纤维铺层方式对CFRP?铝合金单搭接胶接接头拉伸性能影响

为了分析异质材料胶接接头内部典型应力分布规律与刚度退化特点,探究不同铺层方式对异质材料单搭接胶接接头内部应力分布状态影响规律,开展试验和仿真相关研究。首先,制备不同铺层方式的CFRP（carbon fiber reinforce plastic）?铝合金单搭接胶接接头试验件,使用拉伸试验机进行拉伸试验,获得基本试验数据。其次,利用连续损伤模型、3D Hashin失效判据和Cohesive Zone Model研究异质材料胶接接头不同部位典型破坏特点。结果表明,随着复合材料板中0°铺层比例增加,胶接接头极限载荷呈现增加趋势,与之相反接头拉伸位移逐渐缩短。接头铺层方式与载荷方向共同影响胶接接头力学性能,当复合材料板内部各个方向纤维铺层较为均匀时,可以有效降低接头应力集中,载荷方向与铺层纤维方向一致时,可有效提高接头连接强度。复合材料板中0°铺层占比对接头的极限载荷和刚度退化（scalar stiffness degradation,SDEG）影响较大,0°占比越小接头承载能力越弱,接头刚度退化越复杂。      

搭接长度对CFRP-Al双搭接接头应变分布和失效模式的影响

首先,采用碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）与Al制备不同搭接长度双搭接胶接试验件,利用万能试验机进行拉伸试验,获得载荷-位移曲线和胶接接头失效形貌。然后,依据试验数据,基于连续损伤力学模型和3D Hashin失效判据模拟CFRP层合板损伤与演化,使用内聚力模型模拟胶层和基体损伤,获得CFRP层间应力分布与截面应力分布曲线。最后,在此基础上分析不同搭接长度下双搭接接头载荷-位移曲线与接头破坏模式,研究CFRP内部铺层应力分布对失效形貌影响,探究不同搭接长度下双搭接接头破坏机制。结果表明：搭接长度由20 mm增加至40 mm时,胶接接头力学性能显著提高;搭接长度大于40 mm后,搭接长度对力学性能的影响逐渐减弱。拉伸载荷导致90°纤维附近基体的1和2方向应力较大,产生应力集中,接头发生剪切与剥离破坏。双搭接接头失效过程为一侧发生剪切与剥离破坏,接头转变为单搭接结构,之后瞬间发生失稳,较大的剥离力使接头另一侧发生破坏。     

含中心裂纹铝合金板复合材料单面胶接修复后的疲劳特性

采用碳纤维复合材料对中心裂纹铝合金板进行了单面胶接修复,测试了修复结构的疲劳性能,包括铝合金板的裂纹扩展速率、补片与铝合金板之间的界面脱粘和修复结构的疲劳剩余强度.结果表明:复合材料胶接修复能有效地降低铝合金板的裂纹扩展速率,提高其疲劳寿命;胶接的补片使铝合金板的疲劳裂纹扩展纹线线型发生变化,且线型变化集中在裂纹扩展初始阶段;疲劳导致修复结构出现界面脱粘,脱粘区域近似椭圆形,且界面脱粘面积随疲劳周次的增加而增加.     

复合材料单搭胶接接头静力与疲劳裂纹扩展研究

胶层裂纹是复合材料胶接接头的常见损伤形式之一,严重影响复合材料结构的完整性。以胶接结构中常见的复合材料单搭胶接接头为研究对象,建立其三维数值模型,采用双线性内聚力本构关系表征静态裂纹扩展,并将静态模型扩展至疲劳裂纹扩展模型;结合静力与疲劳试验,对单搭胶接接头的应力应变分布规律、裂纹扩展与破坏机理展开研究。结果表明：单搭...     

