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。     

刚度不平衡胶合接头的分析

对具有不同弹性模量、不同厚度的两种材料之间的胶合接头进行了分析。在Ｇ－Ｒ理论的基础上推导了接头胶层应力微分方程及通过实例计算对这种刚度不平衡的接头胶层应力分布进行了分析;讨论了被接件刚度不平衡程度对胶层应力分布的影响。     

端部斜削的铝单搭接接头应力分布数值分析

用弹塑性有限元法,研究了被粘物自由端外侧斜削角度以及不同弹性模量胶粘剂对铝合金单搭接接头应力分布的影响.结果表明:对被粘物自由端外侧进行斜削,可以使胶层中部的应力峰值降低,从而提高接头的强度.随着斜削角度的减小,胶层中部应力峰值逐渐降低.随着胶粘剂弹性模量的降低,斜削接头胶层中部各应力的峰值随之降低.对于胶粘剂弹性模量高的接头,斜削使得胶层中部的应力峰值得到了极大的降低;而对于胶粘剂弹性模量低的接头,斜削对胶层中部的应力峰值影响较小.     

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。      

弹性模量对铝胶焊搭接接头应力分布的影响

运用利用弹塑性有限元方法,研究了胶粘剂弹性模量对铝合金胶焊搭接接头上工作应力分布的影响.研究结果表明:随着胶粘剂弹性模量的增加,胶焊搭接区焊点中心线上的应力分布趋于均匀,胶层-焊点边缘处的峰值应力降低,但靠近搭接区端部胶层中的各应力峰值增大;距胶层中心线0.15mm的面上与焊点中心相对应点的峰值应力随弹性模量提高而下降.为提高胶焊接头承载能力,建议采用弹性模量适中的胶粘剂.     

复合材料帽型筋条脱粘的失效机理分析

复合材料加筋结构承受后屈曲载荷时,蒙皮局部屈曲会导致筋条承受面外弯曲载荷,极易引起蒙皮与筋条的界面脱粘,最终导致结构破坏.通过四点弯曲试验模拟加筋结构受后屈曲载荷时的蒙皮/筋条界面性能,建立渐进损伤模型,分别考虑筋条与蒙皮胶接界面以及复合材料层板的失效,并引入材料刚度退化模型,详细分析蒙皮/筋条界面的脱粘机理和失效过程.分析结果与试验结果一致,表明加载跨距对于结构的失效形式影响较大,90 mm加载时,胶层均首先失效于筋条与蒙皮内角处的胶接界面,且主要受Ⅱ型剪切模式影响;而150 mm加载情况下胶层均首先失效于翼缘自由端与蒙皮交界处.正向加载时胶层失效主要受Ⅰ型和Ⅱ型混合模式影响,反向加载胶层主要受Ⅱ型剪切模式影响.界面脱粘以后,随着载荷增加,筋条腹板与缘条转角外侧出现分层破坏,损伤模型预测结果与超声扫描检测结果一致.     

胶粘剂力学性能参数对劈裂载荷作用下胶接接头中应力分布的影响

运用三维有限元法分析了胶粘剂力学性能参数对劈裂载荷作用下胶接接头(简称劈裂接头)应力分布规律的影响.结果表明:胶粘剂弹性模量和泊松比的变化对劈裂接头应力分布有着直接影响;随着弹性模量或泊松比升高,胶层内应力分布重心向左端移动,左端应力集中加强,峰值应力上升,但是泊松比对胶层最大主应力峰值的影响不如弹性模量的影响明显.     

胶粘剂弹性模量对间隙接头应力和强度的影响

 运用弹塑性有限元法,研究了胶粘剂弹性模量对含间隙的铝合金单搭接接头的影响。通过分析胶层和被粘物的应力分布,结果表明：间隙连接对接头端部的应力分布无明显影响,但对间隙附近的应力峰值影响较大;随着胶粘剂弹性模量的增大,间隙附近的应力峰值反而减小;对于高弹性模量胶粘剂接头,间隙对接头的应力峰值无明显影响,在不降低接头名义强度的基础上极大地提高了接头的实际强度;而对于低弹性模量胶粘剂接头,间隙使得接头的应力峰值明显上升,显著地降低了接头的名义强度和实际强度。数值模拟结果与已发表的试验数据大致吻合。     

