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工程科学与技术,国际期刊23(2020)1223完整文章GFRP复合材料疲劳性能的试验和模拟Wahid Ferdousa,Peng,Allan Manaloa,Joshua Peaurila,Choman Saliha,Kakarla Raghava Reddya,PengYua,彼得·舒贝尔a,汤姆·海尔ba南昆士兰大学,未来材料中心,Toowoomba,QLD 4350,澳大利亚bAustrak Pty.有限公司、布里斯班,昆士兰州4001,澳大利亚阿提奇莱因福奥文章历史记录:收到2019年2019年12月22日修订2020年1月7日接受2020年1月28日在线提供保留字:玻璃纤维应力集中破坏理论分析模型A B S T R A C T研究了应力比为0.1的拉-拉疲劳条件下应力水平、应力集中和频率对玻璃纤维增强复合材料疲劳寿命的影响。在极限拉伸强度的80%、70%、60%、50%、40%和25%的应力水平下对乙烯基酯基GFRP层压板进行测试,直至失效或最多800万次循环(以先发生者为准),以确定疲劳寿命并识别失效模式。结果表明,复合材料在高应力下以纯拉伸方式破坏此外,发现应力集中会降低层压复合材料的疲劳寿命,并且高达8 Hz的测试频率不会引起过度的自热。平均应力破坏准则适用于低应力下GFRP复合材料的数值模拟,而Goodman破坏准则适用于高应力条件。该分析模型考虑了应力比、最大应力、频率和材料性能的影响,能够可靠地预测GFRP复合材料的拉伸疲劳寿命。©2020 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。1. 介绍纤维增强聚合物(FRP)复合材料由于其高的强度重量比、优异的耐久性、良好的耐环境性和设计灵活性而被越来越多地接受和应用[1最近,FRP的应用,特别是玻璃纤维增强聚合物(GFRP)已扩展到土木建筑,如桥梁[4],桥面[5],空间框架[6],挡土墙[7],铁路枕木[8这些结构经常受到重复载荷的影响,由于纤维断裂、基质开裂和纤维/基质脱粘而导致降解[13]。Manalo等人[14]进一步强调,复合材料结构对长期荷载的响应至关重要,因为用于民用基础设施的FRP设计通常由适用性而不是强度决定因此,需要深入了解重复载荷对复合材料结构性能的影响,以确保它们在目标设计寿命内是安全的。*通讯作者。电子邮件地址:Wahid. usq.edu.au(W. Ferdous)。由Karabuk大学负责进行同行审查GFRP的行为是线性的,通常以脆性方式破坏,这与金属从单个裂纹开始破坏并扩展直到破坏的情况有根本不同由于GFRP的失效是突然的,没有任何警告,因此了解其疲劳寿命与关键设计参数的关系非常重要。组成材料的特性、纤维方向、施加应力水平、应力集中和频率是影响GFRP材料疲劳寿命的关键参数[15]。在纵向、横向和对角方向上具有纤维的亚麻/环氧树脂复合材料的对碳纤维增强聚合物复合材料疲劳损伤增长行为的研究表明,疲劳裂纹的萌生和增长高度依赖于施加的应力水平,并且他们观察到分层和横向裂纹扩展是主要失效模式[17]。Gao研究人员[16,19,20]声称,复合材料层压板在高频下产生热量,影响材料的疲劳寿命,因此,他们将测试频率限制为4 Hz,以避免试样自热。为了预测疲劳寿命,https://doi.org/10.1016/j.jestch.2020.01.0012215-0986/©2020 Karabuk University.出版社:Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页:www.elsevier.com/locate/jestch×××西经1224号Ferdous等人/工程科学与技术,国际期刊23(2020)1223残余刚度和强度以及破坏机理,Shokrieh和Lessard[21,22]提出了一个广义的残余材料性能退化模型。该模型能够解释损伤状态并预测失效循环次数,但它需要许多实验数据才能进行完整的材料表征。Quares-imin等人[13]在预测复合材料层压板的疲劳寿命时考虑了多轴疲劳准则。他们发现了一个相当准确和基本上不安全的预测,强调需要更深入地了解故障行为,并建立一个可靠的预测模型。了解应力集中的影响,选择合适的疲劳失效准则,对疲劳寿命预测具有重要意义。