玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)結(jié)構(gòu)因其比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域中逐步廣泛應(yīng)用,復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu),作為一種高效的結(jié)構(gòu)形式,在土木工程和海洋工程等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景,可用于道路墊板、橋面板、快速拼裝房屋及橋梁防撞裝置等。通過(guò)對(duì)此類(lèi)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)件在土木工程中的實(shí)際應(yīng)用及分析發(fā)現(xiàn),疲勞損傷累積是導(dǎo)致其最終失效的主要原因之一,在疲勞交變載荷作用下,夾芯結(jié)構(gòu)的纖維面板、芯材會(huì)發(fā)生不同程度的損傷破壞及界面脫粘現(xiàn)象,直接影響了構(gòu)件的承載力和耐久性,嚴(yán)重制約了結(jié)構(gòu)的可靠度和安全性。本文結(jié)合工程實(shí)際,以GFRP作為面板、巴沙木(balsa)作為芯材的夾芯結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,采用試驗(yàn)研究與理論分析相結(jié)合的方法,研究了有、無(wú)格構(gòu)增強(qiáng)的復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的疲勞行為和失效機(jī)理,建立了相應(yīng)的壽命預(yù)測(cè)模型,并對(duì)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行了分析和預(yù)測(cè)。本文主要研究?jī)?nèi)容和成果有:(1)輕木夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)組分材料的疲勞性能研究。以荷載水平為變化參數(shù),對(duì)GFRP層合板進(jìn)行拉伸疲勞性能試驗(yàn);采用短梁三點(diǎn)彎曲加載方式,對(duì)balsa芯材進(jìn)行剪切疲勞性能試驗(yàn);得到兩種組分材料的疲勞失效模式、破壞機(jī)理和疲勞壽命影響因素等,并建立起相應(yīng)的拉伸疲勞S-N曲線(xiàn)和剪切疲勞S-N曲線(xiàn)。結(jié)果表明:GFRP片材拉伸疲勞行為與載荷水平相關(guān);Balsa夾芯短梁芯材疲勞剪切斷裂沿木纖維紋理,疲勞破壞過(guò)程呈現(xiàn)明顯的脆性特征。GFRP片材的疲勞壽命分布表現(xiàn)出明顯的“靜強(qiáng)度破壞、退化和疲勞極限”三階段,疲勞極限約為r=0.165;balsa芯材的剪切疲勞壽命數(shù)據(jù)離散性較大,但壽命與載荷等級(jí)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系仍具有明顯的規(guī)律性。(2)輕木夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的彎曲疲勞性能試驗(yàn)研究。對(duì)不同跨高比及格構(gòu)設(shè)置的輕木夾芯復(fù)合材料梁進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),研究了夾芯梁的疲勞破壞過(guò)程、失效模式和疲勞壽命,分析了疲勞試驗(yàn)中界面剝離行為。結(jié)果表明:無(wú)格構(gòu)夾芯梁的失效模式為芯材剪切與面板脫粘;格構(gòu)增強(qiáng)夾芯梁的失效模式隨格構(gòu)設(shè)置及載荷等級(jí)變化,主要表現(xiàn)為上面板屈曲或壓壞、下面板拉斷等;對(duì)于格構(gòu)增強(qiáng)試件,芯材中出現(xiàn)可見(jiàn)裂紋至試件失效的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),失效模式呈現(xiàn)出明顯的延性特征,即試件可帶裂縫工作,夾芯梁的疲勞壽命與格構(gòu)設(shè)置、載荷等級(jí)和試件跨高比相關(guān);界面裂紋形式為Ⅰ-Ⅱ混合型,證明芯材剪切裂縫引起了芯材與面板之間的界面剝離,格構(gòu)增強(qiáng)夾芯梁中格構(gòu)腹板的存在可有效的減緩甚至阻止界面裂紋的擴(kuò)展,格構(gòu)增強(qiáng)夾芯梁的抗剝離性能隨格構(gòu)數(shù)量增加而變強(qiáng)。(3)輕木夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析。系統(tǒng)地建立了輕木夾芯復(fù)合材料梁的可線(xiàn)性化、非可線(xiàn)性化的疲勞壽命曲線(xiàn)模型,對(duì)輕木夾芯復(fù)合材料梁的疲勞壽命進(jìn)行量化分析,預(yù)測(cè)了夾芯梁的疲勞極限。結(jié)果表明:復(fù)合材料層合板適用的三參數(shù)S-N曲線(xiàn)模型可能較好的適用于預(yù)測(cè)輕木夾芯復(fù)合材料梁的疲勞壽命;從適用度來(lái)看,雙參數(shù)模型僅適用于描述或預(yù)測(cè)中高周期內(nèi)的疲勞壽命,三參數(shù)模型可對(duì)夾芯梁的全周期壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)時(shí)。此外,基于等效截面法和多元非線(xiàn)性回歸方法,針對(duì)三參數(shù)壽命模型進(jìn)行參數(shù)回歸分析,得到三參數(shù)模型中各參數(shù)與跨高比、格構(gòu)設(shè)置的關(guān)系,將三參數(shù)模型的適用性擴(kuò)大。