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CFRP修复含裂纹板的应力强度因子和极限承载能力分析
| 论文题名： | CFRP修复含裂纹板的应力强度因子和极限承载能力分析 |
| 关键词： | 船体结构;裂纹修复;碳纤维增强复合材料;应力强度因子;极限载荷 |
| 摘要： | 船舶在运行条件下，由于环境载荷复杂多变，船体结构往往遭受交变荷载作用，船体结构容易萌生裂纹。裂纹萌生后会结构的承载力会显著下降，甚至发生断裂，因此必须采取补救措施，以提高船体结构的安全性。碳纤维增强复合材料（CFRP）具有强度高、质量轻、耐久性好等特点，已被广泛应用于船舶、航空、建筑等领域的结构修复，所以采用CFRP对船体含裂纹结构进行修复具有重要的实际意义。本文采用 CFRP 双面修补裂纹板的简化力学推导模型和 ABAQUS 有限元方法对CFRP双面修复船体裂纹板进行研究，分析修复后裂纹板的应力强度因子和极限载荷，对补片进行优化，具体研究内容和结果如下： （1）应力强度因子计算的理论方法和有限元对比验证。用理论方法和有限元方法计算CFRP修复中心贯穿I型裂纹板的应力强度因子，理论方法计算结果和有限元方法计算结果误差在 10%以内的可接受范围，验证了 ABAQUS 有限元计算CFRP修补裂纹板的应力强度因子是准确可靠的。 （2）不发生脱粘的CFRP修复模型的应力强度因子分析。用ABAQUS有限元软件计算了CFRP修复中心穿透I型裂纹板、中心穿透斜裂纹板、中心穿透I型裂纹加筋板、中心穿透斜裂纹加筋板的应力强度因子，分析了模型的胶层剪应力分布情况。应力强度因子都随着裂纹半长增加而增大，修补后应力强度因子都减小。胶层端部剪应力最大，因此最先失效破坏的地方是补片修补端部处的胶层脱粘。 （3）发生脱粘的CFRP修复模型的极限承载能力分析。用ABAQUS计算了CFRP修复含中心穿透I型裂纹板和斜裂纹板以及CFRP修复含中心穿透I型裂纹加筋板的极限载荷，并且分析了CFRP补片参数对极限载荷的影响。修补后，裂纹板的极限载荷明显增大，明显提高了裂纹结构的极限承载能力。胶层脱粘失效直接影响着修补裂纹板的极限载荷，胶层脱粘最先发生在CFRP端部。CFRP补片长度增大到临界CFRP补片长度时，极限载荷不再增大。 （4）CFRP 补片的长度和宽度达到最优修补尺寸时，修补效果达到最好。补片越厚，胶层厚度越小，修补效果越好。当补片宽（短轴）与裂纹板宽相同，补片长/宽（长轴/短轴）大于等于1时修补效果达到最好，矩形补片修补效果比椭圆形补片修补要好。对于CFRP修补I型裂纹板，当补片纤维方向和裂纹夹角为90°时，应力强度因子最小，修补效果是最好的。对于CFRP修补斜裂纹板，当补片纤维方向与斜裂纹的夹角在45°到60°的时候，修补效果最好。 |
| 作者： | 谢小洋 |
| 专业： | 机械 |
| 导师： | 马永亮 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆交通大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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