上述文献综述表明,在疲劳失效机理、设计考虑因素、疲劳寿命可靠预测和GFRP层合板的适当失效理论方面存在知识缺口。更具体地说,仍然存在的问题是:(a)应力水平如何控制失效模式,(b)当层压板经受疲劳时,如何使刚度损失最小化,(c)在疲劳设计中避免应力集中有多重要,(d)是否有可能在更高的频率下测试GFRP层压板(以减少测试时间)比在4 Hz下测试的传统概念,(e)哪种失效准则最适合理解GFRP层合板的失效行为;(f)如何改进现有的疲劳模型,以可靠地预测疲劳寿命?本研究的新颖之处在于解决了这些问题,为进一步了解复合材料结构的疲劳行为提供了科学知识。为了实现这一目标,本研究全面(实验,分析和数值)调查的影响,应力水平,应力集中,频率和故障理论。在不同的应力水平(从低到高)和频率(超出传统概念)下测试GFRP复合材料样品,以了解疲劳行为。已进行有限元分析,以了解应力集中对疲劳性能的影响。此外,还提出了一个分析模型来预测GFRP复合材料在不同应力水平、频率和应力比下的疲劳寿命。本研究的结果对于理解复合材料在疲劳载荷下的性能保持和失效行为性能,以模拟和设计承受移动载荷、风压和吸力以及水动力的结构至关重要。2. 材料和方法2.1. GFRP复合材料层板本研究中使用的GFRP复合材料层合板是采用手工铺层技术在严格和一致的质量控制下制造的。使用的基质是乙烯基酯体系,通过严格控制纤维排列,粘结的纤维改善了表面质量,并使富含树脂的袋的形成最小化,从而提供了更强、更硬和重量更轻的层压材料。根据ASTMD2584[23]进行的燃尽测试显示,10个等厚的纤维层片在纵向(60%)和对角线(40%)方向上取向,纤维体积比为55%。对称(UTS)和试样的刚度。使用容量为100 kN的伺服液压MTS以1mm/min的十字头速度对5个重复样本进行测试。将样本小心夹在楔形夹爪上,楔形夹爪在测试样本上保持固定,以防止夹持区域滑动和断裂。所有测试均在正常室温(23 °C)和湿度(22%)下进行使用相同的材料在拉伸-拉伸中进行疲劳测试。根据ISO 13,003[25],计算机控制的伺服液压MTS机器在不同的负载幅度和频率下运行。选择的加载水平和加载频率范围分别为0.25至0.80 UTS和2至8 Hz[26]。为了减少测试时间,高循环疲劳测试使用了更高的频率在一个循环中施加的最小与最大应力之比在疲劳试验过程中,以规定的时间间隔记录载荷、位移和时间数据试验在试样失效或八百万(8 10 6)次循环时停止,以先发生者为准为了提高准确度,在低周疲劳试验中,在每个应力水平下对两个重复样品进行试验,因为初始试验显示结果的变化在10%以内。实施疲劳试验所需的大量时间(尤其是在较高循环下)、先前结果的一致性以及先前研究人员的经验[27]为在较高循环下对一个样本进行高循环试验的低施加应力所有试验均在载荷控制模式下进行,采用恒定振幅的正弦波形。疲劳试验的载荷方案如图1所示。最初,将样本逐渐加载到最小和最大载荷水平的中间,然后以可变振幅开始循环载荷,然后在稳定片刻后以恒定振幅开始。2.3. 有限元建模使用商业ANSYS工作台软件[28]创建三维有限元(FE)模型,以了解GFRP层压板的基本疲劳行为。分析的可靠性和准确性取决于材料模型、网格的大小和类型、边界条件和边缘处理。使用面网格化(通常更均匀,具有较少的扭曲元素,没有三角形,通常具有较少的节点)工具对样本进行网格化,以获得可靠的结果,因为这种方法适用于避免随机网格化。在有限元分析中使用了两种不同类型的样品,称为(a)锐边和(b)圆边。实体模型的形状、尺寸和网格划分如图所示。 二、考虑到求解时间和结果精度之间的良好平衡,在模型中采用了最大为2 mm的单元尺寸,并通过模拟正交各向异性材料行为来考虑纵向和横向性能的变化。密度和极限抗拉强度一种正交纤维复合材料的织物图案。使用水冷金刚石锯从复合材料板切割矩形形状的试样,其标称尺寸为300 mm × 25 mm × 5 mm,包括在两端胶合的50 mm突片,留下试样的2.2. 测试设置负载PMaxP最小值T = 0.5s时间根据ASTM- D3039[24]进行静态拉伸试验,以确定极限拉伸强度静载稳定疲劳载荷(2 Hz)Fig. 1.疲劳试验的加载配置。50 200毫米505毫米(一)50 200毫米505毫米(b)第(1)款((W. Ferdous等人 /工程科学与技术,国际期刊23(2020)1223-12321225图二、拉伸试样(a)锐边试样,(b)圆边试样,(c)锐边试样的网格,和(d)圆边试样的网格GFRP层合板分别为2000 kg/m3和500 MPa,纵向弹性模量为18 GPa。