铝合金单搭粘接接头界面端奇异性及强度研究
发布时间：2020-07-03 15:03
【摘要】：随着轻量化设计的发展,铝合金、镁合金和碳纤维复合材料得到了广泛的应用,传统的机械连接方法在应用时会产生应力集中、材料局部变形(化学、物理)等问题。高分子材料结构粘接剂的诞生,为独特的连接技术-粘接带来了新的活力,在实际工程应用中结合使用粘接,可以弥补以上缺陷,同时凭借其他优点,粘接剂的应用范围也在不断扩大。因此,了解并掌握粘接接头的力学性能,对接头强度的分析、预测以及延长使用寿命有着重要的意义。粘接接头的强度受多种因素的影响,但是,无论是静载荷失效还是疲劳载荷失效,它们往往都始于界面端点处。针对以上问题,本文选取轻量化设计里常用5XXX系铝合金中的5052铝合金作为被粘物,以5052铝合金单搭粘接接头为研究对象,首先,基于数字图像相关法获得了接头界面端点处的应变分布；然后,结合奇异性理论和有限元理论对接头界面端点处进行了奇异性分析及强度预测,并进行了试验验证；同时,研究了不同疲劳循环周次对接头刚度和残余强度的影响,获得了接头的疲劳强度、残余强度和界面端的疲劳失效信息；在此基础上,基于Goland-Reissner(G-R)一维梁理论模型,提出可以提高接头静强度、疲劳强度以及降低界面端点处应力强度因子的单搭粘接加强板接头,具体的研究内容如下：1.基于数字图像相关法的接头界面端变形分析基于数字图像相关法,对5052铝合金单搭粘接接头的拉伸-剪切过程进行了变形分析(包括弹性阶段、塑性阶段和临近断裂状态),对于拉伸-剪切加载过程中的试件,界面端点处应变突出,存在明显的应变集中、应力集中现象。界面上的应变呈“高-低-高’的非对称分布,临近固定约束的一端应变集中程度明显要大于临近施加载荷的一端,说明承受拉伸-剪切载荷作用下的接头强度失效及裂纹的扩展始于临近固定约束一端的界面端点处。2.基于奇异性理论的接头界面端奇异性分析基于奇异性理论和局部精细网格划分技术建立有限元模型,对5052铝合金单搭粘接接头界面端进行了应力奇异性分析和强度预测,同时,研究了不同搭接长度、不同胶厚、不同边界约束长度和不同边界施加载荷大小对接头界面端奇异性的影响,提出了应力强度因子敏感系数Φ。应力强度因子H(H1、H2)随着搭接长度和边界约束长度的增大而减小,随着胶层厚度的增大先减小后增大,在胶层厚度为0.2mm时达到最小值(对应的接头强度最大),随着边界施加载荷的增大而增大,并且两者之间存在一定的线性关系,关系式分别为H1=0.00425F-0.0001,H2=0.00152F；几何参数发生相同程度变化时,搭接长度对接头界面端应力强度因子的影响程度强于胶层厚度。3.基于循环载荷的接头残余强度分析基于疲劳循环载荷,先后对不同应力水平下的5052铝合金单搭粘接接头进行疲劳强度测试,研究了不同疲劳循环周次对接头刚度和残余强度的影响,引入超声扫描显微镜(SAM)设备和扫描电子显微镜(SEM)设备对疲劳失效胶层进行失效分析及界面端疲劳失效信息采集。疲劳裂纹从接头搭接端部的界面端点处(即奇异性分析中的奇异点处)开始萌生,然后向中间开始扩展,当疲劳循环达到一定次数时,胶层发生瞬间断裂,胶层的裂纹萌生阶段几乎占据了其全部疲劳寿命。在承受疲劳循环载荷过程中,接头刚度基本稳定,只是在初始阶段刚度出现了小幅的增加,而残余强度随着疲劳循环周次的增加,呈现出先增大后减小的趋势,在整个过程中接头的刚度跟残余强度均没有出现大幅度跳跃式上升或下降的变化趋势。4.基于一维梁理论的接头强度提高分析基于G-R一维梁理论模型,提出了单搭粘接加强板接头,先后对5052铝合金单搭粘接(AA)接头、5052铝合金单搭粘接贴铝片(AAA)接头、5052铝合金单搭粘接贴铜片(AAC)接头和H62铜合金单搭粘接贴铜片(CCC)接头进行静强度测试,选取AA接头、AAA接头和AAC接头进行界面端应力奇异性分析和疲劳强度测试,并采用SEM对疲劳失效胶层进行失效分析。单搭粘接加强板接头可有效提高接头的静强度、疲劳强度及降低界面端点处的应力奇异性,而对胶层疲劳失效样貌的影响较小。本文结合数字图像相关法、奇异性理论、有限元理论和G-R一维梁理论对接头界面端的应变形式、奇异性、静强度、疲劳强度及失效形式进行了系统性的分析,为粘接接头在实际中的应用提供了参考。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG494
【图文】：
Ｆｉｇ．邋１．１邋Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ａｌｕｍｉｎｕｍ邋ａｌｌｏｙ邋ｉｎ邋ａ山ｏｍｏｔｉｖｅ逡逑为胶接，它是一口古老的连接技术，本身涉及力学，材子化学、表面科学、固体物理学和微电子学等领域。２０粘接结构的出现，使古老的粘接技术进入一个新时代，独立的边缘学科成长起来。随后，合成粘接剂的研究及展，在航空、航天、汽车、机械、建筑、林业、电子、重要的作用Ｗ。中国是人类文明历史上最早使用粘接剂后，我国已经成长为粘接剂的生产大国和消费大国。按，我国国内粘接剂产量从２００２年的１７０．５万吨增长到２０１从２００２年的１６３亿元增长到２０１２年的７０８．８化元。＂十持较高的增长速度，年产量和销售额的平均X棾に俣确纸缜傲校住Ｓ纱丝煽闯觯辰蛹良罢辰蛹际踉谖夜匾牡匚弧Ｒ虼耍疚难∪」ひ道锍Ｓ玫谋此岽籽芯康恼辰蛹粒∪〕Ｓ们嶂什牧希担兀兀叵倒辖鹬
本文编号：2739822
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG494
【图文】：
Ｆｉｇ．邋１．１邋Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ａｌｕｍｉｎｕｍ邋ａｌｌｏｙ邋ｉｎ邋ａ山ｏｍｏｔｉｖｅ逡逑为胶接，它是一口古老的连接技术，本身涉及力学，材子化学、表面科学、固体物理学和微电子学等领域。２０粘接结构的出现，使古老的粘接技术进入一个新时代，独立的边缘学科成长起来。随后，合成粘接剂的研究及展，在航空、航天、汽车、机械、建筑、林业、电子、重要的作用Ｗ。中国是人类文明历史上最早使用粘接剂后，我国已经成长为粘接剂的生产大国和消费大国。按，我国国内粘接剂产量从２００２年的１７０．５万吨增长到２０１从２００２年的１６３亿元增长到２０１２年的７０８．８化元。＂十持较高的增长速度，年产量和销售额的平均X棾に俣确纸缜傲校住Ｓ纱丝煽闯觯辰蛹良罢辰蛹际踉谖夜匾牡匚弧Ｒ虼耍疚难∪」ひ道锍Ｓ玫谋此岽籽芯康恼辰蛹粒∪〕Ｓ们嶂什牧希担兀兀叵倒辖鹬
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