【摘要】：隨著輕量化設計的發(fā)展,鋁合金、鎂合金和碳纖維復合材料得到了廣泛的應用,傳統(tǒng)的機械連接方法在應用時會產(chǎn)生應力集中、材料局部變形(化學、物理)等問題。高分子材料結(jié)構(gòu)粘接劑的誕生,為獨特的連接技術-粘接帶來了新的活力,在實際工程應用中結(jié)合使用粘接,可以彌補以上缺陷,同時憑借其他優(yōu)點,粘接劑的應用范圍也在不斷擴大。因此,了解并掌握粘接接頭的力學性能,對接頭強度的分析、預測以及延長使用壽命有著重要的意義。粘接接頭的強度受多種因素的影響,但是,無論是靜載荷失效還是疲勞載荷失效,它們往往都始于界面端點處。針對以上問題,本文選取輕量化設計里常用5XXX系鋁合金中的5052鋁合金作為被粘物,以5052鋁合金單搭粘接接頭為研究對象,首先,基于數(shù)字圖像相關法獲得了接頭界面端點處的應變分布；然后,結(jié)合奇異性理論和有限元理論對接頭界面端點處進行了奇異性分析及強度預測,并進行了試驗驗證；同時,研究了不同疲勞循環(huán)周次對接頭剛度和殘余強度的影響,獲得了接頭的疲勞強度、殘余強度和界面端的疲勞失效信息；在此基礎上,基于Goland-Reissner(G-R)一維梁理論模型,提出可以提高接頭靜強度、疲勞強度以及降低界面端點處應力強度因子的單搭粘接加強板接頭,具體的研究內(nèi)容如下：1.基于數(shù)字圖像相關法的接頭界面端變形分析基于數(shù)字圖像相關法,對5052鋁合金單搭粘接接頭的拉伸-剪切過程進行了變形分析(包括彈性階段、塑性階段和臨近斷裂狀態(tài)),對于拉伸-剪切加載過程中的試件,界面端點處應變突出,存在明顯的應變集中、應力集中現(xiàn)象。界面上的應變呈“高-低-高’的非對稱分布,臨近固定約束的一端應變集中程度明顯要大于臨近施加載荷的一端,說明承受拉伸-剪切載荷作用下的接頭強度失效及裂紋的擴展始于臨近固定約束一端的界面端點處。2.基于奇異性理論的接頭界面端奇異性分析基于奇異性理論和局部精細網(wǎng)格劃分技術建立有限元模型,對5052鋁合金單搭粘接接頭界面端進行了應力奇異性分析和強度預測,同時,研究了不同搭接長度、不同膠厚、不同邊界約束長度和不同邊界施加載荷大小對接頭界面端奇異性的影響,提出了應力強度因子敏感系數(shù)Φ。應力強度因子H(H1、H2)隨著搭接長度和邊界約束長度的增大而減小,隨著膠層厚度的增大先減小后增大,在膠層厚度為0.2mm時達到最小值(對應的接頭強度最大),隨著邊界施加載荷的增大而增大,并且兩者之間存在一定的線性關系,關系式分別為H1=0.00425F-0.0001,H2=0.00152F；幾何參數(shù)發(fā)生相同程度變化時,搭接長度對接頭界面端應力強度因子的影響程度強于膠層厚度。3.基于循環(huán)載荷的接頭殘余強度分析基于疲勞循環(huán)載荷,先后對不同應力水平下的5052鋁合金單搭粘接接頭進行疲勞強度測試,研究了不同疲勞循環(huán)周次對接頭剛度和殘余強度的影響,引入超聲掃描顯微鏡(SAM)設備和掃描電子顯微鏡(SEM)設備對疲勞失效膠層進行失效分析及界面端疲勞失效信息采集。疲勞裂紋從接頭搭接端部的界面端點處(即奇異性分析中的奇異點處)開始萌生,然后向中間開始擴展,當疲勞循環(huán)達到一定次數(shù)時,膠層發(fā)生瞬間斷裂,膠層的裂紋萌生階段幾乎占據(jù)了其全部疲勞壽命。在承受疲勞循環(huán)載荷過程中,接頭剛度基本穩(wěn)定,只是在初始階段剛度出現(xiàn)了小幅的增加,而殘余強度隨著疲勞循環(huán)周次的增加,呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,在整個過程中接頭的剛度跟殘余強度均沒有出現(xiàn)大幅度跳躍式上升或下降的變化趨勢。4.基于一維梁理論的接頭強度提高分析基于G-R一維梁理論模型,提出了單搭粘接加強板接頭,先后對5052鋁合金單搭粘接(AA)接頭、5052鋁合金單搭粘接貼鋁片(AAA)接頭、5052鋁合金單搭粘接貼銅片(AAC)接頭和H62銅合金單搭粘接貼銅片(CCC)接頭進行靜強度測試,選取AA接頭、AAA接頭和AAC接頭進行界面端應力奇異性分析和疲勞強度測試,并采用SEM對疲勞失效膠層進行失效分析。單搭粘接加強板接頭可有效提高接頭的靜強度、疲勞強度及降低界面端點處的應力奇異性,而對膠層疲勞失效樣貌的影響較小。本文結(jié)合數(shù)字圖像相關法、奇異性理論、有限元理論和G-R一維梁理論對接頭界面端的應變形式、奇異性、靜強度、疲勞強度及失效形式進行了系統(tǒng)性的分析,為粘接接頭在實際中的應用提供了參考。
【學位授予單位】：昆明理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG494
【圖文】：

Ｆｉｇ．邋１．１邋Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ａｌｕｍｉｎｕｍ邋ａｌｌｏｙ邋ｉｎ邋ａ山ｏｍｏｔｉｖｅ逡逑為膠接，它是一口古老的連接技術，本身涉及力學，材子化學、表面科學、固體物理學和微電子學等領域。２０粘接結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，使古老的粘接技術進入一個新時代，獨立的邊緣學科成長起來。隨后，合成粘接劑的研究及展，在航空、航天、汽車、機械、建筑、林業(yè)、電子、重要的作用Ｗ。中國是人類文明歷史上最早使用粘接劑后，我國已經(jīng)成長為粘接劑的生產(chǎn)大國和消費大國。按，我國國內(nèi)粘接劑產(chǎn)量從２００２年的１７０．５萬噸增長到２０１從２００２年的１６３億元增長到２０１２年的７０８．８化元。＂十持較高的增長速度，年產(chǎn)量和銷售額的平均X棾に俁確紙縝傲校�。蛹喗z煽闖觶辰蛹良罷辰蛹際踉諼夜匾牡匚弧Ｒ虼�，本坞y∪」ひ道锍Ｓ玫謀此崠籽芯康惱辰蛹粒∪〕Ｓ們嶂什牧希擔兀兀叵倒轄鷸

本文編號：2739822