横向模量、泊松在一端考虑固定支撑,而在另一端施加载荷。首先,利用静力试验结果对模型进行了验证。最大应力准则被认为是确定静态破坏载荷。在纵向拉伸方向上对参考样本进行静态测试直至失效,结果见图3。这被用作ANSYS中为静态和疲劳研究设置的应力限值的指示。当试样的显著部分超过相应的最大应力极限时,记录到最终失效。该标准规定了不同方向的应力限值,直接指示了临界应力分量和潜在失效模式。该失效标准优于其他标准(例如,Tsai-Hill),因为其对失效模式的描述令人满意且具有深刻的指示性。一旦验证了模型,线性分析疲劳调查。当量使用公式(10)提取疲劳分析所需材料的大范围应力-循环数据(10%至100%应力水平)。3. 结果3.1. 有限元模型的静力试验与验证在开始疲劳试验之前,评价样品的拉伸性能,以确定对应于循环荷载下的特殊应力水平。GFRP层压板的典型拉伸性能如图所示。3(a)表示具有脆性(载荷突然下降)失效模式的线弹性性质(图3b)。样本在平均载荷为61 kN(CoV 6%)和位移为5.7 mm(CoV3.7%)时失效,对应于极限拉伸强度为500 MPa和应变为0.028,拉伸弹性模量为18 GPa。实验结果验证了有限元模型的正确性可以看出,有限元模型可以以可接受的方式捕获GFRP层压板的实际行为(图3a)。然而,在锐边试样的翼片处观察到高水平的应力集中(少数元件达到1229 MPa)(图3c),而应力分布相当均匀(少数元件达到最大值的529 MPa)的圆边试样(图3d)。 在对有限元模型进行验证后,将其用于疲劳分析。3.2. 拉-拉疲劳试验试件的破坏模式如图所示。 4(a). 可以看出,在80%和70%的极限载荷下的试样在中间高度处的纤维拉伸断裂中失效然而,当试样承受60%、50%和40%的极限载荷时,断裂发生在翼片处,而纤维没有分散的损伤(图4a)。另一方面,承受25%极限载荷的样本在800万次循环后未发生失效,因此决定停止试验。因此,可以说,应力集中是疲劳失效的另一种模式,如果横截面积或材料性能快速变化,并且经受大量疲劳循环,则更可能发生这种类型的失效GFRP复合材料600500400300200Exp.无循环载荷有限元分析(一)0失效8百万次循环0 0.01 0.02 0.030.04轴向应变(b)第(1)款(d)其他事项图3.第三章。静态试验结果(a)在61千牛在61千(在61千牛拉伸应力(MPa)100CuuMaxDT百分之八十百分之七十60%西经1226号Ferdous等人/工程科学与技术,国际期刊23(2020)1223(a)(b)第(1)款见图4。 循环载荷下的失效模式(a)40%-80%应力水平,和(b)25%应力水平下测试在800万次循环时停止。本研究中使用的层压板设计用于复合铁路轨枕的内部加固,其中仅将300万次循环视为疲劳试验的标准次数[30]。然而,本研究的目的是了解用于设计复合铁路轨枕加固的层压材料的疲劳行为,因此,疲劳试验达到非常高的循环次数(即,800万元)。载荷-位移曲线的斜率逐渐表1中提供了施加的应力、试验频率、平均疲劳寿命(含标准差,SD)、刚度损失和失效模式。3.3. 损害使用光学显微镜检查GFRP试样的表面。当应力达到极限时,沿横向扩展到某一临界水平,试样发生最终破坏4. 建模恒定幅度疲劳循环后的剩余强度与材料的初始静态强度相关[36]。基于材料强度在循环载荷下经历连续衰减的假设,建立了GFRP层合板强度衰减模型,并可由方程表示。(1)使用幂律[37]。在恒频载荷下,强度退化随疲劳循环次数或时间的增加而增大。因此,Eq。(1)可以被重写为时域的函数,并在等式(1)中表示。(二)、在疲劳试验的不同阶段,图5(a)示出了dr-m1初始表面条件,而在300万和800万次循环后形成的微裂纹如图所示 。 5(b)dn¼-C1nð1Þ和5(c)。很明显,试样表面受到分散的影响。这是因为GFRP复合材料层合板具有非均匀性和各向异性的性质,因此,损伤发生在试件dr¼-C2t-m22在方程式中,r为n次循环后的剩余强度,t为时间,C,C,m1和m2为材料常数。这里,Eq。根据局部应力分布,尽管是随机的,这不同于通常沿着金属的裂纹扩展发生的情况[31Harris[35]指出,纤维复合材料中的损伤可能是由于基体开裂、纤维断裂、脱粘和分层的独立或试样的最外层由纵向纤维组成,并且由于其更大的伸长率,基质比在表面中产生裂纹的纤维吸引更多的应力。