新型金属/复合材料混合连接结构试验研究

为提高金属与复合材料混合连接结构的力学性能,提出一种金属与复合材料之间的新型连接方法。通过在金属与复合材料搭接区铺设胶膜,同时嵌入若干贯穿被连接件的金属细针,从而使得胶膜与细针共同传递被连接件之间的载荷。为探明和揭示该新型连接方法的优越性,制作了相应的试验件并开展了力学性能测试。通过分析试验过程中的载荷-位移关系以及试验件破坏模式,发现新型连接方法显著提高了金属与复合材料连接结构的破坏载荷、破坏应变及能量吸收能力。若将该新型连接方法应用于航空航天工程,将提高复合材料连接结构的承载效率,降低结构重量。此外,该连接方法还降低了接头破坏的突发性,从而有利于结构缺陷的检测。     

双面贴补层合板压缩屈曲渐进损伤分析

贴补复合材料层合板在压缩载荷作用下的屈曲破坏强度及其损伤演化过程对于复合材料结构修理具有重要意义。本文基于应变和黏聚区模型(CZM)建立了贴补复合材料层合板的渐进损伤分析模型,引入复合材料与胶层的损伤判据和刚度退化方案,计算了结构屈曲强度。数值仿真结果和实验数据吻合较好,验证了模型的有效性。基于该模型,采用非线性有限元方法研究了压缩载荷下双面贴补复合材料层合板的屈曲损伤演化过程,并讨论了补片参数对结构屈曲强度的影响。研究结果表明:双面贴补复合材料层合板屈曲后,处于拉伸和压缩状态下的铺层中的损伤程度存在差异;增大补片直径与厚度可以在一定程度上提高双面贴补复合材料层合板的屈曲强度。     

Tensile properties analysis of CFRP-titanium plate multi-bolt hybrid joints

Hybrid joints have better tensile properties than pure bonded and bolted bolts, and are increasingly used in the aerospace field. Tensile tests are carried out for the Hybrid Bonded/Bolted(HBB) joints of Carbon Fiber Reinforced Polymer(CFRP) laminate and titanium alloy plate under different bolt numbers, and the corresponding load–displacement curves are obtained. At the same time, based on Continuum Damage Mechanics(CDM) theory, which is derived from 3D Hashin failure criteria, and a Cohesive Z...     

板宽对胶焊接头应力分布影响的数值分析

采用三维弹塑性有限元方法,研究了酚醛树脂和丙烯酸树脂两种胶粘剂的胶焊接头中,板宽对应力分布的影响。结果表明,酚醛树脂胶粘剂胶焊接头中,搭接区边缘应力值高于焊点边缘应力值,导致接头从搭接区边缘起裂,板宽增大时,焊点边缘处和搭接区边缘的峰应力都减小,对于提高胶焊接头的强度有利,但不会改变接头的断裂形式;丙烯酸树脂胶粘剂的胶焊接头,焊点边缘应力远高于搭接区边缘应力,因此接头从焊点边缘起裂,板宽增大时,焊点边缘应力基本不变。因此增加板宽对提高接头强度无明显作用,接头断裂形式也不发生改变。     

Effect of beam current on microstructures and mechanical properties of joints of TZM/30CrMnSiA by electron beam welding

Electron beam welding experiments of TZM alloy and 30CrMnSiA steel butt joints were carried out with different beam currents. Microstructures and chemical compositions of typical zones were analyzed by optical microscopy, scanning electron microscopy and X-ray diffraction. The mechanical properties of the joints were evaluated by tensile strength tests. Besides, nanoindentation tests were carried out to compare the brittleness of the reaction layer and other typical microstructures. The results illustrated that the reaction layer at the interface between fusion zone (FZ) and TZM alloy was the weak position of the joint, which was divided into Fe₂Mo layer and a mixture layer of Fe₂Mo and α-Fe phases. As the beam current increased, the thickness of the Fe₂Mo layer decreased, which resulted in the increasing of the tensile strength of the joints. When the beam current exceeded 24 mA, the formation of the joint was poor with a low tensile strength. When the beam current was 24 mA, the joint presented the highest strength of 191.3 MPa and the joint fractured along the Fe₂Mo layer near the TZM alloy side with a brittle fracture mode.     

纤维增强树脂基复合材料连接结构强度与失效分析

采用拉伸试验和有限元分析方法研究纤维增强树脂基复合材料螺栓连接与胶–螺混合连接结构的失效机理。通过拉伸–剪切试验分析其载荷–位移曲线,结合有限元仿真结果及断面微观结构变化分析其结构强度和失效机理。结果表明,螺栓连接结构孔周碳纤维丝束受到螺栓挤压力变形后传递给树脂基体。因此,呈现纤维屈曲变形,树脂基体由均匀分布状被断裂的纤维短束挤压变成团簇状,形成结构不均匀而出现薄弱区域。胶–螺混合连接结构呈现拉伸断裂式破坏,断口处碳纤维丝束在拉伸–剪切作用下从环氧树脂基体中拔出并损伤断裂,丝束方向杂乱排布。附着在碳纤维丝束周围的树脂基体从均匀分布状变为团聚状,连接结构在达到极限载荷之后出现拉伸断裂,呈现净截面破坏,并且在重新分配载荷之后板材之间的胶粘剂对纤维的破坏会起延滞作用。材料强度、螺栓强度、胶层强度及螺栓宽径比等因素均会成为影响连接结构失效破坏的因素。     

