碳纤维增强复合材料含缺陷胶接接头的强度与失效分析

发布时间：2020-06-02 16:29

【摘要】：碳纤维增强复合材料因其较高的比强度和比模量、优异的抗疲劳性能和耐腐蚀性能等优点,广泛应用于航空航天、能源工程等领域。胶接连接具有能保持结构完整性、降低应力集中、减重等优势,已成为复合材料结构中广泛采用的连接形式。然而,复合材料胶接构件常因胶接工艺的控制不当而不可避免地在接头中形成缺陷,降低构件的正常使用寿命,对应用在重大场合的复合材料构件带来安全隐患。迄今为止,国内外学者已对含缺陷的胶接接头开展了一些研究工作,但目前仍缺乏缺陷对胶接接头力学性能影响规律与机制的系统性研究,从而导致含缺陷胶接接头准确的强度预测方法与可靠的失效准则的缺失,这也进一步限制了复合材料胶接构件的广泛使用。因此,探索典型缺陷对胶接接头强度与失效过程的影响规律与机制,对于深入研究含缺陷胶接接头的强度预测方法与失效准则和发展胶接结构的损伤容限设计技术等具有重要意义。本文以碳纤维增强环氧树脂基复合材料单搭接接头为研究对象,针对胶接接头中常见的脱粘缺陷和固化工艺缺陷,开展了如下的研究工作:(1)缺陷的制备与定量表征。1)脱粘缺陷:对实际中不规则的脱粘缺陷进行标准化,并根据其几何特征利用超薄铝箔在碳纤维复合材料胶接接头中预制不同规格的脱粘缺陷,运用超声相控阵技术对其进行检测与定量表征。2)固化工艺缺陷:考虑胶层欠固化和过固化的固化工艺缺陷,定量控制固化工艺中的固化温度和压力参数,制备含不同固化程度的碳纤维复合材料胶接接头。(2)实验研究了缺陷对胶接接头承载能力和失效模式的影响规律。开展了室温下碳纤维复合材料含缺陷胶接接头的恒定位移速率加载的拉伸试验,测试了含缺陷胶接接头的承载能力与载荷位移曲线,获得了不同脱粘缺陷参数以及不同固化程度下胶接接头承载能力与失效模式的变化规律。(3)探索了缺陷对胶接接头承载能力及失效模式的影响机制。采用二维DIC技术得到了含缺陷胶接接头的全场应变和失效过程,并探索了脱粘缺陷参数以及固化条件对胶接接头应变分布、失效模式的影响规律,研究了搭接区应变场与不同失效模式间的联系。同时采用内聚力模型进一步分析了不同脱粘缺陷情况对复合材料层合板胶接接头力学性能的影响,并与基于DIC方法的实验结果进行了比较。
【图文】：

胶接接头的失效模式逡逑接接头的几何形状、胶接界面的粘接质量和受到载荷均会影响胶接效模式。根据美国材料与试验协会标准ＡＳＴＭ－Ｄ５５７３［３４Ｉ可知，在纤料胶接接头中共有七种典型的失效模式，分别为：胶接界面失效，，薄层内聚失效，纤维撕裂失效，薄层纤维撕裂失效、层合板断裂效，如图Ｕ所示。逡逑多学者对复合材料胶接接头失效行为的影响因素进行了实验研究［３主要的影响因素有表面条件（如污染、磨损和等离子处理），肢瘤铺层角度与方式，环境因素等。在复合材料胶接接头的失效预测方研究［４（Ｍ６］，但由于不同的胶接工艺和参数将导致胶接接头有不同的效摸式，因此复合材料胶接接头的失效预测依旧很难开展［４７］。逡逑

＜ｅ）薄层纤维撕裂失效逦（ｆ）邋￡－合扳断Ｍ失效逡逑图１．１纤维增强复合材料胶接接头的失效模式［４８］逡逑１．２．３胶接接头的强度和应力分析逡逑肢接接头在不同的服役环境下承受的载荷形式是不同的，，总的来说肢接结构逡逑的承载类型包括拉伸应力、剪切应力、压缩应力、剥离应力和劈裂应力［３２］。通常逡逑情况下，胶接接头在承受某种载荷时，胶接结构中有几种应力在同时作用，但在逡逑不同载荷条件下起主导作用的应力不同。逡逑胶接接头的强度定义为，在外力作用下胶接接头发生破坏所需要的应力［４７］。逡逑需要指出的是，由于在实际的服役环境中，肢接接头的强度会受到很多因素的影逡逑响，所以胶接接头在特定服役条件下的强度不能直接与该条件下胶粘剂的强度等逡逑同。胶接接头的性能评价及性能的影响因素研究一直是该研究领域中的研究热点；逡逑进行胶接接头的强度预测时需要具备以下两个条件：其一获取胶接接头的应力分逡逑４逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】

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1 刘璐;关志东;徐荣章;冯敏

本文编号：2693448