这进一步得到了表面粗糙度的密切观察的支持,该表面粗糙度通过光学显微镜捕获并随后使用图像处理软件进行分析,如图5(d)、5(e)和5(f)所示。可以看出,试样的表面在开始时是尖锐而平坦的(图1)。 5 d),而锐度和平坦度在3百万次循环时下降(图5 e),并在8百万次循环时进一步恶化(图5 e)。 5 f)。随着自行车运动的继续,(2)是基于这样的假设,即在试验期间,样品的温度将保持恒定或接近恒定。材料常数C2是应力比εRε、极限抗拉强度εr ε u和最大施加应力εrmaxε的函数,可由方程表示。(3)其中常数A取决于含水量、样品的温度、材料性质和负载类型。C2¼A:FR;ru;rmax30Sendeckyj[36]、Hertzberg和Manson[38]阐述了R、ru和rmax对GFRP复合材料在拉伸-拉伸和完全反向载荷条件下的疲劳寿命的影响,(4).粘弹性变形的树脂,而且增长的微裂纹,有利于应力重新分布,导致裂纹,FR;r;r1-crc1-w表1疲劳试验结果。强制降解水平(%UTS)的样品频率(Hz)平均疲劳寿命(循环)刚度损失(%)失效模式8022360(标准差= 13)3.74纯张力7022984(标准差= 45)5.77纯张力60221879(标准差= 92)6.04应力集中502二、三、四29,174(标准差= 1503)6.84应力集中4012187,2927.45应力集中25188,000,0004.74未失败(测试停止)Max1RMax-m21N-m21-1uaNb-1f-b9u-B-m21半-]无表面损伤1毫表面损伤开始1毫表面损伤扩展1毫W. Ferdous等人 /工程科学与技术,国际期刊23(2020)1223-12321227(一)(b)(b)第(1)款(c)(f)第(1)款图五、(a)0次循环(开始)、(b)300万次循环(表面损伤开始)和(c)800万次循环(表面损伤扩展)的表面状况;以及(d)0次循环(开始)、(e)300万次循环和(f)800万次循环的表面粗糙度Hertzberg和Manson[38]通过实验确定了复合材料疲劳损伤扩展常数c的大小在0: 6~ 7:6范围内<<但是,可以计算替换Eq。(3),方程。(4)Eq. (7)在Eq. (6)、可以得到答:r1-crc最大值-最大值-101-R 1.Σc1:6-wsinh5在方程式中,(4)和(5)中,w定义为取,a¼一和b1/4-m2/1,方程。(8)可以重新排列作为-1\f25 R1-1\f6的-1\f25w ¼R-1\f6(<<对于1R1,w 1=R(压缩-压缩载荷)。<<. rRC-I1C当极限抗拉强度RMaxRMax1-R最大施加应力减小到等于最大施加应力。降低配对强度所需的循环次数-从Ru到Rmax的里亚尔是疲劳寿命。疲劳寿命可以通过积分方程来确定。(2)从开始到失败,即,进一步调整Eq. (9),疲劳寿命可以使用方程(9)确定。(十)、“f . R不u1#11/4t0至t/4T,如方程式所示(6). 可以通过下式定义时间t tt t周期数n和频率f,如等式(1)所示。(7)。N¼1rmax-1RMax第1- 勒夫茨ð10ÞrmaxC2半]ru1/2--m2n不M21吨<$T;n<$Nt<$t0;n<$1ð6Þ在Eq. 方程(9)有两个参数a和b,可以从几组实验数据中确定。只有三个简单的疲劳试验结果在一个特定的应力比,t1/2/3不同的应力水平足以确定参数a和b.当量(9)表示一个直线方程,((ð Þ从纤维方向和加载方向之间的最小角度h,如等式2所示。(5).uf-m21ð8Þuc-1b西经1228号Ferdous等人/工程科学与技术,国际期刊23(2020)1223当绘制等式的左手侧时(9)对权--ttyNb-1f-b.最佳拟合直线可以在多次试验b值(本研究为0.2589)后获得,其中通过原点的直线的斜率为a值(本例为0.1611)。在Eq. (10)考虑了应力比、施加最大应力、频率和材料特性的影响。现有的许多疲劳模型没有考虑频率的影响。例如,Caprino和D'Amore [37]提出的模型因此,本研究提供的模型比现有模型具有明显的优势[39,40]。本文提出的模型不仅限于GFRP层合板,而且在调整材料常数参数a和b后,适用于任何材料的疲劳寿命预测。5. 讨论5.1. 