玻璃钢锚杆拉伸及固化过程细观力学数值模拟研究

摘要

在玻璃钢锚杆中，纤维是载荷的主要承担者，杆体受拉纤维断裂失效后，在断点发生纤维脱粘和杆体裂纹扩展是两种主要破坏形式。另外，玻璃钢锚杆生产中，经历由高温到低温的固化过程，产生热残余应力也是不可避免的。本文主要对玻璃钢锚杆拉伸过程中，纤维拉脱、杆体裂纹扩展两种破坏失效形式以及玻璃钢锚杆杆体在固化过程中的热残余应力分布进行了数值模拟。本论文所进行的数值模拟是采用通用有限元模拟软件ANSYS与自主开发程序相结合的方法，以玻璃钢锚杆的尺寸为基础建立初始条件、边界条件、失效准则、材料和状态方程来进行。本研究主要内容包括：
　　⑴对单根纤维拉脱模拟分析了理想界面、不同界面层厚度和不同界面层弹性模量对单根纤维拉脱的影响。研究结果表明：在单根纤维拉脱过程中，下端脱粘点和上端面都会出现应力集中，且下端脱粘点的应力集中范围和程度要大于上端面。适当增加界面层厚度、减小界面层的弹性模量，界面上应力分布更均匀，有利于减少应力集中的范围和程度，界面产生塑性变形的能力增大，界面脱粘载荷增大，从而可以避免杆体发生脆性破坏，提高其强度和韧性。
　　⑵对杆体裂纹扩展模拟分析了纤维断裂后裂纹扩展的模式和界面强度对损伤演化发展的规律。研究结果表明：强界面情况下，纤维断点处产生的裂纹沿垂直于纤维轴向的基体中扩展，纤维上应力迅速增大，纤维上容易出现应力集中，材料往往出现脆性破坏，但已断纤维和邻近纤维上的应力都会迅速恢复；弱界面情况下，纤维断点处产生的裂纹在已断纤维和其邻近基体的界面上沿纤维轴向进行扩展，界面脱粘，邻近纤维上应力集中的范围和程度都比较小，材料表现出较好的韧性，已断纤维和邻近纤维上的应力恢复得慢；在中等界面的情况下，纤维断点处产生既会发生纤维脱粘也会发生裂纹扩展，使材料既能保持一定的强度，又表现出一定的韧性。
　　⑶对固化过程中杆体中热残余应力分布模拟分析了固化温度、纤维弹性模量、基体弹性模量、纤维体积分数和界面层弹性模量等工艺参数对玻璃钢锚杆杆体中热残余应力分布的影响规律。研究结果表明：固化温度升高，纤维弹性模量增大，基体弹性模量增大，纤维体积分数增加，都会引起玻璃钢锚杆杆体中热残余应力增大。界面层弹性模量增加，玻璃钢锚杆杆体中的热残余应力集中向界面层中转移，热残余应力集中减少。当界面层的弹性模量与纤维的弹性模量相差比较小时，杆体中的热残余应力会大大降低。

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变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景和意义（Background and Significance）

1.2复合材料力学理论（Mechanics of Composite Materials）

1.3界面在纤维增强复合材料中的作用（Role of Interface in Fiber Reinforced Composite Materials）

1.4 纤维增强复合材料中的数值模拟技术（ The Numerical Simulation Technology of Fiber Reinforced Composite Materials）

1.5国内外研究现状（ Overseas and Domestic Research Status）

1.6主要研究内容（The main research contents）

2 ANSYS 基础和玻璃钢锚杆失效分析

2.1有限元方法（The Finite Element Method）

2.2 基于 ANSYS 软件的复合材料有限元分析（ Finite Element Analysis in Composite Materials Based on the Software of ANSYS）

2.3 玻璃钢锚杆的过载失效分析（The Analysis of Overload Failure on the GFRT Bolt）

2.4 本章小结（Summary）

3 单根纤维拉脱的数值模拟研究

3.1单根纤维拉脱的理论分析（The Theoretical Analysis of Single Fiber Pullout）

3.2有限元模型的建立（The Construction of Finite Element Model）

3.3 失效准则和模拟流程（Failure Criterion and Simulation Flow）

3.4 数值模拟结果与分析（The Analysis and Result of the Numerical Simulation）

4 杆体拉伸过程裂纹扩展数值模拟研究

4.1有限元模型的建立（Construction of the Finite Element Mode）

4.2裂纹扩展的实现（The Realization of the Crack Propagation）

4.3失效准则和模拟流程（Failure Criterion and Simulation Flow）

4.4 数值模拟结果分析（The Analysis and Result of the Numerical Simulation）

4.5本章小结（Summary）

5固化过程中杆体热残余应力分布规律数值模拟

5.1固化温度对热残余应力的影响（Effect of Curing Temperature on Thermal Residual Stress）

5.2 基体弹性模量对热残余应力的影响 (EffectofMatrixElasticon Thermal Residual Stress）

5.3 纤维弹性模量对热残余应力的影响(Effect of Fiber Elastic on Thermal Residual Stress)

5.4 纤维体积分数对热残余应力的影响(Effect of Fiber Volume Fraction on Thermal Residual Stress)

5.5界面层弹性模量对热残余应力的影响(Effect of Interface Elastic on Thermal Residual Stress)

5.6本章小结（Summary）

6 结论与展望

6.1结论（Conclusion）

6.2展望（Prospect）

参考文献

作者简历

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