"湿热"老化对复合材料胶补金属结构 力学特性的影响

通过玻璃纤维复合材料补片对含穿透双边裂纹的铝合金板进行单面胶接修补,测试修补试件"湿热"(加温浸泡)老化实验前后力学性能,并与未修补试件进行对比,分析老化前后修补结构的破坏模式、失效机理,评估"湿热"老化对修补结构疲劳裂纹扩展寿命和承载能力的影响。结果表明:"湿热"老化降低了复合材料补片削弱疲劳裂纹之间干涉效果的能力,老化试件从裂纹的扩展长度小于未老化试件的;距离补片越近,沿金属板厚度方向疲劳裂纹扩展速率越慢,老化后复合材料补片减缓沿金属板厚度方向疲劳裂纹扩展速率的作用下降;老化严重削弱了修补结构承载能力恢复率和疲劳裂纹扩展寿命,老化试件的承载能力恢复率下降为未老化试件的45%,疲劳裂纹扩展安全寿命下降为未老化试件的63.7%;老化降低了胶层与金属之间的粘合力,造成了复合材料补片的提前脱落,胶层的破坏模式由内聚破坏转变为界面破坏。     

Analysis of Microstructures and Fatigue Properties of Friction Stir Overlap Welds in AA2024-T4 Alloy

研究了铝合金2024-T4搅拌摩擦焊(FSW)搭接接头的微观组织特征和疲劳性能.结果表明,搭接接头后退侧热力影响区晶粒变形程度较前进侧严重.疲劳试样断裂位置均位于弱连接缺陷向上“拉起”较严重的焊核区后退侧.当应力比为0.1时,铝合金搅拌摩擦焊搭接接头对应于95％存活率的疲劳强度特征值(A)(o)k为18.25MPa,与铝合金熔焊搭接接头的(A)(o)k为13.92MPa相比,增加了31.11％.与此同时,FSW搭接接头疲劳S-N曲线斜率m为5.39,大于熔焊接头所对应的S-N曲线斜率范围3.0-3.5,可见在长寿命区搭接接头的疲劳性能优于熔焊接头.搭接接头的裂纹源位于搭接接头上板底部位置的表面缺陷或者强化相颗粒处,对应于弱连接缺陷处.     

薄层碳纤维斜纹布层压板二次胶接试验研究

将复合材料薄板二次胶接技术应用在小型无人机机翼主承力结构上，对于降低机翼盒段的制造成本具有重要的工程应用价值。采用碳纤维斜纹布制2 mm 薄板进行单搭接结构拉剪试验，分析3 种不同型号的胶粘剂对该薄板的适配性以及胶层厚度和层压板铺层角度对二次胶接强度的影响，并通过ABAQUS 软件进行模拟验证。结果表明：使用SY-23B 环氧结构胶，胶层厚度为0.2 mm、铺层方式为［（0/90）］8 -［（0/90）］8 的结构件，胶接性能最优，结构剪切强度可以达到18.2 MPa，满足小型无人机受力盒段的胶接强度要求，二次胶接成形的机翼受力盒段具有轻质化、低成本的优点。     

金属裂纹板复合材料胶接修补结构裂纹扩展行为研究

为研究金属裂纹板复合材料胶接修补结构的裂纹扩展行为,进行了LY12CZ航空铝合金裂纹板碳/环氧复合材料补片胶接修复结构的疲劳性能测试试验,观察修补结构疲劳失效模式,并测量一定疲劳周次下的铝合金板的裂纹长度.建立了考虑裂纹扩展,界面脱粘两种失效模式相互耦合的三维非线性有限元分析模型,计算出不同裂纹长度对应的疲劳寿命,对修补结构的疲劳性能进行了评估,其数值计算与试验结果吻合较好.     

激光选区熔化Al-Mg-Sc-Zr合金各向组织与损伤容限性能

研究激光选区熔化(selective laser melting,SLM)技术成形Al-Mg-Sc-Zr合金材料不同取向的显微组织特征、拉伸和损伤容限性能。结果表明：YZ截面为细小的等轴晶和粗大的柱状晶组成的双峰组织,XY截面由细小的等轴晶组成;0°和90°方向屈服强度、抗拉强度均超过500 MPa,各向异性较小,但堆积层间存在的未熔合缺陷使得90°方向断裂伸长率明显低于0°方向;0°和90°CT试样K_IC分别为21.41 MPa·m^1/2和20.89 MPa·m^1/2,在柱状晶区域裂纹扩展阻抗低,导致90°CT试样K_IC稍小;显微组织和缺陷是影响裂纹扩展性能各向异性的主要因素,在近门槛区未熔合缺陷起主导作用,当裂纹面平行于水平方向时裂纹扩展速率更快;在稳态扩展区显微组织的影响起主导作用,当裂纹面平行于水平方向时为穿晶断裂,裂纹扩展阻抗较高,裂纹扩展速率较低。     