(4)輕木夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞損傷行為分析和累積損傷模型建立。分析夾芯結(jié)構(gòu)的撓度變化規(guī)律及剛度衰減規(guī)律,判定無(wú)格構(gòu)夾芯梁的疲勞損傷是芯材中微裂紋和微孔洞不斷萌生且通過(guò)芯材擴(kuò)展的過(guò)程,而格構(gòu)增強(qiáng)夾芯梁疲勞損傷主要原因是上、下面板的GFRP拉伸或壓縮疲勞引起�；诶鄯e損傷理論、一階剪切變形理論、剩余剛度理論,分別建立了適用于無(wú)格構(gòu)輕木夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、格構(gòu)增強(qiáng)輕木夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的“指數(shù)型”疲勞累積損傷模型,并依據(jù)模型對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè),合理地解釋了不同格構(gòu)設(shè)置、不同跨高比的夾芯結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)和損傷評(píng)價(jià)問(wèn)題。分析了夾芯梁累積損傷模型中各參數(shù)的分布規(guī)律,并據(jù)此預(yù)測(cè)了夾芯梁的疲勞損傷量和壽命。(5)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輕木夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)。將輕木夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的疲勞損傷累積行為看作是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的過(guò)程,選擇載荷等級(jí)、腹板等效面積比、試件跨高比作為輸入項(xiàng),疲勞壽命作為輸出項(xiàng),利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)輕木夾芯復(fù)合材料梁的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè),并與四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)壽命值、累積損傷模型壽命預(yù)測(cè)值對(duì)比。結(jié)果表明:BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)樣本數(shù)據(jù)提取到隱含的非線(xiàn)性關(guān)系,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)所有樣本數(shù)據(jù)的內(nèi)在特征給予完整體現(xiàn),有較強(qiáng)的聚類(lèi)性,對(duì)所有單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的預(yù)測(cè)效果都較好;與此同時(shí),利用建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)輸入層中不同因素的權(quán)重進(jìn)行了量化。
【學(xué)位單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TU31
【部分圖文】：

(e)復(fù)合材料煙囪 (f)復(fù)合材料賽車(chē) Velozzi Supercar圖 1-1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用Fig. 1-1 The application of FRP玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)價(jià)格低廉，更適宜大量使用于基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域中，目GFRP 在使用中仍以拉擠型材為主，但拉擠型材通常為空腔式單向纖維型材，在使用[10-12]

Fig. 1-1 The application of FRP增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)價(jià)格低廉，更適宜大量使用于基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)中仍以拉擠型材為主，但拉擠型材通常為空腔式單向纖維型材容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，因而發(fā)生劈裂破壞，如圖 1-2 所示[10-12]。較低，常用于受力不大的附屬結(jié)構(gòu)。

(e)倉(cāng)儲(chǔ)支架 (f)橋梁防撞設(shè)施[20]圖 1-3 復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的應(yīng)用Fig. 1-3 The application of FRPsandwich structures對(duì)于夾芯結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，面板與芯材的界面性能是影響其輕質(zhì)高強(qiáng)特性發(fā)揮的重要因傳統(tǒng)復(fù)合材料夾芯構(gòu)件因制作過(guò)程中面板與芯材連接性能差，極易造成服役時(shí)發(fā)生界

【參考文獻(xiàn)】

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