钛合金-芳纶纤维复合材料单搭接胶接接头渐进破坏分析

采用芳纶纤维复合材料与钛合金制备单搭接胶接连接实验件。利用万能实验机、DIC、应变采集系统等手段,对胶接接头的极限载荷、应变场、应变分布和破坏模式进行表征,分析了拉伸载荷下胶接接头的应变分布规律和复合材料层合板刚度折减规律,探究了异质材料单搭接胶接接头的破坏过程。结果表明,胶接接头破坏模式为搭接接头两端胶层界面破坏,中间部位复合材料层间破坏。接头破坏过程为渐进破坏,受载时复合材料端头产生较大的剪切应变,裂纹在此处萌生,并不断向钛合金端头扩展,扩展部位复合材料层合板刚度不断折减,直到搭接面积过小胶层突然发生界面破坏。

混合垫片对称性对复合材料单搭接接头力学性能的影响

以复合材料单搭接接头为研究对象,通过有限元分析与实验对比,研究混合垫片对称性对复合材料单搭接接头拉伸刚度与峰值载荷的影响;通过视频引伸计观测接头在动载荷下的位移值,研究混合垫片对称性对接头疲劳寿命及孔变形量的影响。研究表明:混合垫片对称性对接头拉伸极限载荷及拉伸刚度影响极小;但使用非对称垫片填隙结构复合材料表面,特别是在液体垫片较厚的一侧,易出现应变集中区。承受动载荷后,接头的孔变形存在非对称现象,且采用非对称混合垫片进行填隙时,结构孔变形的非对称性更强。

搭接长度对复合材料单搭接胶接接头的影响

针对复合材料单搭接接头的拉伸性能进行有限元建模，分析搭接长度对单搭接接头的应力分布和破坏模式的影响。结果表明：当搭接长度在5～45mm变化时，最小剪切应力逐渐减小，当搭接长度大于20mm时，搭接长度对应力分布的影响减少；破坏载荷逐渐增大，当搭接长度大于20mm时，搭接长度对破坏载荷的影响减少；单搭接接头的破坏模式为胶层一复合材料界面的边缘发生部分损伤，导致胶层损伤，搭接长度的变化影响单搭接接头的损伤严重程度。

两种厚度的层合板单搭接胶接接头的静力与疲劳性能研究

针对两种厚度的复合材料单搭接胶接接头开展了静力与疲劳试验研究和静力数值分析。用虚拟裂纹闭合技术模拟搭接胶接界面,研究单搭接试件在轴向拉伸载荷作用下的裂纹起始和扩展原理。结果显示:损伤起始时刻,G_(Ⅲ)远远小于G_(Ⅰ),G_(Ⅱ);G_(Ⅰ)随着裂纹长度的增加而减小,G_(Ⅱ)随裂纹长度的增加而增大;界面损伤起始主要受面外剥离力的影响,裂纹扩展主要受滑移剪切力的作用。设计两种厚度的复合材料单搭接胶接接头的疲劳试验,得到了不同疲劳载荷下试件的疲劳寿命,并给出相应裂尖G_(Ⅰ)/G_(Ⅰ)C,G_(Ⅱ)/G_(Ⅱ)C的值;绘制N-G_(Ⅰ)/G_(Ⅰ)C,G_(Ⅱ)/G_(Ⅱ)C曲线发现,寿命随G_(Ⅰ)/G_(Ⅰ)C增加的递减幅度远远大于随G_(Ⅱ)/G_(Ⅱ)C变化的幅度;对比试件胶接界面破坏形式发现,与粘接层较薄试验件相比,粘接层较厚的试验件界面破坏形式较平滑,且胶层破坏面积所占比例较高;随着疲劳载荷值的增加,搭接区域胶层破坏面积所占比例减小,被粘接的复合材料纤维层撕裂面积增加。

复合材料单搭接胶接头破坏声发射监测

采用声发射技术对单向拉伸载荷作用下复合材料单搭接胶接头的剪切破坏试验进行实时监测的方法，研究搭接长度对单搭接胶接头损伤破坏的影响规律及其相应的声发射响应特征。结果表明，随搭接长度的增加，引起单搭接胶接头的受力不均匀性增加，损伤易发生在胶层边缘应力集中区域，胶接头承载能力不断上升的同时，平均剪切应力逐渐降低；胶层边缘应力集中更明显，从而出现较多的声发射信号，且幅度在60～80dB的声发射信号明显增多，声发射撞击累积数有上升趋势。声发射相对能量、幅度分布等声发射信号与胶层的损伤破坏过程相对应。

