大值2.07 GPa，尚未超出該方向的強(qiáng)度極限，不會(huì)出現(xiàn)纖維拉斷形式的損傷。

圖3　300 kN載荷5.3°錨環(huán)環(huán)向應(yīng)力云圖Fig.3 The circumferential stress of 5.3°anchor ring under 300 kN load

玻璃鋼錨環(huán)的對(duì)稱面相當(dāng)于無緯單層的橫向，該面與纖維增強(qiáng)方向垂直，材料的拉伸強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度均較低。因纖維與基體的界面性質(zhì)、結(jié)合空隙等因素，復(fù)合材料橫向受力時(shí)，內(nèi)應(yīng)力的集中使纖維對(duì)橫向強(qiáng)度有負(fù)增強(qiáng)作用。橫向拉應(yīng)力與剪應(yīng)力極限均低于基體本身。將對(duì)稱面內(nèi)最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力大于65 MPa的區(qū)域看成復(fù)合材料基體開裂的區(qū)域，提取該錨環(huán)在300 kN載荷下的面內(nèi)最大主應(yīng)力和面內(nèi)剪應(yīng)力云圖，如圖4.從對(duì)稱面最大主應(yīng)力云圖可以看出，大于65 MPa（灰色部分）的應(yīng)力集中出現(xiàn)在錨環(huán)與夾片的接觸面附近，應(yīng)力方向與接觸面平行；遠(yuǎn)離接觸面方向材料的應(yīng)力水平迅速降低。接觸面間的摩擦作用與接觸力在豎直方向的分力使得錨環(huán)接觸面附近承受較大的主應(yīng)力，在加載過程中該部分材料因基體的開裂松動(dòng)而與主體脫層。對(duì)稱面內(nèi)剪應(yīng)力主要集中在接觸面上半部分，且基體失效區(qū)域沿半徑方向較深。由于錐孔的存在，錨環(huán)上半部分材料較薄，剛度相對(duì)較小，而夾片的剛度有與之相反的趨勢(shì)，在錨固過程中，錨環(huán)上半部分徑向擴(kuò)張嚴(yán)重不協(xié)調(diào)使該部分剪應(yīng)力水平較高。

圖4　對(duì)稱面最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力云圖Fig.4 The maximum principal stress and shear stress contour of symmetrical plane

接觸面附近因面內(nèi)最大主應(yīng)力脫層的玻璃纖維較少，且纖維脫層以后仍能承受環(huán)向拉力，且在錨環(huán)與夾片接觸表面附近形成了一層材料潤(rùn)滑區(qū)，使錨夾片仍然能在錐孔中下行不影響其錨固性能。對(duì)稱面內(nèi)剪應(yīng)力導(dǎo)致基體開裂范圍較大，半徑方向上大面積的基體開裂區(qū)會(huì)影響錨環(huán)軸向束縛錨索的穩(wěn)定性，當(dāng)錨固結(jié)構(gòu)存在非抽對(duì)稱載荷影響時(shí)，容易造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而破壞。

3　玻璃鋼錨環(huán)的錐度優(yōu)化

通過以上計(jì)算結(jié)果可知，錨環(huán)在夾片入口處應(yīng)力集中嚴(yán)重，過大的角度差異使錨環(huán)的受力水平非常不均勻，這種不均勻狀態(tài)影響了玻璃鋼錨環(huán)的承載能力。為了研究錨環(huán)錐角對(duì)錨具承載能力的影響，在其它尺寸不變的情況下，將錨環(huán)半錐角α從5.3°～7.5°以0.1°的增量變化，應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件計(jì)算300 kN載荷下的錨環(huán)的應(yīng)力水平。

3.1錨環(huán)錐度對(duì)纖維方向應(yīng)力的影響

對(duì)計(jì)算結(jié)果提取錨環(huán)纖維方向應(yīng)力分布云圖，以此來觀察鋼絞錨固系統(tǒng)中錨環(huán)錐度對(duì)玻璃鋼錨環(huán)纖維方向受力的影響，如圖5.從纖維方向應(yīng)力圖中可以看出，當(dāng)錨環(huán)的半錐角比較小時(shí)，纖維的所受的拉應(yīng)力集中程度較高，應(yīng)力的最大值較大，高應(yīng)力區(qū)域主要集中在夾片入口處的接觸面附近；隨著錨環(huán)錐度的增大纖維方向材料受拉的應(yīng)力集中區(qū)域逐漸下移，在接觸面附近應(yīng)力水平逐漸趨于均勻；當(dāng)錨環(huán)的半錐角大于6.7°以后應(yīng)力向錨環(huán)深處與夾片頂端接觸相接觸的部位近集中，且玻璃鋼錨環(huán)的半錐角越大這種集中程度越明顯。