Evaluation of tensile properties of a compositemetal joint with a novel metal insert design by experimental and numerical methods

Composite-metal joints with a metal insert are one kind of connecting structure.In this paper,tensile experimental tests were carried out to investigate tensile properties of a composite metal joint with a novel metal insert design.Finite element models of the joint were established,and strain distribution and tensile strength were analyzed.The numerical results are in good agree ment with the experimental results.Results show that the joint failure is dominated by shear properties of the resin layer.Increasing the resin layer thickness in a certain range will improve the tensile strength of the joint,while increasing the radius of the fillet on the ending side of the metal insert will decrease the joint strength.Increasing the resin layer plasticity will improve the joint strength.The effect of the embedded depth of the metal insert can be ignored.     

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：单搭胶接接头在静力和疲劳载荷下,由于偏心拉伸应变呈非线性变化,搭接区域两端由于应力集中首先出现裂纹,由两端向中央区域扩展并迅速贯穿整个搭接区域,静力失效模式为内聚破坏,疲劳断面为界面脱胶。     

Resistance welding of glass fiber reinforced thermoplastic composite: Experimental investigation and process parameter optimization

The utilization of fiber reinforced thermoplastics (FRTP) is expected to fulfill lightweight demand in mass-produced aerospace products. Facing the unavoidable assembly of FRTP parts, fusion bonding methods such as resistance welding are promising compared with mechanical joint and adhesive bonding. In this paper, a procedure has been brought out to understand the relationship between processing conditions and performance of the FRTP welding joints. The adherends were continuous glass fiber reinforced polypropylene (GF/PP) laminates fabricated by hot-pressing method. The influences of time, current and pressure on the bending strength of the resistance welding joints were investigated. A processing window was drawn based on the optical observation of welded surfaces. The quantitative relationship between process parameters and mechanical property of GF/PP welding joint was established by Response Surface Method (RSM) with high accuracy. It was found that bending strength of GF/PP welding joint was improved by 31% compared with hot-pressing benchmark.     

复合材料机翼下壁板对接区设计与分析

机翼对接设计是飞机结构设计的一个重要环节,其设计的好坏关系到飞机的飞行性能和使用安全性能。基于国外先进民用客机外翼与中央翼的对接结构形式,设计了两种复合材料机翼下壁板的对接形式,并对其连接强度和失效模式进行了研究。利用商业有限元软件ABAQUS结合内聚力单元模型,模拟壁板蒙皮/缘条界面的失效,并获得不同对接形式构件的脱胶起始位置;通过引入Hashin失效准则的有限元模型研究拉伸载荷下对接构件的承载能力,并校核了螺栓强度;最后,比较分析了两种构件的最终失效模式,为复合材料关键连接区的细节设计提供一种有效的方法。     

耳片接头的断裂失效数值模拟

金属材料断裂研究属于工程计算中的难点问题。目前对于金属构件延性断裂问题的研究,多是基于10种经典塑性材料断裂试样,分析构件延性断裂的表征参数和断裂机理,对延性金属断裂准则在耳片接头类结构中的应用研究较少。本文对4种结构形式的耳片接头进行拉伸断裂试验,采用应力三轴度准则,模拟接头在拉伸试验中的断裂失效,对比接头的结构形式对断裂性能的影响和算法精度。研究表明:在材料的线弹性阶段,4种接头的位移变形基本一致;接头的断面主要集中在耳片开孔中心位置;在耳片开孔处增加凸台,可以提高接头的断裂强度;立筋、R角对接头断裂性能影响较小。     

复合材料胶接搭接接头应力分析方法研究

胶接是复合材料结构主要连接方法之一,对胶接接头进行应力分析是保证复合材料安全性、耐久性的关键。在初步设计阶段,一般采用解析方法对胶接接头进行应力分析及参数研究。针对复合材料双搭接和单搭接胶接接头,在Tsai等人的理论分析方法（TOM方法）基础上,提出了一种改进的搭接接头剪应力分析方法,该方法考虑了被胶接件的剪切变形,认为被胶接件只有在靠近胶层的半个厚度上产生剪切变形,剪应力沿该半厚度呈线性分布。算例分析结果表明：本文方法比现有的分析方法更接近于有限元模拟结果,可用于估算复合材料胶接接头剪应力分布。