搭接长度对钛合金-芳纶纤维复合材料单搭接接头胶接性能的影响

采用钛合金与芳纶纤维复合材料制备不同搭接长度的单搭接接头。利用数字图像相关技术(DIC)、万能试验机等表征方法,对接头拉伸应变与极限载荷进行表征,研究了搭接长度对异质材料单搭接接头胶接性能与破坏模式的变化规律。结果表明,随着搭接长度的增加,单搭接接头极限载荷提升,胶接强度降低,高搭接长度接头出现渐进损伤;偏心弯矩引起的接头偏移减少,搭接部位纵向应变区域面积占比降低;芳纶纤维复合材料层间破坏模式增多,钛合金‑胶层界面破坏模式减少,剥离复合材料层数增加。

CFRP层合板单搭胶接接头胶板界面剥离强度仿真分析

基于异材界面奇异应力场理论,以CFRP层合板单搭胶接结构为对象,通过有限元和实验的方法分析了结构承载时板胶结合界面上出现的应力分布,锁定界面剥离强度关键区域,通过网格无关的有限元应力比值法提升仿真求解精度,最大限度还原板胶界面应力分布,着重探讨了多层各向异性CFRP板与传统均质材料在仿真过程和结果的差异,及搭接长度、胶层厚度、结构胶参数等对板胶界面应力分布及起裂点位置的影响,为板胶界面剥离应力的优化、胶接工艺的改进和单搭胶接接头强度的提升提供理论支撑。结果表明:各层参数不同的CFRP板胶界面承载时,剥离应力的最大处需由三个维度共同约束,其中两个维度的约束结果与均质材料相同,极值位于板胶界面垂直于拉伸方向的边缘,实际结构中失效的起始亦常见于此处,第三维度受层合板多层异性影响,该边缘上应力最大的点既不位于该边缘的中点也不位于界面角部,具体位置由材料参数和胶接结构共同影响。

航天器复合材料桁架连接增强方法与验证

大型航天器主承载复合材料桁架局部承受过大的轴向拉伸载荷时,存在接头与杆件拉脱破坏的风险。基于胶接桁架碳纤维分层破坏机理,提出了外套管增强胶接、锥面配合增强胶接和组合增强胶接3种连接增强方案,通过优化传力路径达到降低层间应力的目的。针对3种连接增强方案,投产了相应的试件开展性能测试。经试验验证,胶接增强设计方法能够有效提高承载能力33%~66%,极限拉脱力达到200 kN,可为大型航天器主承载桁架研制提供参考。

碳纤维复合材料胶接单搭接接头的力学研究

随着复合材料在航天技术和汽车工程的广泛应用,复合材料胶接工艺在实际工程应用中获得了举足轻重的地位,胶接工艺技术得到更加快速的发展。本文对碳纤维复合材料单搭接接头建立力学模型,加载横梁弯曲理论估算的载荷,分析胶接接头的剪应力和正应力分布情况,验证了材料屈服强度估算接头能承受的最大拉伸力的合理性。

碳/玻璃纤维混编复合材料和钢板的单搭接接头的力学性能分析与预测

对碳/玻璃纤维混编纤维增强复合材料(FRP)和金属的粘接接头、铆接接头及粘铆混合连接接头的力学性能进行了系统的仿真和试验研究。分别使用内聚区损伤模型、金属失效准则和Hashin失效准则有效地模拟试验中胶层的脱粘失效、铆钉的断裂和FRP板的损伤。结合3种失效准则建立粘铆混合连接的有限元模型,并对其混合连接接头的拉伸力学性能进行预测。结果表明有限元模型准确地预测了混合连接试验的最大载荷、失效位移、失效形式和复杂失效过程的各个阶段。混编FRP在有胶层的接头的失效模式上表现出了特殊性,作为编织纱的玻璃纤维被撕脱。此外,基于以上模型研究了胶层厚度对混合连接接头力学性能的影响规律。随着胶层厚度增加,接头的最大载荷先增大后减小,FRP板铆钉孔周围的失效范围逐渐增大。

