在机械结构运行过程中,经常会发生裂纹,从而降低结构的使用寿命和安全性能。传统的裂纹修复方法有钻止裂孔、外贴钢板、补焊等,这些方法都具有一定场合的应用价值。但对于薄壁结构,如垃圾车箱体、洗扫车箱体等,传统裂纹修复方法存在不少局限性。而碳纤维增强复合材料(CFRP)具有比刚度和比强度高、可设计性好、防腐蚀等优点,CFRP加固钢结构采用粘接方式连接,不会产生次生应力和缺陷,在裂纹结构修复中具有广泛应用前景。CFRP修复裂纹钢板通过胶层粘接将钢板的部分载荷传递给CFRP,使钢板、胶层和CFRP作为整体承受载荷。它的破坏形式非常复杂,包括钢板裂纹扩展、碳纤维补片失效、胶层剥离等,其中胶层剥离和钢板裂纹扩展是主要破坏形式。如果胶层剥离,就会造成CFRP无法承担载荷,从而加剧修复结构失效;钢板裂纹扩展进一步减小有效承载截面,从而加剧缩短结构使用寿命。因此论文在国家863计划项目《工程机械共性部件再制造关键技术及示范》(2013AA040203)资助下,针对CFRP修复裂纹钢板结构的两种主要破坏形式,以粘接胶层和裂纹钢板为研究对象,采用理论推导、数值分析和实验研究相结合的方法,对胶层剥离机理和CFRP修复裂纹钢板的疲劳性能进行研究。论文主要研究工作和创新性成果如下:(1)根据线弹性力学理论,建立CFRP粘贴加固钢板的理论应力公式。将CFRP粘贴加固钢板简化为二维平面模型,详细推导CFRP粘贴加固钢板的胶层剪应力、胶层正应力和CFRP纵向应力的理论公式,进而得到胶层最大剪应力和最大正应力的计算公式及其发生位置。(2)基于粘聚力理论模拟胶层,建立CFRP粘贴加固钢板的三维有限元模型,揭示了胶层剥离机理和剥离过程,包括胶层刚度损伤规律、胶层应力规律和CFRP应变规律,胶层剥离过程可分为弹性变形、胶层软化和胶层剥离三个阶段。采用粘聚力理论模拟胶层,解决了胶层很薄计算难以收敛的难题,且可以统一描述界面损伤的萌生与扩展。(3)根据线弹性力学理论,建立CFRP阶梯粘贴端部结构的理论应力公式。将CFRP粘贴加固钢板简化为二维平面模型,在CFRP对齐粘贴钢板的理论应力公式基础上,推导出阶梯粘贴各阶梯端部胶层的剪应力和正应力理论公式、各阶梯CFRP纵向应力的理论公式,对比了阶梯粘贴与对齐粘贴端部粘结性能,并分析了加固参数对各阶梯胶层的最大剪应力和最大正应力的影响。(4)根据著名Paris公式,提出了基于有限元模型的CFRP加固裂纹钢板疲劳寿命预测方法。基于粘聚力理论模拟胶层,建立CFRP加固裂纹钢板的线性有限元模型和非线性有限元模型,线性有限元模型将钢板当作线性材料,用于计算钢板裂纹应力强度因子,非线性有限元模型将钢板当作非线性材料,用于分析胶层损伤机理。基于仿真结果和试验数据,采用最小二乘法拟合得到疲劳参数C和n值,并准确预测了 CFRP加固裂纹钢板的疲劳寿命,CFRP加固可以提高裂纹钢板的疲劳寿命十几倍到几十倍。(5)提出了基于敏感度方法的止裂孔与CFRP修复裂纹钢板的疲劳寿命预测模型。基于粘聚力理论模拟胶层,建立了 CFRP加固缺口钢板的非线性有限元模型,分析了 CFRP加固缺口钢板的理论应力集中系数;基于仿真结果和试验数据,计算了 CFRP加固缺口钢板的疲劳缺口系数和疲劳敏感度,并建立了 CFRP加固缺口钢板的疲劳S-N曲线,止裂孔与CFRP修复后的疲劳寿命是缺口钢板的292倍,甚至比无缺口钢板的疲劳寿命还长,远远优于CFRP修复裂纹钢板。(6)针对CFRP层合板铺层设计问题,提出了 CFRP加固中心孔钢板的多级优化方法。优化方法分两步:第一步,采用拉丁超立方方法选取试验样本点,基于样本点计算结果,利用移动最小二乘法拟合近似代理模型,在代理模型基础上采用自适应响应面优化方法优化基本铺层厚度,第二步,结合复合材料制造约束条件,利用Optistruct对铺层顺序进行优化,得到最佳铺层设计方案,优化设计后钢板中心孔处应力分布更合理,最大Mises应力减小了 47.2%。