圖5　纖維方向拉應(yīng)力隨錨環(huán)半錐角的變化Fig.5 The circumferential stress change with half taper angle of anchor ring

因纖維方向拉應(yīng)力主要集中在錨環(huán)與夾片的接觸面附近，只提取錨環(huán)接觸面附近3層單元（厚度約為3 mm）的材料的環(huán)向應(yīng)力值，并用統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算玻璃鋼錨環(huán)的半錐角對(duì)環(huán)向應(yīng)力最大值和環(huán)向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差的影響。

圖6　接觸面附近纖維拉應(yīng)力最大值和標(biāo)準(zhǔn)差隨錨環(huán)半錐角變化Fig.6 The maximum tensile stress and standard deviation near contact area change with half taper angle of anchor ring

從圖6可以看出，隨著錨環(huán)半錐角的增大，錨環(huán)接觸面附近纖維所受拉應(yīng)力的最大值呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。在300 kN載荷下當(dāng)錨環(huán)錐度在6.7°左右時(shí)，纖維拉應(yīng)力最大值減小到1 400 MPa.對(duì)該部分單元應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)，用來體現(xiàn)錨環(huán)接觸面附近纖維拉應(yīng)力分布的不均勻程度，錨環(huán)的半錐角為5.3°時(shí)應(yīng)力分布的不均勻程度最高，在6.4°～6.8°時(shí)，應(yīng)力均勻性能最好，超過6.9°應(yīng)力分布的不均勻程度加劇。因此但從纖維方向的應(yīng)力分布來看，玻璃鋼錨環(huán)的半錐角為6.7°能更好發(fā)揮纖維的承載作用。

3.2錨環(huán)錐度對(duì)對(duì)稱面最大主應(yīng)力影響

錨環(huán)對(duì)稱面呈各向同性，其面內(nèi)最大主應(yīng)力代表了復(fù)合材料橫向的最大拉應(yīng)力，該應(yīng)力主要集中在錨環(huán)的接觸面附近，總體來看該應(yīng)力集中程度高，影響范圍較小。錨環(huán)對(duì)稱面的面內(nèi)最大主應(yīng)力由圖7給出。

由圖7可以看出，隨著玻璃鋼錨環(huán)錐度的增加，面內(nèi)最大主應(yīng)力的集中區(qū)域由接觸面上部逐漸過渡到接觸面的下部。應(yīng)力主要集中在接觸面的附近，對(duì)遠(yuǎn)離接觸面的材料最大主應(yīng)力值較小。當(dāng)錨環(huán)半錐角大于6.9°以后，夾片頂端與錨環(huán)接觸部分變形嚴(yán)重，應(yīng)力集中程度很高。

對(duì)錨環(huán)接觸面附近的3層單元提取對(duì)稱面的最大主應(yīng)力值，對(duì)其最大應(yīng)力和應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8.

圖7　錨環(huán)對(duì)稱面最大主應(yīng)力隨錨環(huán)半錐角變化Fig.7 The maximum in-plane principle stress of symmetrical plane change with half taper angle of anchor ring

玻璃鋼錨環(huán)對(duì)稱面內(nèi)接觸面附近最大主應(yīng)力的最大值在錨環(huán)半錐角小于6.2°時(shí)，呈現(xiàn)出緩慢的降低趨勢(shì)，總體變化不大，當(dāng)錨環(huán)的半錐角大于6.2°以后上升迅速。從圖5.8反應(yīng)出的應(yīng)力不均勻程度隨錨環(huán)錐度增加先減小后增大，在6.3°附近出現(xiàn)極小值，此時(shí)接觸面附近的面內(nèi)主應(yīng)力分布最為均勻，錨環(huán)承載性能較好。

當(dāng)錨環(huán)半錐角大于6.9°以后夾片頂端與夾片接觸的部位存在明顯的材料侵徹趨勢(shì)，如圖9.