应力水平施加应力水平对疲劳寿命(循环)的影响如图6所示。分析模型很好地捕捉了实验行为,并预测了非常低应力水平下的疲劳寿命20%)。该图表明,疲劳寿命随着施加应力水平的降低而增加,然而,即使在半对数图中,响应也是轻微非线性的。之前的研究人员观察到(在标准化S-N曲线中进行比较)碳/环氧树脂、玻璃/环氧树脂、玄武岩/环氧树脂、碳纳米管/环氧树脂和亚麻/环氧树脂纤维增强塑料的半对数图中疲劳寿命的线性变化[16,17,20,41]。研究结果表明,玻璃/乙烯基酯复合材料的疲劳寿命随应力水平的小幅降低而显著提高,即乙烯基酯复合材料的疲劳寿命提高幅度大于环氧基复合材料。图4(a)显示了试样在不同应力水平下的失效情况。观察到,由于在80%和70%载荷下纤维断裂,试样在纯拉伸下失效然而,当样本经受60%或更低的应力水平时,由于应力集中,在翼片处发生失效应力缓慢地集中到截面尺寸发生变化或材料特性发生变化的位置试样在短时间内失效,并且在高水平的施加应力(80%和70%)下的循环次数较少,这迫使它们在纯拉伸下失效在循环荷载作用下,破坏模式的变化取决于纤维类型和方向。百分百百分之九十百分之八十百分之七十百分之六十百分之五十百分之四十百分之三十百分之二十百分之十0%的百分比1.E+0 1.E+2 1.E+4 1.E+6 1.E+8循环次数,N见图6。 应力水平对疲劳寿命的影响(S-N曲线)。的结果,并同意吴等人[20]的发现,其中他们观察到纵向和横向断裂的纤维在失败。图 7绘制了不同应力水平下的荷载-位移曲线的初始和最终滞回周期。确定了第一个和最后一个周期之间的两个主要变化:(a)斜率减小和(b)滞后周期中面积略有增加载荷-位移曲线斜率的减小表明试样的刚度随疲劳循环次数的增加而降低。随着疲劳循环次数的增加,基体逐渐变软,树脂与纤维之间的结合力逐渐减弱。最后一个滞回周期的面积比第一个滞回周期的面积略有增加,表明能量的耗散。疲劳退化的累积不可逆过程是由于内部摩擦和微观断裂而发生的,这些内部摩擦和微观断裂反映在不同形式的耗散机制中,例如热和机械滞后[42]。随着疲劳循环次数的增加,势能结果表明,随着载荷的减小,材料的能量消耗逐渐减小,即随着应力水平的增加,材料的能量损失逐渐增加。随着施加载荷的减小,窄的磁滞回线逐渐图8显示了不同应力水平下失效时的剩余刚度。可以看出,对于80%、70%、60%、50%和60%,试样的刚度损失3.74%、5.77%、6.04%、6.84%和7.45%。压力水平的40%。在25%的应力水平下,试样在800万次循环中未发生失效,未断裂试样的静态试验显示其强度高达原始强度的88如图3(a)所示。复合材料的拉伸性能主要由纤维控制,因此表现出高强度和 刚 度 保 持 率 。 在 类 似 的 GFRP 复 合 材 料 中 , Vieira 等 人 [19] ,Manjunatha等人[43]和Bourchak等人[44]观察到损失在40%的应力水平下,刚度可达20%。Harris[35]指出,循环载荷下的机械性能退化主要取决于复合材料的铺层和测试模式。先前研究[19,43,44]中所研究的层压板由纵向(0)和横向(90)纤维组成,而本研究中的层压板没有横向纤维,但在± 45°方向上具有纤维,可以保持比横向纤维更好的刚度。因此,可以说,通过避免横向纤维,可以使层压复合材料在循环载荷下的机械性能损失最小化。5.2. 应力集中实际上,结构部件通常加载有应力集中特征,诸如锥形、凹口、孔、凸缘、凹槽、凸起等,其用于基本目的并且不能被消除。截面的突变会产生应力集中,影响结构的整体性能使用有限元建模,图。 9比较了锐边(高应力集中)和圆边(低应力集中)试样的疲劳性能。可以看出,脂肪寿命(即,在特定的应力水平下,对于相同材料获得的失效循环数)对于圆边试样比锐边试样高40-Maragoni等人[45]发现疲劳损伤的产生、演变和刚度下降受到应力集中特征(如空隙)的深刻影响循环次数越多,应力集中对疲劳寿命的影响越因此,需要引入应力集中因子来关联锐边和圆边试样之间的疲劳强度。简化的关系式在Eq.(11)而本研究中特定试样的应力集中系数在方程(11)中提出(12). 