复合材料薄壁加筋抛物面天线仿真与优化

采用Patran/Nastran有限元软件对复合材料薄壁加筋抛物面天线进行了建模和仿真分析。重点分析了反射面铺层方式、加筋结构形式以及加强筋铺层对抛物面天线基频的影响。分析结果表明:采用[0/45/-45/90]s铺层形式的反射面基频最高;增加径向和环向筋可大幅提高天线基频,其中加筋结构采用[0/30/90/-30]s铺层可进一步提高天线基频。通过有限元分析确定了基频最佳的复合材料抛物面天线结构,为制备薄壁加筋抛物面天线提供了指导。     

GLALL层板疲劳裂纹扩展特性分析

对玻璃纤维/铝合金混杂复合层板GLALL的疲劳裂纹扩展特性进行了有限元分析, 应用能量法得到了GLALL板铝合金层裂纹尖端的应力强度因子随裂纹长度的变化规律。由于高强度玻璃纤维对铝合金层裂纹的桥接作用, 降低了裂纹尖端的应力强度因子, 因而使得裂纹的疲劳扩展速率也大为降低, 且随裂纹长度的增加基本不变化。计算结果与实验符合很好。      

铝合金搅拌摩擦焊对搭接接头Hook缺陷研究

对厚度为16mm与20mm的6082铝合金对搭接接头进行搅拌摩擦焊接试验,结果表明,对搭接接头搅拌摩擦焊接工艺参数可调范围较宽,搅拌头旋转速度在300~600r/min及焊接速度在60~200mm/min条件下,能够获得完整无缺陷的焊接接头。搭接面处于前进侧时,Hook缺陷向上偏转,角度大于90°;搭接面处于后退侧时,Hook缺陷向下偏转,角度小于45°。     

湿热环境对CCF300/5228A复合材料层合板的载荷放大系数影响

复合材料结构的耐久性是飞机结构强度设计领域的前沿课题。以铺层方式为[45°/0°-45°/90°/0°_2/45°/0°/-45°/0°]_(2s)的CCF300/5228A复合材料层合板为研究对象,对其进行恒定环境与常幅疲劳载荷的非共同作用试验,采用改进的联合威布尔分布分析复合材料的疲劳寿命分散性,并运用MATLAB软件编写程序,分别计算得到其部件的载荷放大系数。结果表明,在本文研究范围内,随着试验环境中温湿度的增加,复合材料的形状参数单调递减,进而载荷放大系数也单调递增。但载荷放大效果并不明显,不能很好地加速该复合材料层合板的疲劳寿命试验,说明湿热环境导致复合材料力学性能下降,但反映到载荷放大系数的影响不大。     

铺层结构对复合材料层合板拉伸性能的影响

设计并制备了6种不同铺层结构的层合板,通过对其进行拉伸试验,研究了不同铺层角度及不同铺层比例对层合板拉伸性能的影响。通过试验获得了6种复合材料层合板在拉伸试验中所能承受的极限拉伸强度,损伤特征以及载荷-位移曲线。结果表明:随着偏轴角增大,复合材料层合板拉伸强度逐渐降低,当45°和90°铺层体积分数相同时,45°铺层的层合板拉伸强度高于90°铺层的层合板;[0°/45°]铺层在表面可有效减小分层面积,由于内部剪切作用[0/90°]铺层更易出现分层。验证了复合材料层合板可通过改变铺层角度设计其力学性能。     

基于铺覆模拟的复合材料螺旋桨叶片分区域铺层优化北大核心CSCD

为了提高复合材料螺旋桨叶片的结构刚度,分区域优化设计了叶片复合材料结构的铺层角度。根据螺旋桨叶片的厚度和载荷条件,将其划分为4个区域。铺层优化以0°、45°、90°及-45°四个方向的铺覆在各个区域的模拟结果为基础。与初始的铺层方案[0/45/0/-45]sn相比,优化后叶片的铺层方案能使铺层的主方向接近叶片各截面中心点的连线。优化后螺旋桨叶片的1阶和3阶频率提高超过了25%,2阶频率提高超过了5%;表面均布载荷下叶片变形减小了50%,热载荷下叶片变形减小了约25%;优化达到了提高叶片结构刚度的预期效果。分区域优化的方法既利用了复合材料的可设计性又提高了优化效率,适用于复杂复合材料结构的铺层优化。     

