接头端部开槽对复合材料胶接接头性能影响的研究

发布时间：2020-09-14 09:23

　　 地球上日益严重的能源危机及环境问题,使得汽车轻量化成为汽车行业的一个重要发展方向;而达到这一目的行之有效的方法,就是使用新型轻质材料。复合材料以其质轻、高比模量与比强度、设计便利等特性被广泛应用于飞行器、汽车等领域。胶接是解决此类材料连接问题的一种主流方法及有效手段。近年来,大量学者对如何有效提高胶接接头力学性能提出了很多有效的方法。本文在前人研究基础上,提出一种端部开槽的形式,并基于有限元模拟及试验,对该形状下复合材料胶接接头的力学性能进行了相关研究。首先,文章建立了CFRP胶接接头的二维有限元模型,并与文献试验数据及三维模型进行了对比,验证了此种建模方法的实用性;其次,通过数值模拟研究了端部开槽对复合材料胶接接头的强度影响,通过提取相应胶层应力分布来进一步研究端部开槽的影响,发现当端部开槽时可有效降低粘接区域两端峰值剥离应力,接头的承载能力也会相应地显著提升,且提升程度和峰值剥离应力降低的程度存在一定对应关系;在胶粘剂的选用上,考虑了两种不同性质的胶水,即脆性胶Araldite?AV138和韧性胶Araldite?2015,通过胶层损伤分析研究两种不同胶水的失效模式;对于搭接长度的影响,文章亦进行了相应研究,结果表明不同搭接长度时,胶层失效模式也会不同,从而相似开槽会产生不同的影响效果;随后,文章基于前人提出的针对不同失效模式下的强度预测方法,对产生前述现象的原因进行了定性分析;为了研究横向弯曲载荷工况下接头的力学性能,对胶接接头三点弯模型进行构建并对结果进行简要分析;文章最后对两种胶情况下的普通胶接单搭接接头和端部开槽的胶接接头进行了试验研究,一方面对部分仿真的强度预测结果进行了验证,另一方面也对试验和模拟的区别和误差进行了一定解释。本文针对传统单搭接胶接接头,提出采用端部开槽的修改方式来获得更加优异的接头性能,从模拟、试验的角度对胶接接头性能进行了研究,综合考虑了胶水性质、搭接长度等影响接头性能的主要因素,得到了端部开槽处理对不同接头胶接性能的影响结果,对于何时采用合理的方法来提高接头性能,具有一定的指导意义,对于更加深入研究胶层失效机制,也具有一定参考价值。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG49
【部分图文】：

连接问题在很大程度上影响了结构的完整性及结构失效模式[11]，因此科研人员越来越多的把研究重点放在连接失效分析上。复合材料主流连接方式包括机械连接、胶接以及混合连接等[12]，图 1.1 给出了车身中连接方式的示例及胶接应用的部位示例。胶接也称为粘接，是指利用合适的胶粘剂并且选取适当的接头形式和科学的粘接工艺将两个或多个构件进行粘接的技术，通常要经过一定时间、特定温度的固化，它是一门多个学科相互交叉的新学科[13]. 该技术可以作用于各种材料（包括金属金属之间，金属与复合材料之间等）的连接。相比较传统机械连接而言，胶接无需在层合板上钻孔，因此不会提前破坏碳纤维影响结构性能；此外，胶接还具备结构轻、可方便连接异种材料、应力集中程度低、结构完整性好、连接效率高、疲劳性能好等优点，但同时其抗剥离能力低、不可拆卸、易受环境影响，难以检测和保证质量等缺点[14-17]同样也制约着胶接技术的发展，因此应用主要局限于次要结构。

硕士学位论文对单搭接接头影响进行过研究，并得出类似结论；游敏等人[64]对内斜削接胶接接头的力学性能通过模拟及试验研究，得出接头强度关于斜削尺规律，研究表明斜削角度为 30 度时接头承载能力较强；R.H.Kaye 等人削搭接板相关参数进行优化，该方法得到的接头形状对于降低胶层峰值高接头承载能力效果明显；典型外斜削、内斜削形状如图 1.2；WY Chua研究了采用搭接板端部作阶梯状开槽处理的复合材料双搭接接头的力学传统双搭接接头相比，搭接端部胶层的最大剪切应力和剥离应力均明显头静强度与疲劳强度均有明显提升，试验结果与仿真结果取得较好的 al k A[67]对六种不同端部形状的单搭接接头强度及应力分布进行研究得出了每种形状的影响。

（e）轻微纤维撕裂 （f）被胶接件拉伸（或弯曲）图 2.1 ASTM D5573 定义的胶接连接六种基本失效模式在实际工程应用当中，拉伸载荷作用下的单搭接胶接连接接头主要有基本破坏模式[16]，即被胶接件断裂、被胶接件剥离破坏、胶层剪切破坏离破坏，如图 2.2 所示。其中，剥离破坏往往发生在层合板临近粘接面，这种破坏模式一般发生于胶层强度大于被胶接物强度的情况；胶层剪常发生在连接端部，即应力值较大的区域，这类失效往往在早期胶粘剂时出现，因为前期胶水剪切强度较低，但是随着胶的改进，剪切失效已见，常见的是胶层与被搭接件胶接界面的粘聚力失效或剥离失效。a）被胶接件拉伸（或拉弯）破坏 （b）被胶接件剥离破坏

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本文编号：2817999