【摘 要】
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针对外荷载作用下公路工程应用玻璃钢夹砂管缺乏数值计算方法和失效破坏历程分析的现状,本文以多层复合玻璃钢夹砂管作为研究对象,基于双线性本构模型和B-K断裂能损伤演化准则的内聚力表面建模技术模拟层间分离,从细观力学角度出发,借助经典层合板理论、结构层失效准则与层合板刚度退化准则,建立了基于层间界面失效模式的玻璃钢夹砂管渐进损伤模型,探究不同参数对玻璃钢夹砂力学性能的影响规律;通过正交设计的数值计算分析
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针对外荷载作用下公路工程应用玻璃钢夹砂管缺乏数值计算方法和失效破坏历程分析的现状,本文以多层复合玻璃钢夹砂管作为研究对象,基于双线性本构模型和B-K断裂能损伤演化准则的内聚力表面建模技术模拟层间分离,从细观力学角度出发,借助经典层合板理论、结构层失效准则与层合板刚度退化准则,建立了基于层间界面失效模式的玻璃钢夹砂管渐进损伤模型,探究不同参数对玻璃钢夹砂力学性能的影响规律;通过正交设计的数值计算分析,研究了基于力学性能和经济效益指标的各影响因素的参数优化,为管壁结构的力学性能计算和优化设计提供了重要参考依据。论文的主要研究内容及成果如下:(1)组成成分及管涵结构力学性能分析。采用“光-色-热-质-元-化”联用技术分析玻璃钢夹砂管组成成分,通过玻璃钢夹砂管缠绕层力学性能试验与平行板加载破坏试验,确定缠绕层各项力学指标、破坏失效形式和最大破坏荷载,明确多层复合玻璃钢夹砂管失效破坏模式以层间分离和夹砂层剪切破坏为主。(2)基于渐进失效建立有限元分析模型。从细观力学角度提出单层缠绕层和夹砂层刚度与强度预测公式,结合Hashin单层失效判据以及玻璃钢夹砂管涵刚度退化准则建立层合板渐进失效模型,将模拟计算结果与室内试验结果进行比对分析,验证有限元计算方法的可靠性。(3)管涵层间失效力学性能变化规律。利用渐进失效模型计算模型,分析管涵失效破坏时结构层应力变化情况,确定管涵的薄弱层为:最外层缠绕层、最内层与最外层夹砂层;分析夹砂层厚度、夹砂层中树脂含量、缠绕层厚度、纤维体积分数等因素变化对结构强度的影响规律,提出改变缠绕层和夹砂层等薄弱层厚度,以消除对管涵强度的不利影响,为玻璃钢夹砂管管壁结构优化及管涵影响参数取值范围设定提供依据。(4)建立正交试验优化管涵结构。通过正交试验获得玻璃钢夹砂管组成材料配比组合,以力学性能指标(最大破坏荷载)与经济效益为研究对象,采用极差分析法、方差分析法分别确定管涵的最优参数组合,得到管涵最优组合参数为夹砂层厚度为39.6mm、纤维缠绕层厚度为8.8mm,纤维体积分数为50%,树脂含量为25%。
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