碳纤维增强铝基复合结构抗弯强度研究

2018-05-07丁广志王斌华

装备制造技术 2018年2期

丁广志，王斌华

（1.长安大学工程机械学院，陕西西安710064；

2.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）

金属结构部件在长期使用过程中，由于材料、工艺、施工条件等因素的影响，会使设备局部出现裂纹或强度不足等问题。传统的焊接、贴板等加固方法会使金属基体产生一系列缺陷，比如：焊接会使基体产生一定变形，并在结构内部产生残余应力；贴板则需要在原结构上增钻螺栓孔，会降低原承载面的结构强度[1]。随着工程技术发展的需要，碳纤维增强技术应运而生，碳纤维具有比强度、比刚度高，绝缘、耐腐蚀等优点[2，3]，可在不破坏原结构的基础上对设备进行加固。其加固金属结构形式如图1所示，结构载荷通过粘接层施加于碳纤维加固层上，从而达到加固的目的。目前碳纤维加固多用于RC梁、钢梁等结构中，试验及理论两方面的研究表明[4，5]，使用碳纤维加固技术不仅可以提高设备对极限载荷的承载能力，还可以提高设备稳定性承载力。预应力技术的应用可以在传统加固技术的基础上充分发挥碳纤维的性能，进一步提高加固效果[6]。目前在碳纤维加固研究中，很少涉及碳纤维层数对粘接效果的影响，上海大学胡亮[7]研究了碳纤维布加固钢吊车梁的疲劳性能，试验结果表明，粘贴一层碳纤维布就可以使疲劳寿命提高52.94%～85.56%，然而文中没有探讨多层碳纤维对结构的加固效果。一般认为碳纤维层越厚结构抗弯强度越高，但是过多的碳纤维层数不仅会增加树脂层的数量，同时会增加结构的重量，其加固效果可能会受到限制。与钢结构相比，铝材比强度、比刚度高，被广泛用于汽车、航空等领域，但是重量对其结构的影响比钢结构更加敏感，而目前研究中较少涉及对铝梁加固的研究。为明确碳纤维层数对铝基结构加固效果的影响，本文利用三点弯曲试验对多层碳纤维加固性能进行研究。

图1 碳纤维增强铝基结构示意图

1 试验研究

试验金属基选用6061铝合金，截面尺寸为（20×3）mm2，长度为160 mm.树脂选用南通星辰生产的凤凰牌E51-618型环氧树脂，固化剂为5034A，树脂和固化剂按质量比4∶1的比例混合使用，该树脂粘度较低，具有较强的渗透性，可充分浸润纤维及金属表面。碳纤维增强层选用3K平纹碳纤维布，材料参数见表1.铝合金及碳纤维布在粘接前均使用丙酮进行超声波清洗30 min，然后在0.6 MPa压力下在模具内复合成碳纤维复合材料，常温下固化24 h，每组4个试样，试样参数见表2.根据GBT 232-2010，采用三点弯试验对试样强度进行研究，支撑跨度为120 mm，具体支撑方式见图2.使用济南天辰试验设备有限公司生产的万能拉压试验机进行试验，该设备最大试验力为100 kN，试验加载速率为1 mm/min（图3）。

表1 材料参数

表2 试样参数

图2 试样支撑方式示意图

图3 三点弯曲试验

2 试验结果及分析

通过位移加载模式，可以得出不同试样的位移-载荷曲线，当试样发生破坏时，停止加载。试验数据由试验机配套软件直接导出，未加固铝合金试样载荷-位移曲线见图4，碳纤维加固试样载荷-位移曲线见图5，图中可以看出，各碳纤维试样试验曲线形状大体相似，试验在加载过程中，变形可以分为三个阶段：弹性变形、塑性变形、失效剥离，分别对应图5中的线性区、非线性区和失效点。所有试验失效形式均为碳纤维/铝界面发生剥离破坏，在失效点处，碳纤维层与铝基表面发生大范围瞬间剥离，使其承载力急剧下降。

图4 纯铝合金载荷-位移曲线

图5 碳纤维复合材料载荷-位移曲线

从图6中可以得出，试样的极限承载能力随着碳纤维层数的增加而增加，且随碳纤维厚度的增加成线性增长。由于试样重量会随着碳纤维厚度的增加而增加，为评估重量的增加对结构强度提升的贡献，使用单位重量强度提升比来计算增加单位重量所引起的强度增幅，计算结果见表2，由数据可知，随着试样重量的增加，单位重量所贡献的强度大致相同，例如，相应于两层碳纤维加固，碳纤维层重量每增加1 g，其抗弯强度提升42%.通过线性拟合可得出试样厚度增幅与极限载荷增幅之间的数量关系：y=5.6484x+0.3043，式中，x为试样厚度增幅，y为相应的极限载荷增幅。在针对此类铝梁的实际加固工程中，可根据需要提升的强度来选择对应的碳纤维粘接层数和厚度，避免造成材料的浪费[7-8]。