碳纖維-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)ENF試驗(yàn)的仿真研究

羅佳佳，王斌華

(長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

0 引 言

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐疲勞等優(yōu)良的性能，已經(jīng)在航空領(lǐng)域得到廣泛和深入的應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料通過粘接貼合的方式加固結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)載荷大面積均勻和有效的傳遞，相對于金屬結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)加固方法，例如焊接、鉚接或螺栓連接增強(qiáng)鋼板的加固措施，不會產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力、對原結(jié)構(gòu)的顯著增重和應(yīng)力集中等新問題。因此，進(jìn)行碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料用于加固鋼結(jié)構(gòu)具有顯著特點(diǎn)和優(yōu)勢。

通過ABAQUS程序進(jìn)行有限元建模，建立了碳纖維復(fù)合材料加固鋼的末端缺口彎曲試驗(yàn)(ENF)模型，并考慮了鋼的彈塑性變形[1]，利用仿真分析研究了粘結(jié)層厚度(0.02 mm、0.1 mm、0.5 mm)和碳纖維彈性模量，見表1(低[2]、中[3]、高[4]彈性模量)參數(shù)變化時(shí)加固試件力學(xué)性能的斷裂機(jī)理，獲得了各參數(shù)組合時(shí)ENF試件的載荷—位移曲線。

1 ENF試件材料參數(shù)

如圖1所示為ENF試件結(jié)構(gòu)示意圖，針對粘結(jié)層厚度和碳纖維彈性模量對碳纖維-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)斷裂性能的顯著影響，分別建立了兩種參數(shù)變化時(shí)的ENF試件的有限元模型。CFRP的彈性模量如表1所示，粘接劑的屬性：剪切模量為1.56 GPa，法向和切向名義應(yīng)力分別為25.7 MPa、15.8 MPa，斷裂能為0.57 N/mm[5]。

圖1 ENF試件示意圖 (mm)

2 碳纖維加固剛復(fù)合結(jié)構(gòu)界面單元在ABAQUS中的實(shí)現(xiàn)

采用二次名義應(yīng)力準(zhǔn)則來模擬模型損傷初始[1]：

(1)

粘結(jié)層應(yīng)力狀態(tài)滿足方程(1)時(shí)，材料剛度開始退化，本模型采用冪次定律的斷裂準(zhǔn)則(Power law)。

表1 CFRP彈性模量

3 有限元分析

由圖2分析可知，粘結(jié)層厚度對ENF試件的承載力變化影響顯著，分析原因是粘結(jié)層厚度加大使得ENF復(fù)合梁橫截面高度增大而提高了截面抗彎模量，但是對于實(shí)際工程，超厚粘結(jié)層制備需要專門技術(shù)措施，并且碳纖維—鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)中，粘結(jié)層一般屬于斷裂性能薄弱層，因此此時(shí)粘結(jié)層的加固措施尤為重要；高彈性模量碳纖維提高了ENF梁的橫截面抗彎剛度，因此隨著碳纖維彈性模量的增大，相同樹脂層厚度的碳纖維—鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的載荷—位移曲線彈性段斜率斷增大，極限承載力提高，并且相同的力載荷作用時(shí)，高彈性模量碳纖維可減小碳纖維—鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲變形，但是對于極值承載力影響不大，并且由于碳纖維與鋼之間彈性模量的差異性增大，對于較薄樹脂層(0.02 mm和0.1 mm)極值承載力隨碳纖維彈性模量提高而略微降低，對于較厚樹脂層(0.5 mm)極值承載力隨碳纖維彈性模量提高而略微有所提高，此結(jié)果也說明了樹脂層增厚降低了粘結(jié)層剪應(yīng)變增長速率，使復(fù)合梁結(jié)構(gòu)可適當(dāng)通過增大碳纖維彈性模量的方式進(jìn)一步提高極限承載力。

圖2 載荷位移曲線

4 結(jié) 論

通過以上分析可知，可得如下結(jié)論：

(1) 碳纖維-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)可有效增強(qiáng)鋼基體的抗彎承載力和抗彎剛度。

(2) 碳纖維彈性模量和粘結(jié)層厚度均顯著影響著碳纖維-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的承載力和抗沖擊性能，實(shí)際工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用時(shí)對其參數(shù)優(yōu)化具有重要意義。

(3) 粘結(jié)層厚度的增大可提高碳纖維-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗彎承載力和抗彎剛度，因此厚粘結(jié)層加固措施值得深入研究。