地球上日益嚴(yán)重的能源危機(jī)及環(huán)境問題,使得汽車輕量化成為汽車行業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向;而達(dá)到這一目的行之有效的方法,就是使用新型輕質(zhì)材料。復(fù)合材料以其質(zhì)輕、高比模量與比強(qiáng)度、設(shè)計(jì)便利等特性被廣泛應(yīng)用于飛行器、汽車等領(lǐng)域。膠接是解決此類材料連接問題的一種主流方法及有效手段。近年來,大量學(xué)者對如何有效提高膠接接頭力學(xué)性能提出了很多有效的方法。本文在前人研究基礎(chǔ)上,提出一種端部開槽的形式,并基于有限元模擬及試驗(yàn),對該形狀下復(fù)合材料膠接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)研究。首先,文章建立了CFRP膠接接頭的二維有限元模型,并與文獻(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及三維模型進(jìn)行了對比,驗(yàn)證了此種建模方法的實(shí)用性;其次,通過數(shù)值模擬研究了端部開槽對復(fù)合材料膠接接頭的強(qiáng)度影響,通過提取相應(yīng)膠層應(yīng)力分布來進(jìn)一步研究端部開槽的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)端部開槽時(shí)可有效降低粘接區(qū)域兩端峰值剝離應(yīng)力,接頭的承載能力也會相應(yīng)地顯著提升,且提升程度和峰值剝離應(yīng)力降低的程度存在一定對應(yīng)關(guān)系;在膠粘劑的選用上,考慮了兩種不同性質(zhì)的膠水,即脆性膠Araldite?AV138和韌性膠Araldite?2015,通過膠層損傷分析研究兩種不同膠水的失效模式;對于搭接長度的影響,文章亦進(jìn)行了相應(yīng)研究,結(jié)果表明不同搭接長度時(shí),膠層失效模式也會不同,從而相似開槽會產(chǎn)生不同的影響效果;隨后,文章基于前人提出的針對不同失效模式下的強(qiáng)度預(yù)測方法,對產(chǎn)生前述現(xiàn)象的原因進(jìn)行了定性分析;為了研究橫向彎曲載荷工況下接頭的力學(xué)性能,對膠接接頭三點(diǎn)彎模型進(jìn)行構(gòu)建并對結(jié)果進(jìn)行簡要分析;文章最后對兩種膠情況下的普通膠接單搭接接頭和端部開槽的膠接接頭進(jìn)行了試驗(yàn)研究,一方面對部分仿真的強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,另一方面也對試驗(yàn)和模擬的區(qū)別和誤差進(jìn)行了一定解釋。本文針對傳統(tǒng)單搭接膠接接頭,提出采用端部開槽的修改方式來獲得更加優(yōu)異的接頭性能,從模擬、試驗(yàn)的角度對膠接接頭性能進(jìn)行了研究,綜合考慮了膠水性質(zhì)、搭接長度等影響接頭性能的主要因素,得到了端部開槽處理對不同接頭膠接性能的影響結(jié)果,對于何時(shí)采用合理的方法來提高接頭性能,具有一定的指導(dǎo)意義,對于更加深入研究膠層失效機(jī)制,也具有一定參考價(jià)值。
【學(xué)位單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG49
【部分圖文】：

連接問題在很大程度上影響了結(jié)構(gòu)的完整性及結(jié)構(gòu)失效模式[11]，因此科研人員越來越多的把研究重點(diǎn)放在連接失效分析上。復(fù)合材料主流連接方式包括機(jī)械連接、膠接以及混合連接等[12]，圖 1.1 給出了車身中連接方式的示例及膠接應(yīng)用的部位示例。膠接也稱為粘接，是指利用合適的膠粘劑并且選取適當(dāng)?shù)慕宇^形式和科學(xué)的粘接工藝將兩個(gè)或多個(gè)構(gòu)件進(jìn)行粘接的技術(shù)，通常要經(jīng)過一定時(shí)間、特定溫度的固化，它是一門多個(gè)學(xué)科相互交叉的新學(xué)科[13]. 該技術(shù)可以作用于各種材料（包括金屬金屬之間，金屬與復(fù)合材料之間等）的連接。相比較傳統(tǒng)機(jī)械連接而言，膠接無需在層合板上鉆孔，因此不會提前破壞碳纖維影響結(jié)構(gòu)性能；此外，膠接還具備結(jié)構(gòu)輕、可方便連接異種材料、應(yīng)力集中程度低、結(jié)構(gòu)完整性好、連接效率高、疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)其抗剝離能力低、不可拆卸、易受環(huán)境影響，難以檢測和保證質(zhì)量等缺點(diǎn)[14-17]同樣也制約著膠接技術(shù)的發(fā)展，因此應(yīng)用主要局限于次要結(jié)構(gòu)。

碩士學(xué)位論文對單搭接接頭影響進(jìn)行過研究，并得出類似結(jié)論；游敏等人[64]對內(nèi)斜削接膠接接頭的力學(xué)性能通過模擬及試驗(yàn)研究，得出接頭強(qiáng)度關(guān)于斜削尺規(guī)律，研究表明斜削角度為 30 度時(shí)接頭承載能力較強(qiáng)；R.H.Kaye 等人削搭接板相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，該方法得到的接頭形狀對于降低膠層峰值高接頭承載能力效果明顯；典型外斜削、內(nèi)斜削形狀如圖 1.2；WY Chua研究了采用搭接板端部作階梯狀開槽處理的復(fù)合材料雙搭接接頭的力學(xué)傳統(tǒng)雙搭接接頭相比，搭接端部膠層的最大剪切應(yīng)力和剝離應(yīng)力均明顯頭靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度均有明顯提升，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果取得較好的 al k A[67]對六種不同端部形狀的單搭接接頭強(qiáng)度及應(yīng)力分布進(jìn)行研究得出了每種形狀的影響。

（e）輕微纖維撕裂 （f）被膠接件拉伸（或彎曲）圖 2.1 ASTM D5573 定義的膠接連接六種基本失效模式在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中，拉伸載荷作用下的單搭接膠接連接接頭主要有基本破壞模式[16]，即被膠接件斷裂、被膠接件剝離破壞、膠層剪切破壞離破壞，如圖 2.2 所示。其中，剝離破壞往往發(fā)生在層合板臨近粘接面，這種破壞模式一般發(fā)生于膠層強(qiáng)度大于被膠接物強(qiáng)度的情況；膠層剪常發(fā)生在連接端部，即應(yīng)力值較大的區(qū)域，這類失效往往在早期膠粘劑時(shí)出現(xiàn)，因?yàn)榍捌谀z水剪切強(qiáng)度較低，但是隨著膠的改進(jìn)，剪切失效已見，常見的是膠層與被搭接件膠接界面的粘聚力失效或剝離失效。a）被膠接件拉伸（或拉彎）破壞 （b）被膠接件剝離破壞

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本文編號：2817999