复合材料预紧力齿连接的关键力学问题与传力机理研究

It has been proved that the preload tooth connection can achieve efficent connection of composite. However, the lack of effective constitutive relationship and creep model for composite interlamination under compression and shear together is not clear and confines the development of the connection. so the research content as follows: (1) The constitutive relationship under interlaminar shear-compression of composite is researched. The interlaminar constitutive model and strength criteria under the combination of single direction and compression-shear is built. (2)The creep constitutive model of composite under complicated stresses is researched. The creep experiment of single direction of shear and compression-shear is investigated. According to the macroscopical and microcosmic model and experimental data, the model of creep under complicated stress is built. (3) Under the short time load, the transfer mechanism of connection is researched. Based on the constitutive relationship, the interlaminar distribution of load, the assignment rule of load and the failure model of the connection is researched, the bearing capacity model is built and the transfer mechanism is explained. (4) Under the long time load, the transfer mechanism of connection is researched. The loss of preload and the distributive rule of stress are studied. Considering the creep of composite, the bearing capacity model is built and the transfer mechanism is explained.

实践证明，预紧力齿连接技术能实现复合材料的高效连接，但复合材料层间在压-剪复合作用下的本构与蠕变模型缺乏，制约了其应用。为此，开展如下研究： (1)复合材料层间压剪作用下本构研究。建立单向剪切、压-剪复合作用下复合材料层间的本构关系与破坏准则。(2)复杂应力下材料蠕变模型研究。进行单向剪切、压缩以及压-剪复合作用下的多因素蠕变实验；依据材料细-宏观解释模型以及实验数据，建立复杂应力状态下的蠕变预测模型。 (3)短期荷载下的连接技术传力机理研究。以材料本构为基础，研究力在层间与界面上的分配比例、在多齿上的分布规律以及接头破坏形式等，建立承载力计算模型，解释接头传力机理。 (4)长期荷载下的连接技术传力机理研究。研究蠕变导致的预紧力损失、多齿内力重分布规律，建立考虑蠕变的承载力计算模型，解释长期荷载作用下的传力机理

实践证明，预紧力齿连接技术能实现复合材料的高效连接，但接头破坏模式、传力机理和设计方法等不清晰或缺乏，制约了其应用。为此，本项目开展上述研究并得到以下结论：1）通过实验验证了正应力对复合材料层间剪切强度有增强作用，基于试验数据，证明了Hoffman准则、Tsai-wu张量准则可以作为拉挤型复合材料层间在压剪复杂应力作用下的强度破坏准则。（2）利用树脂基复合材料的时间-温度等效原理，通过加速试验得到了试验材料在高中低三种应力水平常温条件下的蠕变柔度曲线。基于Findley蠕变函数建立了试验材料在高中低三种应力水平常温条件下的横纤维方向的蠕变预测模型。并提出了基于寿命的预紧力控制标准和蠕变柔度函数的选择方法。（3）通过实验发现了复合材料预紧力单齿接头在短期荷载下的层间剪切、局部压溃等破坏模式，搞清了荷载在接头上的传递过程，并提出了基于特征曲线法的复合材料预紧力单齿承载力和破坏模式的预测方法，提出了复合材料预紧力多齿荷载分配比例的理论计算模型，最后得到了接头在短期荷载下的设计方法。（4）通过多尺度有限元的数值模拟，发现承受纵向拉压力与横向力或偏心拉压力复合作用的预紧力齿连接接头，在齿根处正应力与剪应力分布、外荷载在多齿上的分配比例等均不同于只承受纵向拉压力的预紧力齿连接接头，并提出了利用多尺度有限元进行复杂荷载作用下接头辅助设计的基本方法。（5）利用相应性原理，推导了平板齿接头和圆管齿接头两种结构形式的预紧力衰减公式，得到了构件预紧力衰减规律，之后分析了复合材料蠕变对预紧力多齿接头荷载分配的影响。在静载作用下复合材料预紧力齿接头承载力预测的特征曲线法基础上提出了考虑蠕变的预紧力齿接头长期承载力计算方法。这些成果都应用到高承载力复合材料轻量化应急桥中，产生了较大的社会价值和经济价值。