本篇文章已开启快捷转载，其他微信公众号可自由转载！
碳纤维增强聚合物（CFRP）因其轻质高强、耐腐蚀等优点，在结构工程领域应用日益广泛。CFRP带材作为一种新型结构元件，以其易于锚固、抗疲劳性能好等特点，在桥梁悬挂索等结构中展现出巨大潜力。目前，夹具式CFRP带材的拉伸性能研究主要集中在失效预测方法、有限元模型和实验研究三个方面。研究者们提出了多种失效预测方法，建立了多种有限元模型，并通过拉伸试验和应变测量技术研究了其失效模式、应变分布和力学性能。然而，现有的研究还存在一些不足，例如缺乏对损伤演化的深入研究、分布式光纤传感技术的应用研究以及有限元模型的精度和适用性有待进一步提高。
近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了一篇由英国爱丁堡大学、谢菲尔德大学和瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）的研究团队完成的有关碳纤维增强聚合物带材拉伸性能的研究成果。该研究通过实验和数值分析研究了碳纤维增强聚合物（CFRP）带材在轴销拉伸载荷作用下的性能，旨在理解其损伤启动、传播和失效过程，并通过分布式光纤传感技术实现了对曲率区域应变分布的连续监测，为CFRP带材的工程应用提供了重要的理论和实验依据。论文标题为“Experimental and numerical investigations on the tensile response of pin-loaded carbon fibre reinforced polymer straps”。
实验方面，对标准CFRP试样和CFRP带材进行拉伸试验，获取其力学性能参数；利用数字图像相关（DIC）技术和光纤布拉格光栅（FBG）传感器监测带材的应变分布；利用DFOS技术实现对曲率区域应变分布的连续监测。
数值计算方面，在Abaqus有限元软件中建立CFRP带材的有限元模型（包括1/8模型和1/2模型），模拟带材在拉伸载荷下的应力分布和应变分布；利用最大应力准则和Puck纤维失效准则预测带材的失效载荷，利用基于内聚力模型的粘接面模拟层间分层；并将有限元模型的预测结果与实验数据进行对比分析。
图1 带材和销轴示意图
图2 带材铺层及光纤和FBG应变的位置示意图
研究发现，有限元模型能够有效捕捉带材在顶点区域和中间区域的局部应变分布，并与实验测量结果吻合良好。
分布式光纤传感器 (DFOS) 技术能够实现对曲率区域应变分布的连续监测，为带材力学性能分析提供了新的手段。最大应力准则和Puck纤维失效准则能够合理预测带材的首次失效载荷，与实验结果的差异小于 2.5%。1/2 有限元模型能够准确预测带材的分层失效起始位置，与实验结果的差异最大为 9.2%。1/8 有限元模型能够合理预测带材的拉伸响应，但忽略了层间相互作用和损伤演化过程。DFOS 技术在曲率区域的应变测量结果可能受到横向压力的影响，需要进一步研究。
研究探讨了CFRP带材在拉伸载荷下的力学行为和失效机理，为该类材料的工程应用提供了坚实的理论和实验基础。分布式光纤传感器 (DFOS) 技术的应用，实现了对带材曲率区域应变分布的连续监测，显著提升了应变测量的精度和效率。此外，研究提出的失效预测方法，为夹具式CFRP带材的结构设计和安全性评估提供了重要的参考依据，有助于推动该类材料在桥梁、建筑等领域的广泛应用。
图3 带材/销轴装配的1/8 有限元模型
图4 应力分量
图5 1/2 FE模型
图6 应力计分层损伤情况
该研究通过实验和数值分析，深入探究了夹具式CFRP带材在拉伸载荷下的损伤起始、扩展和失效机理。研究结果表明，夹具式CFRP带材具有优异的拉伸性能，但其失效模式也相对复杂。分布式光纤传感技术和有限元模型在该研究中的应用，为夹具式CFRP带材的结构设计和性能预测提供了重要的工具。
投稿邮箱：mech_of_comps@yeah.net
投稿模板：公众号后台回复“前沿追踪模板”获取
微 信：mech_of_comps
QQ 群：640676531，540731372
