罗佳佳，王斌华

(长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

0 引 言

碳纤维复合材料(CFRP)具有高比强度、高比模量、耐疲劳等优良的性能，已经在航空领域得到广泛和深入的应用。碳纤维复合材料通过粘接贴合的方式加固结构，可实现载荷大面积均匀和有效的传递，相对于金属结构的传统加固方法，例如焊接、铆接或螺栓连接增强钢板的加固措施，不会产生焊接残余应力、对原结构的显著增重和应力集中等新问题。因此，进行碳纤维复合增强材料用于加固钢结构具有显著特点和优势。

通过ABAQUS程序进行有限元建模，建立了碳纤维复合材料加固钢的末端缺口弯曲试验(ENF)模型，并考虑了钢的弹塑性变形[1]，利用仿真分析研究了粘结层厚度(0.02 mm、0.1 mm、0.5 mm)和碳纤维弹性模量，见表1(低[2]、中[3]、高[4]弹性模量)参数变化时加固试件力学性能的断裂机理，获得了各参数组合时ENF试件的载荷—位移曲线。

1 ENF试件材料参数

如图1所示为ENF试件结构示意图，针对粘结层厚度和碳纤维弹性模量对碳纤维-钢复合结构断裂性能的显著影响，分别建立了两种参数变化时的ENF试件的有限元模型。CFRP的弹性模量如表1所示，粘接剂的属性：剪切模量为1.56 GPa，法向和切向名义应力分别为25.7 MPa、15.8 MPa，断裂能为0.57 N/mm[5]。

图1 ENF试件示意图 (mm)

2 碳纤维加固刚复合结构界面单元在ABAQUS中的实现

采用二次名义应力准则来模拟模型损伤初始[1]：

(1)

粘结层应力状态满足方程(1)时，材料刚度开始退化，本模型采用幂次定律的断裂准则(Power law)。

表1 CFRP弹性模量

3 有限元分析

由图2分析可知，粘结层厚度对ENF试件的承载力变化影响显著，分析原因是粘结层厚度加大使得ENF复合梁横截面高度增大而提高了截面抗弯模量，但是对于实际工程，超厚粘结层制备需要专门技术措施，并且碳纤维—钢复合结构中，粘结层一般属于断裂性能薄弱层，因此此时粘结层的加固措施尤为重要；高弹性模量碳纤维提高了ENF梁的横截面抗弯刚度，因此随着碳纤维弹性模量的增大，相同树脂层厚度的碳纤维—钢复合结构的载荷—位移曲线弹性段斜率断增大，极限承载力提高，并且相同的力载荷作用时，高弹性模量碳纤维可减小碳纤维—钢复合结构的弯曲变形，但是对于极值承载力影响不大，并且由于碳纤维与钢之间弹性模量的差异性增大，对于较薄树脂层(0.02 mm和0.1 mm)极值承载力随碳纤维弹性模量提高而略微降低，对于较厚树脂层(0.5 mm)极值承载力随碳纤维弹性模量提高而略微有所提高，此结果也说明了树脂层增厚降低了粘结层剪应变增长速率，使复合梁结构可适当通过增大碳纤维弹性模量的方式进一步提高极限承载力。

图2 载荷位移曲线

4 结 论

通过以上分析可知，可得如下结论：

(1) 碳纤维-钢复合结构可有效增强钢基体的抗弯承载力和抗弯刚度。

(2) 碳纤维弹性模量和粘结层厚度均显著影响着碳纤维-钢复合结构的承载力和抗冲击性能，实际工程结构应用时对其参数优化具有重要意义。

(3) 粘结层厚度的增大可提高碳纤维-钢复合结构的抗弯承载力和抗弯刚度，因此厚粘结层加固措施值得深入研究。