由方程式(11),Sn是调整后的疲劳强度,y = -0.05ln(x)+1.0259 R² =0.9938实验理论*y = -0.053ln(x)+1.0593 R² =0.9444*测试在800万次循环时停止外加应力第一个周期(N=1)最后一个周期第一个周期(N=1)最后一个周期(N=2243)第一个周期(N=1)最后一个周期(N=187291)载荷,P(kN)载荷,P(kN)载荷,P(kN)W. Ferdous等人 /工程科学与技术,国际期刊23(2020)1223-1232122950 5040 4030 3020 2010 100(一)0 2 46位移,δ(mm)0(b)第(1)款0 2 4 6位移,δ(mm)50 5040 4030 3020 2010 100(c)第(1)款0 2 46位移,δ(mm)0(d)0 2 4 6位移,δ(mm)50 5040 4030 3020 2010 100(e)0 2 46位移,δ(mm)0(f)0 2 4 6位移,δ(mm)见图7。在(a)80%、(b)70%、(c)60%、(d)50%、(e)40%和(f)25%极限荷载下的荷载-位移特性。10098969492908886第一个周期(N=1)最后一个周期(N=1067)第一个周期(N=1)最后一个周期(N=37571)第一个周期(N=1)最后一个周期(N= 800万)疲劳后剩余刚度%载荷,P(kN)载荷,P(kN)载荷,P(kN)百分之八十百分之七十百分之六十百分之五十40% 25%%应力百分百百分之九十百分之八十百分之七十百分之六十百分之五十百分之四十百分之三十百分之二十百分之十0%的百分比1.E+01.E+21.E+41.E+61.E +8循环次数,N见图8。 应力水平对刚度的影响(注:样本在25%时未失效)。见图9。 边缘处理对疲劳寿命的影响。锐边圆边外加应力nRMax:雷雷.Σreru西经1230号Ferdous等人/工程科学与技术,国际期刊23(2020)1223而S0是假定无应力集中的圆边试样的计算疲劳强度应力集中系数(Kt)取决于施加的应力水平,可使用公式(1)确定(12). 以无应力集中的GFRP材料S-N曲线为例,给出了设计工程师在100万次疲劳寿命循环下,需要用尖边试件设计结构时的最大许用应力(即有应力集中的部件图9示出了没有应力集中的试样的疲劳寿命(即,圆边)为100万次循环(当施加53%的极限载荷时)。该应力水平下的应力集中系数为1.40,表明对于锐边试样,最大容许应力需要降低至38%,以实现100万次循环的疲劳寿命。10864200 10000 20000 30000S1S0循环次数,N11n¼ KtnÞ见图10。 频率对试件表面温度的影响。Ktrruð12ÞGFRP试样可以在8Hz的频率下进行测试,而不会因内摩擦而受到动力放大本研究发现,边缘GFRP试件可在1和3之间变化,取决于施加的应力水平。该结果支持Keller等人[46]的发现,他们观察到锥形样本(低应力集中)在循环载荷下的性能优于锥形样本(高应力集中)。由于应力集中处的应力较高,疲劳破坏一般从该区域开始。因此,在设计用于循环载荷的结构部件时,最好将应力集中降至最低,以防止过早疲劳失效。这可以通过从设计中避免应力集中特征或通过用具有尽可能大的半径的圆角代替尖角来实现在某些情况下,尖角是不可避免的,应力集中可以最小化,保持这部分远离峰值应力在负载下的区域5.3. 频率对发热在疲劳试验中,声称试样在高频下产生热量,为了避免试样自热,试验频率限制为4 Hz[16,19,20]。这对于纤维复合材料尤其是树脂/基体界面更为关键,因为它可以在高温下软化基体。然而,在低频率下的测试对于高循环疲劳测试是耗时的。通过激光测温枪(非接触式红外数字温度计)测量疲劳试验中试样中心高度处的表面温度,研究了加载频率对热产生的影响在室温下以2、3、4和8Hz的频率进行测试图10绘制了不同频率下表面温度随循环次数增加的变化。可以看出,表面温度在疲劳测试的早期阶段升高,并在大约10,000次循环后稳定。这是由于10,000次循环后试样的表面光滑度,如图所示。 5和产生微裂纹,使颗粒之间的摩擦最小化,导致恒定的热产生。这一发现可以减少50% 的测试时间相比,在4赫兹测试的trans-acquisition概念疲劳循环过程中能量的耗散产生热量,使试样温度升高,基体软化,影响值得注意的是,这些发现是基于具有低热导率的玻璃钢样品,这与金属不同,金属中的热量可以快速从一个颗粒传递到另一个颗粒。5.4. 破坏理论失效理论用于预测在试样的元件中的临界点处的应力是否会导致失效。常见的疲劳失效理论是Soderberg(方程。(13)),Goodman(Eq. (14)),Gerber(Eq. (15)和平均应力[18]。