碳纤维树脂基复合材料修补区域电热温度场的研究

发布时间：2017-09-19 21:49

  本文关键词：碳纤维树脂基复合材料修补区域电热温度场的研究

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【摘要】：本文采用ABAQUS有限元分析软件建立了CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)单层搭接模型和修补后层板模型,利用电-热耦合模块,分别计算了多种电流强度下模型表面的温度分布和实际不易测量的模型内部温度梯度及变化规律。为了对仿真结果进行验证,实验制备了与两种模型相同尺寸的试样,采用实验室电热载荷试验测试环境平台,测试了搭接接头和修补后CFRP层板试样在不同电流强度下的温度分布,获得了表面温度随时间变化的规律,并建立了电阻-温度-电流三者的对应关系。为了研究电热载荷对修补结构性能的影响,对两组试样分别进行了拉伸剪切强度测试和冲击后剩余压缩强度测试。综合仿真结果及实验测试结果表明:(1)单层搭接试样通电过程中,搭接试样的电阻与电流强度之间呈线性递减的关系。由于层间接触电阻较大,搭接区域温度升高较快,而非搭接区域的温度无明显变化。随着通电电流强度的增加,接头表面稳态温度明显升高。对于不同搭接长度试样,搭接长度的增加导致层间单位面积电流密度减小,减弱了电载荷对接头温度影响。电流加载完成后对搭接接头的层间剪切性能进行测试,研究发现:低电流时,电热促使接头树脂进一步固化,适当提高了接头搭接界面的粘接性能,其剪切强度略有上升;当通电电流过大时,接头温度急剧升高,对搭接区域产生过热损伤,降低了接头的剪切强度。(2)修补后CFRP层板试样在通电测试过程中,试样电阻与电流强度也呈递减的关系。随着电流强度的增加,层板稳态温度增大。由于热交换体系的存在,层板中心区域温度明显高于周边区域温度。母板损伤而造成的纤维结构不连续,间接影响了电流传方向,导致修补后CFRP层板正反面温度存在差异,但这种温度差异小于2℃。电流加载完成后对修补后CFRP层板进行冲击后剩余压缩强度测试,其研究结果表明:低电流未对修补后CFRP层板造成结构性破坏,对材料的抗冲击性能影响较小,树脂后固化使剩余压缩强度呈现略微增长的趋势。随着电流强度的增加,电热产生的高温对修补界面层烧蚀破坏,进一步弱化了修补连接界面的粘接性能,导致材料抗冲击性能减弱,剩余压缩强度明显降低。
【关键词】：复合材料修补 电热损伤 温度场 力学性能
【学位授予单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 碳纤维复合材料简介及应用10-11
• 1.2 复合材料结构修理概论11-15
• 1.2.1 修理原则12
• 1.2.2 修理过程及修理分类12-13
• 1.2.3 胶接修理13-15
• 1.3 碳纤维树脂基复合材料电热损伤研究现状15-18
• 1.3.1 电热损伤来源15-16
• 1.3.2 电热对CFRP复合材料损伤特点16
• 1.3.3 电热对修补后CFRP复合材料影响的国内外研究进展16-18
• 1.4 研究目的与意义18
• 1.5 研究内容18-19
• 第二章 实验材料设备及分析方法19-29
• 2.1 实验材料及实验仪器19-20
• 2.1.1 实验材料19
• 2.1.2 实验仪器19-20
• 2.2 试样制备20-22
• 2.2.1 单层搭接试样制备20-21
• 2.2.2 修补层板制备21-22
• 2.3 电热损伤实验22
• 2.4 材料表征方法22-25
• 2.4.1 单层搭接试样剪切强度测试22-23
• 2.4.2 层板冲击后剩余压缩强度测试23-25
• 2.5 ABAQUS电-热耦合有限元理论基础25-29
• 2.5.1 有限元理论和基本思想25-26
• 2.5.2 热量传递的基本方式26-27
• 2.5.3 温度场控制方程27-28
• 2.5.4 电场控制方程28-29
• 第三章 CFRP复合材料修补后电热温度场的有限元分析29-41
• 3.1 有限元建模过程29-30
• 3.2 单层搭接几何模型30-31
• 3.3 单层搭接模型有限元计算结果31-34
• 3.4 层板修补模型34-35
• 3.5 层板修补模型有限元计算结果35-39
• 3.6 本章小结39-41
• 第四章 电热载荷对CFRP修理搭接接头剪切性能的影响41-45
• 4.1 碳纤维单层搭接接头电热特性41-42
• 4.2 试样通电前后剪切性能42-44
• 4.3 本章小结44-45
• 第五章 电热载荷对修补后CFRP冲击后压缩性能影响45-53
• 5.1 修补后CFRP层板电热特性分析45-47
• 5.2 冲击损伤特性分析47-49
• 5.3 水浸超声无损检测分析49-50
• 5.4 冲击后剩余压缩强度分析50-52
• 5.5 本章小结52-53
• 第六章 结论53-55
• 参考文献55-59
• 致谢59

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1 张俊;碳纤维树脂基复合材料修补区域电热温度场的研究[D];中国民航大学;2016年

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本文编号：884130