[发明专利]一种螺栓连接FRP型材构件纤维铺层铺设方法及FRP型材构件

权利要求书

1.一种螺栓连接FRP型材构件纤维铺层铺设方法，其特征在于，纤维铺层的铺设方法为：

步骤一、根据型材构件截面参数以及连接效率，确定连接区域几何参数；

步骤二、根据确定的连接区域几何参数，建立连接区域有限元模型，以螺栓连接孔洞的挤压破坏为目标进行优化得到纤维铺层的方向以及铺层比例，其中铺层的方向包括0°、±45°和90°；

步骤三、按照步骤二确定的纤维铺层的方向以及铺层比例进行铺设；

步骤一包括：

(1)对于既定结构，依据既定结构的受力特征，对既定结构的受力性能进行分析，确定纤维布设形式及多轴向布纤维比例，其比例确定在0°≥50％，±45°≥20％，90°≤20％；

(2)对单层板进行细观力学分析，根据纤维种类、基体类型以及纤维体积含量，运用弹性力学方法理论求解单层板弹性常数E₁，E₂，E₃，G₁₂，G₂₃，G₁₃，υ₁₂，υ₂₃，υ₁₃；

单层板纵向弹性模量：E₁＝E_fV_f+E_m(1-V_f)；

单层板横向弹性模量：

单层板面内剪切模量：

单层板泊松比：v₁₂＝υ₁₃＝υ_fV_f+v_m(1-V_f)；v₂₃＝k[v_fV_f+v_m(1-V_f)]

k＝1.095+0.27(0.8-V_f)

其中，E₁为单层板纵向弹性模量；E₂，E₃为单层板横向弹性模量；G₁₂，G₂₃，G₁₃为单层板面内剪切模量；υ₁₂，υ₂₃，υ₁₃为单层板泊松比；E_f为纤维弹性模量；E_m为树脂弹性模量；V_f为纤维体积分数；G_f为纤维剪切模量；G_m为树脂剪切模量；υ_f为纤维泊松比；υ_m为树脂泊松比；η₁₂，η₂，k为系数；

(3)基于单层板弹性常数以及经典层合板理论计算确定纤维纱及多轴向布混合而成的构件等效弹性模量，计算过程描述如下：

1)依据步骤(2)计算单层板工程常数：E₁，E₂，E₃，G₁₂，G₂₃，G₁₂，υ₁₂，υ₂₃，υ₁₃；

2)计算出单层板工程常数，形成单层板柔度矩阵[S]：

3)柔度矩阵求逆形成单层板刚度矩阵[C]＝[S]^-1；

4)计算每层刚度转轴矩阵[T]：

其中，m和n分别为偏转角的正余弦；

5)形成整体刚度矩阵k为总层数；

6)对整体刚度矩阵求逆，计算整体柔度矩阵

7)反解柔度矩阵计算出构件等效模量参数；

(4)基于经典层合板理论计算的弹性工程常数，通过内调整铺层比例0°纤维，±45°以及90°纤维布比例，确定满足结构构件承载及刚度要求的最优比例；

(5)在满足结构承载力要求下确定节点区域连接参数，所述连接参数包括连接几何参数，和紧固件直径个数；

步骤二包括：

(6)利用有限元软件对节点连接区域进行建模分析，建模过程如下：

1)首先进行单层板性能参数定义，以及其破坏准则定义；

2)按照铺层设计定义构件内部铺层方向；

3)实体模型建立后，进行网格划分，螺栓连接区域应力较为复杂应进行网格细化；

4)定义边界条件，符合实际受力状态；

5)分析节点破坏模式及确定节点极限承载力；

6)在确定节点破坏形态以及承载力后，再次优化纤维纱及纤维布铺层比例及设计，使得节点获得最佳的承载力；

(7)综合考虑节点承载及结构构件性能要求，基于型材结构-构件一体化设计方法，确定纤维铺层布设及比例为60％≤0°纤维纱≤70％，10％≤±45°纤维布含量≤35％，5％≤90°纤维布≤15％。