根据古德曼理论(图11a),只要材料当应力下降到从交变应力(ra)轴上的疲劳极限(re)到极限平均应力(rm)轴上拉伸强度(rGerber理论(图)图11 a)与Goodman理论的不同之处在于,破坏线是抛物线形的,它穿过疲劳极限和极限拉应力,因此保守性较小(图11 a)。 11 a)。Soder-berg理论(图11a)是基于材料的屈服强度(ry),比前两个理论更保守。平均应力破坏线如图所示。 11(b)不同的装载类型。当应力-循环(S-N)曲线定义为不同的应力比(即,R值)。有限元软件考虑了平均值应力通过曲线之间的线性插值得到不同的R值。现在的问题是,哪种破坏理论最适合GFRP材料?Soderberg Eq:rarm¼1 13GoodmanEq:rarm¼1 14在2、3、4和8 Hz频率下记录的最大温升分别为6.8、7.1、6.2和7.9 ℃,这表明温度可以随着频率的增加而升高Gerber方程aReRm2Ru¼1 ð15Þ频率,但其变化不显著(1 ° C),从2 Hz到8赫兹。根据ISO13003标准[25],频率的选择应确保在试验过程中样品的自热保持在10 ° C以下。对于所有频率,温度的上升都低于10摄氏度,表明如前所述,Soderberg失效准则基于材料的屈服强度,因此,该理论不适用于没有屈服点的GFRP等材料。为了理解GFRP材料最合适的破坏理论,图。图 12(a)使用不同的2 Hz3 Hz4 Hz8 Hz温度升高(0℃)W. Ferdous等人 /工程科学与技术,国际期刊23(2020)1223-12321231(b)第(1)款R =-1R =-0.5R = 0R = 0.5周期见图11。疲劳破坏理论(a)Gerber,Goodman和Soderberg,和(b)平均应力。(一)100,000,00010,000,0001,000,000100,00010,0001,000100101实验古德曼理论格伯理论平均应力理论0.5 0.75 1 1.251.5加载历史(b)第(1)款应力集中降低了层合复合材料的疲劳寿命,并且在高循环次数下,不利影响增加根据所施加的应力水平,已提出了从1到3的应力集中系数,以关联尖锐和圆边GFRP复合材料之间的疲劳强度为提高复合材料的疲劳寿命,在设计中应避免应力集中将测试频率从2 Hz增加到8 Hz,自加热温度仅升高1 °C(从6.8 °C增加到7.9 °C),并且在两种情况下均保持低于最大允许温度10 °C。因此,GFRP复合材料可以在8Hz的频率下进行测试,而不会受到由于内部摩擦而导致的动态放大的影响。这一发现可以减少测试见图12。失效理论的影响(a)疲劳敏感性,和(b)双轴性指示。并与实验结果进行了比较疲劳敏感性结果是在施加应力为极限应力的50%(对应于1的载荷历史可以看出,平均应力理论紧密地捕获了在25%(加载历史0.5)和50%(加载历史1)的极限强度之间施加应力的实验行为,因为平均应力曲线紧密地跟随该区域的实验结果另一方面,当施加高水平的应力时,好人失效理论是最合适的,即,60%(加载历史1.2)及以上。 图 4(a)表明,高应力水平下的试样由于纤维断裂(脆性破坏)而在纯拉伸下失效,对于这种情况,极限和耐久强度线性变化的标准(古德曼理论)预期表现更好。有限元结果的可靠性见图10。 12(a)通过观察图12(b)所示的试样的双轴度指示进一步验证。 12(b). 在试样的跨度中双轴度为零(或6. 结论本文研究了GFRP复合材料层合板的轴向通过实验、分析和有限元建模研究了应力水平、应力集中和频率对材料疲劳寿命的影响,得出以下结论:应力水平影响GFRP复合材料的破坏行为当施加的应力为极限拉伸强度的70%或更高时,试样在纯拉伸下由于长纤维断裂而失效,而当施加的应力为极限拉伸强度的60%或更低时,由于应力集中而发生失效乙烯基酯基层压复合材料在800万次疲劳循环后,其原始强度保持率为层合复合材料的刚度损失可以通过避免横向纤维来最小化。与在4 Hz频率下测试GFRP复合材料的传统概念相比,在低应力条件下(极限强度的50%或更低),平均应力破坏准则最适用于GFRP复合材料;在高应力条件下(极限强度的60%或更高),Goodman破坏准则适用于GFRP复合材料。本文所用的分析模型考虑了应力比、最大应力、频率和材料性能的影响,即使在很高的循环次数下,也能可靠地预测GFRP复合材料的确认该项目得到了合作研究中心(CRC-P57360 - CRC-P Round 3)赠款的支持。