夾片的硬度和剛度遠(yuǎn)大于玻璃鋼錨環(huán)，當(dāng)玻璃鋼錨環(huán)的半錐角接近或大于夾片的半錐角時(shí)，隨著錨具的加載，夾片前端會(huì)率先于錨環(huán)錐面接觸，玻璃鋼錨環(huán)這部分處于纖維增強(qiáng)的橫向，剛度和強(qiáng)度很低，玻璃鋼材料在此處損壞以后堆積成平臺(tái)，影響夾片下行，當(dāng)鋼絞線張拉力繼續(xù)增加時(shí)，夾片因不能繼續(xù)咬緊鋼絞線而使錨固失效，夾片也會(huì)因此處剪力的急劇增加而損壞。所以在設(shè)計(jì)玻璃鋼錨環(huán)的過程中應(yīng)該避免錨環(huán)的錐角大于夾片的錐角。

圖8　錨環(huán)對(duì)稱面接觸面附近最大主應(yīng)力的最大值和標(biāo)準(zhǔn)差隨錨環(huán)半錐角變化Fig.8 The maximum principle stress of symmetry plane and standard deviation near contact area change with half taper angle of anchor ring

圖9　錨環(huán)半錐角7.5°時(shí)300 kN載荷下夾片對(duì)玻璃鋼材料的侵徹Fig.9 Wedge penetration into GFRP with half taper angle of anchor ring as 7.5°under 300 kN load

3.3錐度對(duì)對(duì)稱面剪應(yīng)力影響

提取計(jì)算模型結(jié)果對(duì)稱面剪的應(yīng)力云圖如圖10所示。錨環(huán)剪應(yīng)力集中在錨環(huán)材料較薄的夾片入口段［10］，是由于錨環(huán)與夾片剛度不一致導(dǎo)致這一區(qū)域應(yīng)變不協(xié)調(diào)。因玻璃鋼錨環(huán)對(duì)稱面剪應(yīng)力強(qiáng)度較弱，這種大面積存在的超過玻璃鋼復(fù)合材料剪切強(qiáng)度的區(qū)域會(huì)因基體的剪切開裂形成一個(gè)結(jié)構(gòu)松散區(qū)。在這個(gè)區(qū)域里，玻璃纖維雖然沒有被拉斷，但穩(wěn)定性較弱，在非對(duì)稱因素的影響下容易造成錨固結(jié)構(gòu)失效。

圖10　對(duì)稱面剪應(yīng)力隨錨環(huán)半錐角的變化Fig.10 The shear stress in symmetrical plane change with half taper angle of anchor ring

隨著錨環(huán)錐度的增加，錨環(huán)與夾片錐角差距的減小，接觸應(yīng)力的分布向錨環(huán)材料較厚的區(qū)域傾斜，這部分區(qū)域剛度較大玻璃鋼錨環(huán)對(duì)稱面內(nèi)的剪力集中程度因錨環(huán)與夾片的變形協(xié)調(diào)性的改善而減小。隨著錨環(huán)半錐角的增加，超過65 MPa的剪應(yīng)力區(qū)（灰色部分）半徑方向深度逐漸減小，這使得錨環(huán)外圍的玻璃鋼結(jié)構(gòu)依然穩(wěn)固，剪力集中區(qū)域向接觸面附近集中。錨環(huán)的半錐角繼續(xù)增大，因材料侵徹現(xiàn)象的存在，夾片頂端與錨環(huán)接觸的部分應(yīng)力集中嚴(yán)重，夾片下行困難使夾片對(duì)鋼絞線的咬合力不能繼續(xù)增加而錨固失效。

4　結(jié)論

采用ABAQUS有限元分析軟件，對(duì)玻璃鋼錨環(huán)的鋼絞錨索錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加載分析，并得到以下結(jié)論：

（1）玻璃鋼錨環(huán)的纖維纏繞方向強(qiáng)度較高，在300 kN載荷作用下，纖維環(huán)向應(yīng)力尚未超出其承載極限。

（2）玻璃鋼錨環(huán)接觸面附近的橫向?qū)ΨQ面內(nèi)的主應(yīng)力較大，且超過復(fù)合材料在該方向的強(qiáng)度極限，但因接觸面脫層區(qū)域較為狹窄，纖維并未斷裂，對(duì)錨具的承載能力影響不大。

