冲击载荷下碳纤维复合材料胶接接头力学性能研究

发布时间：2020-07-17 11:15

【摘要】：随着汽车产销量的增加,能源安全成为汽车产业面临的重要问题,节能减排已成为全球汽车工业发展的重要研究方向,而汽车材料轻量化是汽车节能减排的重要途径。碳纤维复合材料具有较高的刚度、比强度和优异的抗疲劳性等优点,在汽车领域得到广泛的应用。在工程实际中,复合材料结构需离型制造,再进行装配,所以复合材料间的连接性能至关重要。传统的机械连接需经过切割钻孔等工艺,会损伤和弱化复合材料的性能,因此复合材料更适于采用胶接连接。以此为背景,本文针对HTS40/977-2碳纤维层合板单搭接胶接接头的冲击力学性能展开研究。首先,在实验基础上,对碳纤维复合材料层合板进行数值模拟,在有限元软件ABAQUS中建立碳纤维复合材料低速冲击模型。分别用内聚力单元、黏性接触和Tie接触模拟碳纤维复合材料层合板层间关系。对比分析数值模拟结果与实验结果,得到内聚力单元模拟层间关系的建模方式与实验结果最匹配,验证了材料参数和所建立有限元模型的合理性。其次,在确定材料参数和建模方式的基础上,数值模拟碳纤维复合材料胶接接头低速冲击过程。考虑胶层属性对接头冲击性能的影响,分别用三种不同韧性的胶层连接接头,得出随着胶的韧度的增加,胶接连接的损伤程度逐渐减小。考虑到实际工程应用中,冲头形状的不确定性,研究冲头形状对接头冲击性能的影响,分别用半球形、尖头形、圆锥形冲头冲击接头,对比得出圆锥形冲头冲击接头时,层合板吸收能量最多。最后,对异种材料胶接连接进行研究,数值模拟碳纤维层合板和铁、铝的胶接接头低速冲击响应,对每个异种材料接头进行两种工况下的冲击,分别用碳纤维层合板和金属材料正对冲头冲击。对接头的失效模式和能量吸收进行对比分析。同时,对比了三种材料的轻量化成本。结果表明碳纤维复合材料/金属胶接接头承受冲击载荷时,当碳纤维正对冲击时,当冲头能量达到某一阀值时,冲头能量增加,最大接触力无明显变化;金属正对冲头时,胶层失效程度要高,相应的,接头吸收的能量也增加。本文所做的研究可为复合材料胶接设计与分析提供参考。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：

手机,胶接接头

（1）对环境使用要求高（2）胶层易老化，稳定性差（3）工序复杂，不适用连接大型结构件（1）拆卸不方便（2）存在应力集中（3）密封性差（1）存抗振动（2）焊能改变形校正（3）不应用中，胶接接头经常会承受冲击载荷。比如：汽车由于车结构中包括胶接接头；手机很多接头很多是胶接接头，到冲击载荷的影响而发生塑性变形（如图 1.1）。故对胶接有着实际的工程意义。随着胶接技术的不断使用，对胶接到学者的重视，但在目前的研究大部分覆盖在对复合材料弯曲上，对动力学方面的研究相对较少，而在胶接技术的虑胶接接头的静态强度外，其抗冲击性能的研究也尤为重接接头的抗冲击强度，本文采用有限元方法分析胶接接头应力和能量吸收，本文研究可为复合材料胶接连接提供依

模型图,损伤演化,双线性,模型

冲击载荷下碳纤维复合材料胶接头力学性能研究伸损伤采用双线性损伤演化模型，如图 2.1方向的线弹性行为。当轴向应力达到轴向拉。图 2.1 中011 表示开始发生损伤时的应变，坐标形成的三角形的面积ftG 表示纤维的拉三种损伤模式的演化规律和上述规律相似[62

示意图,内聚力,单元,示意图

图 2.2 内聚力单元示意图图 2.3 内聚力单元的双线性本构模型曲线损伤分为两个阶段：损伤起始和损伤扩展。本文的起始，平方应力准则见式(2.12)，当相应的界面到 1 时，则损伤起始。采用考虑了不同裂纹模式损伤扩展，B-K 准则见式(2.14)。2 2 20 0 0=1ns tn s t 三个方向上的临界界面强度分别由式中0n 、0s 和

【参考文献】