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变刚度层合板力学性能研究及纤维角度优化

变刚度层合板力学性能研究及纤维角度优化

作者：李清原吉林大学

学位级别：硕士

随着复合材料在汽车工业生产中尤其是车身覆盖件上的应用越来越广泛,对如何提高复合材料结构性能的研究也越来越深入,研究方向也越来越全面。近年来,自动铺丝技术成为纤维复合材料制备的主流技术之一,自动铺丝设备的功能也日趋完善,针... 详细信息

随着复合材料在汽车工业生产中尤其是车身覆盖件上的应用越来越广泛,对如何提高复合材料结构性能的研究也越来越深入,研究方向也越来越全面。近年来,自动铺丝技术成为纤维复合材料制备的主流技术之一,自动铺丝设备的功能也日趋完善,针对复合材料的研究不再满足于传统直线纤维铺层方式下的复合材料层合结构,开始针对纤维丝束变角度铺覆对复合材料层合板各项力学特性的影响进行深入研究和探讨。纤维复合材料层合板结构的力学性能与基体性能和纤维角度密切相关,纤维角度的变化会为复合材料层合板的刚性带来影响,因此把变角度纤维铺层方式制备的层合板称为复合材料变刚度层合板。本文主要针对变刚度层合板曲线纤维铺层规律、力学性能及其纤维角度优化展开研究。本文首先对变刚度层合板的定义进行了详细说明,综合对变刚度层合板力学性能、纤维角度优化的国内外研究现状,分析了目前的研究中所存在的一些问题,明确了本文的主要研究内容。本文的主要研究内容包括,对纤维角度变化规律的研究,确定将线性函数作为变角度纤维的参考路径,阐述了平移法和平行法的定义和特点,并对比了两种铺层方法的优劣,选取了平移法作为变刚度层合板的铺层方法。然后采用数值模拟方法对变刚度层合板进行力学性能研究,基于变刚度层合板有限元建模软件的缺乏这一现状,本文基于Hyper Mesh/Opti Struct平台,使用tcl/tk语言对变刚度层合板有限元建模工具“VS Laminate Define Tool”和优化工具“VS Laminate Optimization Tool”进行了二次开发,开发完成后通过算例验证了两种工具的准确性与可靠性。使用变刚度层合板有限元建模工具“VS Laminate Define Tool”对平面静力作用下的变刚度层合板进行了有限元建模及求解,对仿真结果中的变形与应力分布进行了分析,得到了纤维角度与旋转角度两个因素对变形和应力分布区域的影响,而且得出纤维曲线越密集的区域,应力越小的结论。然后对变刚度层合板与直线纤维层合板的屈曲性能进行了对比分析,变刚度层合板的一阶屈曲载荷明显大于直线纤维层合板,且相同纤维角度下,旋转角为90°的变刚度层合板一阶屈曲载荷大于旋转角为0°的变刚度层合板,变刚度层合板对抵抗弹性变形具有更加优异的性能。对压缩载荷作用下的直线纤维层合板与变刚度层合板的最大失效指数进行了对比,[0±]2s和[90±]2s两种变刚度层合板失效载荷比[0/90/±45]s直线纤维层合板提高了12.68%。最后使用变刚度层合板优化工具“VS Laminate Define Tool”对1、2、4三种铺层数量的变刚度层合板分别进行了优化设计,得到拉伸载荷作用下的三种不同铺层数量的变刚度层合板的最优纤维铺放初始角度和终止角度,即纤维角度函数的两个控制参数。

关键词：变刚度层合板纤维角度有限元建模优化

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不同维度玻璃纤维对GRC抗弯性能的影响

建筑材料学报 2021年第3期24卷 584-589页

作者：李清海赵娇娇李清原高建伟吴玉姣中国建筑材料科学研究总院有限公司北京100024

采用一维短切玻璃纤维、二维玻璃纤维网格布、三维间隔连体玻纤织物(3D织物)对水泥基材料进行增强,得到不同维度玻璃纤维增强水泥(GRC);根据四点弯曲测试得到不同维度GRC试件的抗弯荷载挠度曲线,结合测试过程中的裂缝发展情况,分析不同... 详细信息

采用一维短切玻璃纤维、二维玻璃纤维网格布、三维间隔连体玻纤织物(3D织物)对水泥基材料进行增强,得到不同维度玻璃纤维增强水泥(GRC);根据四点弯曲测试得到不同维度GRC试件的抗弯荷载挠度曲线,结合测试过程中的裂缝发展情况,分析不同维度玻璃纤维对水泥基材料抗弯性能的影响规律,并建立不同维度GRC试件的抗弯荷载挠度曲线拟合方程,计算其强度和韧性指标.结果表明:在弹性变形阶段和塑性变形阶段,不同维度GRC试件的荷载与挠度均有较好的线性关系,在弹塑性过渡阶段,3D织物GRC试件的抗弯荷载与挠度呈正弦函数关系;与纯水泥砂浆试件相比,一维短切玻璃纤维GRC试件、二维玻璃纤维网格布GRC试件、3D织物GRC试件的抗弯破坏强度分别提高53%、92%、193%,韧度指数分别达26.7、34.3、73.6;3D织物GRC使得GRC材料由低强度脆性破坏向高强、高韧性提升.

