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
发布时间：2021-07-20 18:23
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。
【文章来源】：重庆大学学报. 2020,43(02)北大核心CSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
混合编织纤维
有限元模拟过程中,胶层与连接件之间的内聚单元失效从而导致结构失效,钢板发生轻微塑性变形,如图3(e)所示。在胶层和连接件的连接界面中,同时存在法向的剥离应力和切向的剪切应力。因此内聚单元的失效是剥离和剪切混合的失效模式。试验和仿真失效形式一致。试验和有限元模拟的力位移曲线对比如图4所示,A1～A5分别为5条试验曲线。试验的力位移曲线存在一定的分散性,主要是由胶层厚度和搭接面积的误差造成的。粘接接头的承载能力随着搭接面积增大而增大,随着胶层厚度减小而增大[32]。A1、A2、A4、A5面积误差差别不大的情况下,A1、A5胶层厚度较薄,导致极限载荷偏高。A3搭接面积偏大,但是胶层厚度也偏厚,两个因素的影响相互抵消,导致极限载荷没有太大的不同。虽然试验曲线具有一定的分散性,但基本能够代表粘接的失效特性。试验极限载荷平均值为2 669 N,计算结果极限载荷为2 716 N,误差为1.7%,极限载荷吻合度较高,且试验和计算载荷的变化趋势一致。粘接结构的仿真和试验在失效形式和极限载荷方面均吻合较好,此有限元模型可以用于预测粘接结构的力学性能。3.2 铆接模型验证
复合材料为二维三轴纤维增强树脂基复合材料,增强体由碳纤维和玻璃纤维混合编织而成,编织示意图如图1所示。轴向纱为碳纤维,体积分数为29.7%;编织纱为玻璃纤维,编织角度为±α,±α方向玻璃纤维体积分数分别为4.65%,基体体积分数为61%。复合材料的弹性参数和强度参数会受到编织角α的影响[26-27],本研究中的编织角α为±45°。在复合材料和钢板的单搭接结构中,粘接剂的材料为BETAFORCE 9050S、铆钉材料为铝合金(Al Mg 3.5)。使用的试验件由北汽集团新技术研究院提供。粘接、铆接和混合连接结构的示意图和几何尺寸如图2所示,搭接面积和胶层厚度的误差如表1所示。表1 试件搭接区域面积和胶层厚度误差Table 1 The relative error of overlap area and adhesive thickness of samples % 序号 粘接接头 铆接接头 混合接头 搭接面积 胶层厚度 搭接面积 胶层厚度 搭接面积 胶层厚度 1 -0.13 -2.68 -0.22 3.46 -14.77 2 -1.75 4.62 0.40 -2.43 0.69 3 5.39 9.49 0.54 2.39 4.17 4 -1.75 3.41 -0.08 3.53 9.95 5 -1.75 -14.84 -0.64 -6.96 9.95
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纤维/玻璃纤维混编编织复合材料顶盖中横梁三点弯强度分析[J]. 杨济世,栗娜,孙东阳,段瑛涛,胡宁,宁慧铭,叶伟,吴剑. 重庆大学学报. 2019(02)
[2]三维编织复合材料与金属胶接结构的力学性能及优化[J]. 邓雅琼,陈洋,栗娜,段瑛涛,敬敏,宁慧铭,胡宁. 复合材料学报. 2018(10)
本文编号：3293345
【文章来源】：重庆大学学报. 2020,43(02)北大核心CSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
混合编织纤维
有限元模拟过程中,胶层与连接件之间的内聚单元失效从而导致结构失效,钢板发生轻微塑性变形,如图3(e)所示。在胶层和连接件的连接界面中,同时存在法向的剥离应力和切向的剪切应力。因此内聚单元的失效是剥离和剪切混合的失效模式。试验和仿真失效形式一致。试验和有限元模拟的力位移曲线对比如图4所示,A1～A5分别为5条试验曲线。试验的力位移曲线存在一定的分散性,主要是由胶层厚度和搭接面积的误差造成的。粘接接头的承载能力随着搭接面积增大而增大,随着胶层厚度减小而增大[32]。A1、A2、A4、A5面积误差差别不大的情况下,A1、A5胶层厚度较薄,导致极限载荷偏高。A3搭接面积偏大,但是胶层厚度也偏厚,两个因素的影响相互抵消,导致极限载荷没有太大的不同。虽然试验曲线具有一定的分散性,但基本能够代表粘接的失效特性。试验极限载荷平均值为2 669 N,计算结果极限载荷为2 716 N,误差为1.7%,极限载荷吻合度较高,且试验和计算载荷的变化趋势一致。粘接结构的仿真和试验在失效形式和极限载荷方面均吻合较好,此有限元模型可以用于预测粘接结构的力学性能。3.2 铆接模型验证
复合材料为二维三轴纤维增强树脂基复合材料,增强体由碳纤维和玻璃纤维混合编织而成,编织示意图如图1所示。轴向纱为碳纤维,体积分数为29.7%;编织纱为玻璃纤维,编织角度为±α,±α方向玻璃纤维体积分数分别为4.65%,基体体积分数为61%。复合材料的弹性参数和强度参数会受到编织角α的影响[26-27],本研究中的编织角α为±45°。在复合材料和钢板的单搭接结构中,粘接剂的材料为BETAFORCE 9050S、铆钉材料为铝合金(Al Mg 3.5)。使用的试验件由北汽集团新技术研究院提供。粘接、铆接和混合连接结构的示意图和几何尺寸如图2所示,搭接面积和胶层厚度的误差如表1所示。表1 试件搭接区域面积和胶层厚度误差Table 1 The relative error of overlap area and adhesive thickness of samples % 序号 粘接接头 铆接接头 混合接头 搭接面积 胶层厚度 搭接面积 胶层厚度 搭接面积 胶层厚度 1 -0.13 -2.68 -0.22 3.46 -14.77 2 -1.75 4.62 0.40 -2.43 0.69 3 5.39 9.49 0.54 2.39 4.17 4 -1.75 3.41 -0.08 3.53 9.95 5 -1.75 -14.84 -0.64 -6.96 9.95
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纤维/玻璃纤维混编编织复合材料顶盖中横梁三点弯强度分析[J]. 杨济世,栗娜,孙东阳,段瑛涛,胡宁,宁慧铭,叶伟,吴剑. 重庆大学学报. 2019(02)
[2]三维编织复合材料与金属胶接结构的力学性能及优化[J]. 邓雅琼,陈洋,栗娜,段瑛涛,敬敏,宁慧铭,胡宁. 复合材料学报. 2018(10)
本文编号：3293345
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