CFL加固受弯钢板中表面裂纹应力强度因子的数值分析.pdf

华南理工大学学报(自然科学版) JoumalofSouth of C}1ina V01．40 第40卷第4期 Un主v哪ityT。chnology No．4 Science 2012年4月 (NatIlral Edition) Apdl2叭2 cFL加固受弯钢板中表面裂纹应力强度 因子的数值分析书 张术宽L2黄培彦1’3’’ 赵传宇1 (1．华南理工大学土木与交通学院，广东广州510640；2．广州市特种承压设备检测研究院，广东广州510100； 3．华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州510640) 摘要：借助ANsYS建立了碳纤维薄板(cFL)加固钢板中半椭圆型三维表面裂纹的应 力强度因子有限元计算模型，讨论了cFL厚度、裂纹形状比、裂纹面积对cFL加固受弯钢 板中三维表面裂纹应力强度因子的影响．研究结果表明：CFL加固合裂纹的钢结构能够大 幅度地降低裂纹的应力强度因子；应力强度因子的降低速率随CFL厚度的增加而减小： 裂纹面积越大的表面裂纹，在cFL加固后其应力强度因子降低的幅度越大，加固效果越 明显；对于含细长裂纹的受弯钢板，CFL正面加固的效果更为显著． 关键词：碳纤维薄板；钢结构；表面裂纹；应力强度因子；有限元 中图分类号：0346．1；Lj44l+．6 表面裂纹是石油天然气管道、桥梁、海洋平台等 面。随着计算机技术的发展和大型有限元软件的广 钢结构中常见的、危险性最大的缺陷，在环境和载荷 泛应用，普通钢结构中表面裂纹问题的应力强度因 的反复耦合作用下表面裂纹会发生扩展，并致使结 子的有限元计算方法也得到了快速的发展¨。”]．然 构失效，甚至会发生安全事故¨。1．为了消除这种安 而，对于FRP加固钢结构中半椭圆型表面裂纹的应 全隐患，必须尽快对该类含缺陷的钢结构进行加固 力强度因子的探讨还未见报道．为此，文中借助大型 修复．在各类加固技术中，纤维增强复合材料(FRP)商用软件ANsYs，探讨建立半椭圆型表面裂纹的 加固含缺陷钢结构的技术是近年发展起来的新技 应力强度因子计算模型的方法，并对碳纤维薄板 术，并得到了极大的关注H。9J．采用FRP加固含表面(CFL)Ⅲ1加固受弯钢板中的三维表面裂纹问题的 裂纹状缺陷的钢结构后，在外载作用下该类加固构 应力强度因子进行数值分析． 件的断裂机理研究对于其安全性和可靠性极其重 1 三维表面裂纹sIF的有限元计算方法 要．为了探明其断裂机理，必须计算表面裂纹问题的 应力强度因子(sIF)¨…． 三维表面裂纹问题应力强度因子有限元计算的 对于半椭圆型三维表面裂纹的应力强度因子。 核心问题是如何得到较高精度的计算结果．为此， 由于没有解析解，一方面，长期以来其计算更多的是 需要建立适当的有限元计算模型，并对裂纹前缘附 依赖于Ne砌an．Raju的半经验公式¨1‘12【；另一方 近区域的奇异单元进行正确的处理．为了达到上述 收稿日期：2011-10—22 广州市科信局资助项目(200723·D0121) edu．cn 万方数据 第4期 张术宽等：cFL加固受弯钢板中表面裂纹应力强度因子的数值分析 目的，文中应用大型商用软件ANsYs，采用以下步1．1有限元计算模型 骤和方法进行分析：(1)建立如图1所示的、计算弯 1．1．1奇异单元的生成 曲载荷作用下未加固钢板中三维表面裂纹问题 考虑到裂纹前缘