关键词：一维短切玻璃纤维二维玻璃纤维网格布 3D织物抗弯强度韧性

石碴、电厂生物质燃料余灰复掺对水泥基材料性能影响的研究

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混凝土与水泥制品 2014年第6期 10-12页

作者：李清海王菲菲李清原周胜男中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点试验室北京100024

对石碴等质量取代40%河砂、电厂生物质燃料余灰取代部分水泥,通过压制成型的方法制备水泥基材料进行了研究,探索了在石碴掺量固定的前提下,同时掺加电厂生物质燃料余灰对水泥基材料强度、吸水率、抗冻融性能的影响规律。研究结果表明,... 详细信息

对石碴等质量取代40%河砂、电厂生物质燃料余灰取代部分水泥,通过压制成型的方法制备水泥基材料进行了研究,探索了在石碴掺量固定的前提下,同时掺加电厂生物质燃料余灰对水泥基材料强度、吸水率、抗冻融性能的影响规律。研究结果表明,在石碴取代40%天然河砂的前提下,水泥基材料的强度随水泥被电厂生物质燃料余灰取代量的逐渐增加而先增加后降低,吸水率则呈逐渐增大的变化趋势;在抗冻融性方面,一定掺量范围内,石碴、电厂生物质燃料余灰复掺制备的水泥基材料满足GB/T 50082-2009中D25抗冻等级指标要求,并对其机理进行了分析。

关键词：石碴电厂生物质燃料余灰水泥基材料压制成型强度吸水率抗冻融性

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石碴对水泥基材料性能影响研究

混凝土与水泥制品 2013年第9期 10-12页

作者：李清海王菲菲李清原周胜男中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点试验室北京100024

针对石碴在压制成型水泥基材料中的应用进行研究，探索了不同掺量的石碴（等量取代河砂）对水泥基材料抗折强度、吸水率和抗冻融等性能的影响规律。研究结果表明，随石碴掺量的增加，水泥基材料抗折强度先增大后减小，吸水率则呈减小趋... 详细信息

针对石碴在压制成型水泥基材料中的应用进行研究，探索了不同掺量的石碴（等量取代河砂）对水泥基材料抗折强度、吸水率和抗冻融等性能的影响规律。研究结果表明，随石碴掺量的增加，水泥基材料抗折强度先增大后减小，吸水率则呈减小趋势，抗冻融性能变差；当石碴掺量为0-40％时，水泥基材料满足GB／T50082-2009中D25抗冻等级指标要求。并对其机理进行了分析。

关键词：水泥基材料石碴吸水率抗折强度抗冻融性

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智能建筑用的差动能耗器

工程抗震 1995年第4期 45-48,44页

作者：李清原中国运载火箭技术研究院第七○二所

本文叙述了差动能耗器的概念、设计原理、样机设计与研制原则、实验检验与评价。该能耗器基于库伦摩擦原理，由许多个摩擦表面和一个主动的法向力夹持机构组成，能够作为建筑物的部分支柱结构安装在建筑物墙内。它能在低幅振动条件下起... 详细信息

本文叙述了差动能耗器的概念、设计原理、样机设计与研制原则、实验检验与评价。该能耗器基于库伦摩擦原理，由许多个摩擦表面和一个主动的法向力夹持机构组成，能够作为建筑物的部分支柱结构安装在建筑物墙内。它能在低幅振动条件下起阻尼作用，确保人们的舒适；也能在大幅度振动条件下避免或减少建筑物的损伤；还能在疾风和地震期间增加人们的安全性与舒适性。在单轴实验机上对能耗器样机进行的实验结果表明，能耗器具有线性摩擦特性，其能耗特性具有极大的生命力，样机是可信、耐用的。

关键词：智能建筑差动能耗器设计抗震结构

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石碴、炉渣复掺对水泥基材料性能影响的研究

混凝土 2014年第7期 70-72页

作者：李清海王菲菲李清原周胜男中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点实验室北京100024

利用工业废弃物石碴、炉渣取代天然河砂作细集料,通过压制成型工艺制备水泥基材料,探索了石碴、炉渣复掺对水泥基材料强度、吸水率、抗冻性的影响规律。结果表明:在石碴取代40wt.%河砂的前提下,随剩余河砂被炉渣取代量增加水泥基材料的... 详细信息