复合材料胶接搭接接头应力分析方法研究

胶接是复合材料结构主要连接方法之一,对胶接接头进行应力分析是保证复合材料安全性、耐久性的关键。在初步设计阶段,一般采用解析方法对胶接接头进行应力分析及参数研究。针对复合材料双搭接和单搭接胶接接头,在Tsai等人的理论分析方法(TOM方法)基础上,提出了一种改进的搭接接头剪应力分析方法,该方法考虑了被胶接件的剪切变形,认为被胶接件只有在靠近胶层的半个厚度上产生剪切变形,剪应力沿该半厚度呈线性分布。算例分析结果表明:本文方法比现有的分析方法更接近于有限元模拟结果,可用于估算复合材料胶接接头剪应力分布。

多款胶黏剂对碳纤维复合材料单搭接胶接性能研究

为了研究不同体系胶黏剂对碳纤维复合材料基材的粘接性能,采用环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨酯三种体系构成的7款不同的胶黏剂对碳纤维复合材料-碳纤维复合材料(CF-CF)进行胶接,并分别将其放置于室温和极限温度(80℃、-65℃)下进行拉伸剪切强度测试,以探究每种胶黏剂的力学性能和破坏模式,并将环氧胶黏剂在室温下对不同纤维类型的复合材料(T700-12K碳纤维复合材料、T300-3K碳纤维复合材料和玻纤复合材料)进行胶接性能测试,探讨碳纤维和玻璃纤维复合材料的粘接机理,进而选出性能最优的胶黏剂,为航空航天与汽车等领域中碳纤维基材之间胶黏剂的选择提供借鉴。

聚四氟乙烯网格状人工缺陷对复合材料胶结结构力学性能的影响

通过在胶接接头界面处插入网格状的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜作为人工缺陷,设计了5种不同PTFE缺陷网格含量(P)的复合材料胶接结构,采用工业CT和超声C扫的无损检测(NDT)手段对置入的PTFE网格进行检测,利用单搭接测试(SLJ)和Ⅰ型断裂韧性测试(DCB)进行力学性能表征。相比于超声C扫,工业CT可以清晰检测出置入的PTFE网格。SLJ结果表明,当P值低于10%时,胶接接头的剪切强度从13.85 MPa增加到15.15 MPa;当P值超过10%时,剪切强度随缺陷值增加而下降。SLJ胶接接头破坏形貌表明,随缺陷值的增加,失效模式从内聚失效转向混合失效,最后变成界面失效。DCB结果表明,G_(IC)随缺陷值增加呈现先升后降趋势,裂纹扩展状态从近稳定连续转向“粘-滑”的不稳定扩展。

单搭接接头在深海环境下的试验与仿真研究

采用试验研究方法对耐压前后的16Mn单搭接接头剪切性能进行对比。采用有限元方法对不同胶层厚度的试件进行建模,得到剪切拉伸载荷下单搭接接头的应力分布及变化规律。结果表明,经过耐压试验后试件的力学性能有所上升,其中,试件剪切应力上升了11.7%,断裂能上升了36.9%。同时有限元结果表明,较薄的胶层具有更优越的力学性能。通过以上研究,对16Mn高强钢与改良型双组分环氧树脂胶的粘接工艺提出改进建议。

复合材料单搭接头的剪切强度对比实验研究

在常温和湿热高温的环境下,分别进行了三种不同的成型工艺(RTM、引入缝纫的RTM和胶接)制备的单搭接头的剪切强度实验,研究了成型工艺对单搭接头的剪切强度的影响,并根据实验现象分析了单搭接头的剪切破坏机理。实验结果表明:引入缝纫的RTM成型试样的剪切强度性能最高,而胶接成型试样的剪切强度最低;环境温度对RTM和引入缝纫RTM成型试样的剪切强度影响不大,而对胶接成型试样的剪切强度有较大影响。

预紧力对复合材料胶螺混合连接结构拉伸性能研究

本文在试验验证仿真模型可行性的基础上,通过数值模拟方法分析了CFRP/钛合金螺栓连接和胶螺混合连接结构中单钉单搭模式下预紧力对接头承载能力的影响。结果表明:对于CFRP/钛合金螺栓连接结构,预紧力的施加能够有效提升接头的失效载荷,施加2 N·m拧紧力矩和施加3.5 N·m拧紧力矩比施加0.5 N·m拧紧力矩的接头失效载荷分别提高了11.4%和13.19%;对于CFRP/钛合金胶螺混合连接结构,预紧力对失效载荷的提升较螺栓连接有所减弱,但胶层的刚度下降率(SDEG)仿真结果表明,预紧力可以有效降低胶层剥离应力的扩散,减缓胶层的失效。