（3）錨環(huán)錐角較小時(shí)，對(duì)稱面剪應(yīng)力集中在錨環(huán)偏上的部位，該部分區(qū)域基體的開裂面積較大，導(dǎo)致接觸大量玻璃纖維處于松散狀態(tài)纖維不能傳遞橫向載荷，是影響玻璃鋼錨環(huán)承載性能的主要因素。

（4）對(duì)不同錐度錨環(huán)的加載模擬中，可以發(fā)現(xiàn)隨著錨環(huán)的半錐角的逐漸增大，玻璃鋼錨環(huán)的各項(xiàng)應(yīng)力最大值和不均勻程度呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。綜合考慮各個(gè)方向的強(qiáng)度極限，并避免材料侵徹帶來的危險(xiǎn)，當(dāng)該種材質(zhì)的玻璃鋼錨環(huán)半錐角約為6.3°～6.5°時(shí)能更好的發(fā)揮錨具的錨固性能。

［1］ 牛同會(huì).退錨索（錨桿）技術(shù)在布爾臺(tái)煤礦的應(yīng)用［J］.內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2014（4）：171-173.

［2］ 于鳳海.錨桿支護(hù)巷道頂板離層機(jī)理及失穩(wěn)預(yù)警方法研究［D］.山東：山東青島大學(xué)，2013.

［3］ 徐光，郭騰.淺析巷道錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展必然性［J］.山東煤炭科技，2013（5）：131-132.

［4］ 趙一鳴.煤礦巷道樹脂錨固體力學(xué)行為及錨桿桿體承載特性研究［D］.江蘇：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2012.

［5］ 胡乃全.玻璃鋼材料的力學(xué)性能與應(yīng)用現(xiàn)狀分析［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（6）：43-44.

［6］ 蔡建.玻璃鋼成型技術(shù)［J］.工程塑料應(yīng)用，2003，31（2）：66-70.

［7］ 張傳毅.大采深巷道沖擊機(jī)理及耦合讓均壓支護(hù)技術(shù)［D］.山東：山東科技大學(xué)，2013.

［8］ 李爽娜.玻璃纖維/不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料配方與性能的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

［9］ 李順林.復(fù)合材料力學(xué)引論［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1986.

［10］ 劉建月，崔小朝，劉偉婧.Al2O3陶瓷環(huán)在錨具退錨中的應(yīng)用［J］.太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，36（1）：68-71.

Finite Element Analysis of Bearing Capacity of Glass Fiber
Reinforced Plastics Anchor Ring

LIU Jian-yue1，CUI Xiao-chao1，LIU Wei-jing2，ZHENG Ya-dong1
（1.School of Applied Science，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China；2.Institute of Applied Mechanics and Biomedical Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

This paper established a finite element calculation model of continuous glass fiber winding and polyester resin GFRP anchor ring with ABAQUS，which conducted a loading analysis on the supporting system consisting of GFRP anchor ring，metal clip and steel strand.A research was made on the influence on the loading capacity of anchor ring by changing the match of taper angles of GFRP anchor ring and clip.According to the calculation analysis，the anchor ring of the calculation model has a good bearing capacity in fiber direction under the load of 300 kN；in the symmetrical plane，the maximum principal stress is concentrated nearby the contact face between anchor ring and clip，and the crack of resin in small scale has small influence on the anchor ring bearing capacity；in symmetrical plane，a large area of shearing stress of anchor ring surpassing resin ultimate stress is the main factor which can influence the loading capacity of anchor ring.When the half taper angle of clip is 7°and that of GFRP anchor ring is 6.3°～6.5°，the stress distribution and loading capacity of anchor ring can be well improved.

glass fiber reinforced plastics，anchor ring，finite element analysis，match of taper angles

TD355

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2016.02.014

1673-2057（2016）02-0149-06

2015-04-20

山西省研究生優(yōu)秀創(chuàng)新項(xiàng)目（20133111）

劉建月（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閺?fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用；通訊作者：崔小朝，教授，E-mail：cuixiaochao@sohu.com