利用工业废弃物石碴、炉渣取代天然河砂作细集料,通过压制成型工艺制备水泥基材料,探索了石碴、炉渣复掺对水泥基材料强度、吸水率、抗冻性的影响规律。结果表明:在石碴取代40wt.%河砂的前提下,随剩余河砂被炉渣取代量增加水泥基材料的强度呈下降趋势,而吸水率则逐渐增大;在抗冻性方面,适量的石碴、炉渣复掺制备的水泥基材料满足GB/T50082《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中W25抗冻等级指标要求。并对其机理进行分析。

关键词：水泥基材料石碴炉渣抗折强度吸水率抗冻性

成型压力对再生细集料水泥基材料性能影响的研究

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混凝土 2013年第11期 22-24页

作者：李清海王菲菲周胜男李清原中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点实验室北京100024

对建筑垃圾作为再生细集料取代天然河砂,通过压制成型方法制备水泥基材料进行研究,探索了成型压力对再生细集料水泥基材料强度和耐久性的影响规律。研究结果表明:再生集料制得的水泥基材料强度高于天然河砂配制的水泥基材料强度;在建筑... 详细信息

对建筑垃圾作为再生细集料取代天然河砂,通过压制成型方法制备水泥基材料进行研究,探索了成型压力对再生细集料水泥基材料强度和耐久性的影响规律。研究结果表明:再生集料制得的水泥基材料强度高于天然河砂配制的水泥基材料强度;在建筑垃圾细集料全部取代河砂的前提下,水泥基材料的强度随成型压力的增加而呈不同幅度的增加;在耐久性方面,再生细集料水泥基材料满足《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中D100抗冻等级指标要求。并对其机理进行了分析。

关键词：建筑垃圾再生细集料水泥基材料成型压力强度耐久性

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钢丝网片增强混凝土外墙挂板抗弯性能研究

混凝土与水泥制品 2020年第11期 66-70页

作者：李清海赵娇娇李清原高建伟吴玉姣周胜男中国建筑材料科学研究总院有限公司北京100024

采用不同配筋率(0~1.20%)钢丝网片对混凝土外墙挂板进行增强增韧,通过四点弯曲强度-挠度曲线,结合混凝土试件开裂过程的试验现象,分析了配筋率对混凝土外墙挂板在弯曲荷载作用下不同阶段强度、挠度的影响规律。结果表明,试件的比例极限... 详细信息

采用不同配筋率(0~1.20%)钢丝网片对混凝土外墙挂板进行增强增韧,通过四点弯曲强度-挠度曲线,结合混凝土试件开裂过程的试验现象,分析了配筋率对混凝土外墙挂板在弯曲荷载作用下不同阶段强度、挠度的影响规律。结果表明,试件的比例极限强度、破坏强度及其对应挠度均随配筋率的增加呈线性增加趋势,配筋率增至1.20%时,试件比例极限强度、破坏强度分别比空白试件提高了5.33倍、3.53倍,同时试件的比例极限挠度和破坏挠度分别提高了3.77倍和3.57倍。配筋率对试件非线性变形阶段的作用效果较准弹性阶段更为显著。通过对不同阶段强度及其对应挠度与配筋率的拟合分析,得出强度、挠度与配筋率的数学关系,为混凝土外墙挂板的高性能结构设计提供依据。

关键词：钢丝网片配筋率混凝土外墙挂板弯曲强度挠度

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聚合物对3D织物GRC抗弯性能的影响

新型建筑材料 2021年第12期48卷 123-128页

作者：李清海赵娇娇李清原高建伟项斌峰中国建筑材料科学研究总院有限公司北京100024

通过对聚合物掺量为0~20%的改性3D织物GRC(3D-GRC)试件进行4点弯曲试验,根据应力-挠度曲线,分析试件的变形和开裂全过程,获得了抗弯强度、弹性模量、挠度与聚合物掺量的关系。结果表明,聚合物改性3D-GRC的本构关系曲线分为弹性变形、弹... 详细信息

通过对聚合物掺量为0~20%的改性3D织物GRC(3D-GRC)试件进行4点弯曲试验,根据应力-挠度曲线,分析试件的变形和开裂全过程,获得了抗弯强度、弹性模量、挠度与聚合物掺量的关系。结果表明,聚合物改性3D-GRC的本构关系曲线分为弹性变形、弹塑性过渡和塑性变形3个阶段;试件抗弯比例极限强度σ_(LOP)和比例极限挠度δ_(LOP)均与聚合物掺量呈正相关,δ_(LOP)增幅明显高于σ_(LOP)增幅,弹性模量与聚合物掺量呈负相关;塑性挠度和塑性模量分别随聚合物掺量增加呈二次函数关系提高或降低,其提高或降低幅度趋缓;试件抗弯破坏强度σ_(MOR)与聚合物掺量无相关性。聚合物的掺入可提高3D-GRC的σ_(LOP)、δ_(LOP)和塑性挠度,降低弹性模量和塑性模量,对其破坏强度无明显影响。

关键词：聚合物掺量 3D织物 GRC 抗弯强度延性韧性