复合材料单搭胶接接头静力与疲劳裂纹扩展研究

胶层裂纹是复合材料胶接接头的常见损伤形式之一,严重影响复合材料结构的完整性。以胶接结构中常见的复合材料单搭胶接接头为研究对象,建立其三维数值模型,采用双线性内聚力本构关系表征静态裂纹扩展,并将静态模型扩展至疲劳裂纹扩展模型;结合静力与疲劳试验,对单搭胶接接头的应力应变分布规律、裂纹扩展与破坏机理展开研究。结果表明:单搭胶接接头在静力和疲劳载荷下,由于偏心拉伸应变呈非线性变化,搭接区域两端由于应力集中首先出现裂纹,由两端向中央区域扩展并迅速贯穿整个搭接区域,静力失效模式为内聚破坏,疲劳断面为界面脱胶。

CFRP复合材料层合板胶接结构铺层方式优化

通过多岛遗传算法对CFRP复合材料层合板强度和胶接接头强度进行双层迭代优化,并研究遗传算法控制参数对优化效率和优化稳定性的影响,提出兼顾CFRP复合材料层合板强度及胶接结构强度的最优铺层方式。结果表明:CFRP复合材料层合板胶接结构的剥离极限失效载荷与拉伸极限失效载荷成正比;优化设计方法可在保证层合板自身强度的前提下,提高胶接接头连接强度约14%;在铺层角度和铺层顺序被约束的情况下,CFRP复合材料铺层纤维方向为0°的铺层越靠近胶层,连接接头极限失效载荷越大;对于较快收敛的遗传算法优化问题,应采用较少的岛数、较小的交叉率和较小的变异率以保证其优化求解的稳定性。

预紧力对复合材料单搭接接头疲劳性能的影响

为研究螺栓预紧力对复合材料单搭接接头疲劳性能的影响,依据ASTM标准设计试样,进行疲劳试验与仿真分析;采用引伸计测量复合材料板孔径伸长量,研究不同预紧力对接头失效形式、疲劳寿命和孔径伸长量等的影响;建立有限元模型,分析疲劳载荷下孔周的渐进损伤。结果表明:预紧力大小不改变接头失效形式;随着预紧力增大,接头疲劳寿命逐渐增大;复合材料板孔径伸长量随循环次数的变化曲线可以分为疲劳初始阶段、孔径缓慢增长阶段和孔径加速增长阶段;仿真结果与试验吻合良好,可以分析出孔周损伤情况;增大预紧力,可以缩短疲劳初始阶段的循环次数,增大孔径缓慢增长阶段的循环次数。

铺层方式对CFRP-铝合金单搭接胶接接头低速冲击损伤及剩余拉伸性能的影响

采用热压罐成型方法制备铺层方式为[+45/-45]_(4s)、[0/+45/-45/90]2s和[0/90]_(4s)的碳纤维复合材料层合板,通过胶黏剂与铝合金板进行粘接获得异质材料单搭接胶接接头。利用落锤冲击试验机和万能电子试验机分别对三种接头进行低速冲击与冲击后静态拉伸测试,获得接头接触力-时间曲线和拉伸强度。通过CT扫描技术和数字图像相关(DIC)方法表征接头冲击损伤模式及表面应变演化过程,研究了铺层方式对接头抗冲击性能、冲击损伤模式以及剩余拉伸性能的影响。结果表明,复合材料铺层方式为[+45/-45]_(4s)时,接头在冲击载荷作用下具有较高的抗冲击性能,但胶层界面脱粘损伤较为严重。与胶层界面脱粘相比,接头剩余强度对层合板分层损伤更为敏感。相较于[+45/-45]_(4s),[0/+45/-45/90]2s和[0/90]_(4s)铺层方式接头的胶层界面脱粘范围与冲击后失效载荷退化程度较小,同时接头冲击后拉伸载荷主要集中于临近胶层的0°铺层且失效模式较为复杂。此外,在冲击载荷作用下,层合板中的±45°铺层变形程度较小具有较强的抗剪切能力,能够有效减轻层合板的冲击损伤,提高接头的抗冲击性能;0°铺层变形程度较大且具有较高的抗拉强度,能够一定程度上减轻胶层与铝合金表面脱粘损伤并提高接头拉伸强度。