碳纤维环氧树脂铝合金叠层复合型材单层网壳结构承载性能研究

Laminate carbon fiber and aluminum alloy foil with epoxy resin, and carbon fiber-epoxy resin-aluminum composite laminates (CFEPA) can be fabricated using special technique. The density of CFEPA is one third that of aluminum, but its strength can reach as high as 500 MPa, and CFEPA is with favorable ductility. Therefore, the application of CFEPA in spatial structures is very promising. This project aims to systematically investigate the mechanical behavior of single-layer reticulated shells made of CFEPA. Short column tests and tensile tests on CFEPA material, experiments on CFEPA members, connections, joints and a whole structure will be carried out. Based on the experimental and numerical results, the stress-strain relationship of CFEPA material, formulae of bearing capacity of CFEPA connections, members, and joints, as well as the stiffness model of CFEPA connections and joints will be proposed. Then, the mechanical model of members in CFEPA shells considering the joint stiffness will be derived. Finally, the formulae of buckling load of CFEPA shells and their design method will be proposed. The anticipated results can establish the design system of CFEPA structures, and promote the application of CFEPA in large-span spatial structures.

将碳纤维和铝箔分层叠置并采用环氧树脂胶合，通过特殊工艺可得到碳纤维环氧树脂铝合金叠层复合型材，其密度为铝的1/3，强度高达500MPa，具有良好的延性，在大跨空间结构中具有广阔应用前景。本课题拟对碳纤维环氧树脂铝合金叠层复合材料单层网壳结构的承载性能展开系统研究。拟完成复合型材拉伸试验、短柱试验、复合型材构件承载性能试验、复合型材基本连接承载性能试验、复合型材网壳节点承载性能试验和复合型材单层网壳结构承载性能试验；在试验和大规模数值分析基础上，得出复合型材的本构关系、复合型材基本连接的承载力和刚度计算公式、复合型材构件的承载力计算公式、复合型材网壳节点的承载力和刚度计算公式；进而提出考虑节点刚度的杆件单元力学模型，最终提出复合型材单层网壳稳定承载力的计算公式和设计方法。研究成果有望建立复合型材单层网壳的完善设计体系，有助于推广叠层复合型材在大跨空间结构中的应用。

建筑结构正向着更大更高的方向快速发展，这对工程材料、结构和技术提出了更高的要求。相较于其他的结构类型，大跨度空间结构受自重的影响更为显著，因此迫切需要研发更为轻质高强的结构构件。建筑结构在除了承受自重等静力荷载的作用，还有可能遭遇低速冲击荷载的作用，因此需要针对构件的低速冲击性能展开研究。采用高成本、轻质高强的CFRP和低成本、高延展性铝合金圆管进行复合可以发挥各自的优点，使得复合构件比单一铝合金构件具有更高的强度和更好的耗能性能。本项目以碳纤维环氧树脂铝合金叠层复合构件为研究对象，对其轴心受压性能、轴向低速冲击性能和侧向低速冲击性能进行了研究。.本项目建立了适用于碳纤维铝合金复合构件的复合材料渐进损伤模型。.本项目开展了轴心受压试验。结果表明对于长细比较小的复合管试件，典型的破坏模式为强度破坏，承载力提升效果明显；对于长细比较大的复合管试件，典型的破坏模式为整体失稳，承载力提升效果不显著。并得到了复合管在轴心受压荷载下的失效机理与响应规律。建立了强度破坏承载力计算公式和整体稳定承载力计算公式。.本项目开展了复合短管的轴向低速冲击试验。并得到了复合短管在轴向低速冲击荷载下的失效模式与规律。建立了复合短管在轴向低速冲击作用下的最大冲击荷载计算公式与平均冲击荷载计算公式。.本项目开展了复合长管的侧向低速冲击试验。详细阐述了复合管在侧向低速冲击作用下的“三塑性铰”变形机制以及四种失效模式。试验结果表明CFRP对铝合金圆管在侧向低速冲击作用下的承载能力和抵抗侧向变形的能力有显著提升作用。并得到了复合长管在侧向低速冲击荷载下的失效模式与规律。建立了复合长管在侧向低速冲击荷载下的变形计算公式。