作者感谢Austrak Pty有限公司的物质支持申报利益作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,可能会影响本文报告的工作。引用[1] C.E. Bakis,L.C.银行,V.L.布朗,E。科森扎,J.F. Davalos,J.J. Lesko等人,建筑用纤维增强聚合物复合材料--最新技术评述。合成物施工6(2002)73-87。[2] W. Ferdous,T.D.Ngo,K.T.Q.Nguyen,A.Ghazlan,P.Mendis,A.Manalo,阻燃陶瓷粉对酚醛基玻璃钢复合材料性能的影响,复合材料。工程学学士 155(2018)414-424。[3] W. Ferdous,A.Manalo,T.Aravinthan,梁方向对不同剪跨-深比酚醛芯夹层复合材料静态行为的影响,Compos。结构168(2017)292-304。[4] Keller T,Gürtler H.纤维增强聚合物桥面板与主梁间的复合作用与粘结。建筑用复合材料杂志。2005年;9.[5] S. Yanes-Armas,Jd.Castro,T.Keller,拉挤玻璃钢桥面板的系统横向面内剪切刚度,工程。结构。 107(2016)34-46.[6] X. Yang,Y. Bai,F.J. Luo,X.- L. Zhao,F.丁,拉挤玻璃钢复合材料组装大型空间框架的动态和疲劳性能,Compos。结构138(2016)227-236。(交变应力可用寿命(周期)●●●●●●西街1232号Ferdous等人/工程科学与技术,国际期刊23(2020)1223[7] W. Ferdous,Y. Bai,A.D. Almutairi,S. Satasivam,J. Jeske,使用GFRP空心型材的挡水墙模块化组件:组件和连接性能,Compos.结构194(2018)1-11。[8] W. Ferdous,A.马纳洛湾Van Erp,T.Aravinthan,K.Ghabraie,静态荷载下窄轨轨道用创新复合铁路轨枕的评估,J. Compos。施工22(2018)1-13.[9] G.科勒,FFU合成轨枕-欧洲项目,建筑。Build. Mater. 92(2015)43-50。[10] W. Ferdous,A. Manalo,T. Aravinthan,A.层状夹层梁的弯曲和剪切性能。Build.Mater. 173(2018)429-442.[11] H. Fang,Y. Bai,W. Liu,Y.王琦,纤维增强聚合物复合材料在恶劣环境中的民用基础设施连接和结构应用,Compos. 工程学学士 164(2019)129-143.[12] W. 梁-柱节点刚度对梁设计的影响,载于:S。T.史密斯(Ed.),第23届澳大拉西亚结构与材料力学会议(ACMSM 23),南十字星大学,拜伦湾,澳大利亚,2014年,pp. 701- 706[13] M.夸雷西明湖苏斯梅尔河Talreja,多轴载荷下复合材料层合板的疲劳行为和寿命评估,Int。 J. Fatigue 32(2010)2-16.[14] A. Manalo,T. Aravinthan,A.法姆湾Benmokrane,轻型民用基础设施用FRP夹层系统的最新评论,J. Compos。施工21(2016)1-16.[15] T. Tanimoto,S.张文,张文,等,玻璃纤维增强复合材料疲劳损伤的渐进性,北京:机械工程出版社。合成物Mater. 9(1975)380-390。[16] S. Liang,P.- B.格宁湖Guillaumat,疲劳载荷下亚麻/环氧树脂复合材料的性能演变,Int. J. Fatigue 63(2014)36-45。[17] A.霍芬河,N.佐藤,澳-地Kusumoto,K. Fujiwara,H. Kawada,准各向同性CFRP层合板在10^8次循环后的高周疲劳特性(考虑与横向裂纹相互作用的脱层起始和扩展),Int. J. Fatigue 32(2010)29-36。[18] Y.高,40CrNi2Si2MoVA钢的疲劳应力集中敏感性和应力比效应,Mater. Lett. 186(2017)235-238.[19] P.R. Vieira,E.
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