胶接修复对碳纤维复合材料层合板挠度的影响

为了研究胶接修复对碳纤维复合材料层合板弯曲挠度的影响，试验设置了阶梯搭接和斜面搭接两种搭接方式，通过三点弯曲实验和数字图像相关技术（DIC）来研究胶接接头的弯曲变形情况。结果表明，在相同搭接长度下，阶梯搭接试件的失效载荷和弯曲强度均低于斜面搭接试件；试件的弯曲挠度与强度和搭接长度有关，搭接长度越长，弯曲强度越高，而弯曲挠度越小。由此表明，搭接长度越长，胶接层合板的强度越高，但不利于层合板的柔性变形。     

Ni3Al合金热/机械疲劳裂纹扩展速率试验及其预测研究

本论文对 Ni3Al高温合金进行了 45 0℃～ 990℃热 /机械疲劳裂纹扩展行为的试验研究与宏微观分析。分别研究了相位角、保持时间、温度、频率对 Ni3Al合金裂纹扩展行为的影响。研究发现 :温度的升高和频率的降低均会加速裂纹扩展 ;同相位热 /机械疲劳裂纹扩展速率大于反相位热 /机械疲劳裂纹扩展速率 ,而且它们两者介于最大温度和最小温度的等温疲劳裂纹扩展速率之间 ;载荷保持加速裂纹扩展。在试验结果的基础之上 ,针对 Ni3Al合金建立了一个热 /机械疲劳扩展速率线性累积模型 ,并应用该模型对两个验证试验进行了检验 ,结果表明 ,该线性累积模型预测结果与试验数据吻合得很好。     

新型纤维金属混合层板结构的疲劳裂纹扩展与分层行为

为了研究一种新型混合层板的损伤容限性能,针对两种铺层混合层板结构进行了应力比R=0.1,-1下两种锯切缺口尺寸试样的疲劳裂纹扩展试验,对比分析了获得的裂纹扩展a-N曲线数据,并通过对试样进行腐蚀去层,研究了层板的各层分层形态。结果表明,在应力比R=0.1时该新型混合层板疲劳裂纹扩展性能明显优于铝合金板;预浸料两侧添加胶膜比不添加胶膜会导致较好的疲劳裂纹扩展性能;由于裂纹桥接机制作用,锯切缺口尺寸较短层板试样比较长层板试样有较好的裂纹扩展性能;层板中心层铝板较其它层铝板裂纹扩展明显滞后;内层铝板与预浸料间沿裂纹方向呈近似三角形分层。     

对预成角薄板粘接接头强度及其应力分析

通过静力学实验研究了预成角对5052铝合金板材粘接接头强度的影响。对0°至15°预成型粘接接头进行强度对比研究,结果表明:被粘物搭接端的预成角对粘接接头承载能力有显著影响,预成角与接头强度呈抛物线关系,即5052铝合金预成型粘接接头存在最佳预成角,此时接头的强度最大,偏离最佳角度接头强度降低;预成角越大,接头的位移就越大,粘接接头的储能能力就越大。建立预成角粘接接头有限元模型,分析粘接层应力分布。结果表明:预成角对粘接中心层的劈裂应力和剪切应力影响明显。预成角增大,粘接层的应力单调增加,而胶瘤部分的应力集中先缓解后加剧,呈抛物线变化趋势。     

钛合金扩散焊接头复合型疲劳裂纹扩展

设计并加工了TC4扩散焊接头紧凑拉伸剪切(CTS)试样。开展了不同加载角度下的Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展试验。试验结果发现:在加载角度小于45°时,裂纹均沿焊缝扩展至断裂,当加载角度达到45°以上时,裂纹开始出现沿与初始裂纹面呈一定角度的方向扩展至母材的情况。使用电子显微镜结合电位法获得了裂纹扩展a-N曲线。在此基础上,采用相互作用积分法计算复合型应力强度因子,以应变能释放率为参量对Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展过程进行了分析。考虑Ⅱ型裂纹所占权重引入复合比,并在此基础上建立了TC4扩散焊接头不同加载角度及载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展速率统一模型。