含低速冲击损伤CFRP单搭接胶接接头剩余强度研究

摘要

随着国家节能减排政策的不断加严，轻量化技术受到了越来越多的关注。碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）具有质量轻、强度高、可设计性好等优异性能，在汽车和飞行器轻量化设计上有广泛的应用前景。 胶接接头是汽车和飞行器CFRP结构的核心部分，在制造、使用、维修过程中，CFRP胶接接头不可避免地要受到低速冲击作用，导致多种损伤的产生，严重影响了CFRP胶接接头的剩余强度和使用寿命。因此，研究CFRP胶接接头的低速冲击响应及损伤特性，以及含低速冲击损伤CFRP胶接接头的剩余强度，对CFRP胶接结构的损伤容限设计具有重要意义。 本文以CFRP单搭接胶接接头为研究对象，采用理论仿真与试验的方法对其低速冲击响应和剩余强度进行了研究，主要研究内容如下： 基于复合材料力学及损伤力学，分别介绍了CFRP单搭接胶接接头低速冲击和剩余强度的累积损伤模型，确定了CFRP层合板和胶层各自对应的材料失效准则和材料性能退化方案，建立了CFRP单搭接胶接接头低速冲击及冲击后剩余强度的全程分析方法。 在ABAQUS中建立了CFRP单搭接胶接接头的低速冲击仿真模型，研究了冲击能量对CFRP单搭接胶接接头冲击响应参数和冲击损伤参数的影响。结果表明：（1）0.17焦是搭接长度为20mm的CFRP单搭接胶接接头出现第一次损伤的冲击能量阈值；（2）随冲击能量增加，分层面积和凹坑深度都会增加。当冲击能量超过4焦后，搭接长度为20mm的CFRP单搭接胶接接头会有部分胶层出现完全失效，分层面积的增加速度减缓，凹坑深度的增加速度加快。 使用ABAQUS中的数据传递模块，将低速冲击损伤导入到无损CFRP单搭接胶接接头的有限元模型中，预测了含低速冲击损伤CFRP单搭接胶接接头的剩余强度，并研究了冲击能量、搭接长度对CFRP单搭接胶接接头剩余强度的影响。结果表明：（1）超过20mm后，搭接长度对无损CFRP单搭接胶接接头强度的影响不明显；（2）只有当冲击能量超过4焦时，低速冲击才会引起CFRP单搭接胶接接头剩余强度大幅度下降；（3）搭接长度超过30mm后，CFRP单搭接胶接接头的损伤容限性能不再随搭接长度的增加而增强。 制作了搭接长度不同的CFRP单搭接胶接接头试验件，分别进行了无损CFRP单搭接胶接接头的强度试验，低速冲击试验和含低速冲击损伤CFRP单搭接胶接接头的剩余强度试验。试验结果与仿真分析结果吻合度较好，验证了仿真得到的冲击能量、搭接长度对含低速冲击损伤CFRP单搭接胶接接头剩余强度的影响规律是可靠的和正确的。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 复合材料胶接接头基础理论研究

1.2.2 复合材料胶接接头低速冲击研究

1.2.3 复合材料胶接接头剩余强度研究

1.2.4 国内外研究存在的问题

1.3 本文研究内容

1.4 项目来源

第2章 CFRP单搭接胶接接头低速冲击与剩余强度分析方法

2.1 引言

2.2 CFRP单搭接胶接接头低速冲击分析方法

2.2.1 CFRP层合板面内累积损伤模型

2.2.2 CFRP层合板层间累积损伤模型

2.2.3 胶层内聚力模型

2.3 CFRP单搭接胶接接头剩余强度分析方法

2.3.1 拉伸载荷下CFRP单搭接胶接接头应力分析

2.3.2 CFRP单搭接胶接接头强度预测方法

2.3.3 CFRP单搭接胶接接头剩余强度分析模型

2.4 CFRP单搭接胶接接头低速冲击与剩余强度分析流程

2.5 本章小结

第3章 CFRP单搭接胶接接头低速冲击仿真研究

3.1 引言

3.2 CFRP单搭接胶接接头低速冲击仿真分析基础及流程

3.2.1 冲击动力学原理

3.2.2 动力学显式有限元方法

3.2.3 仿真分析流程

3.3 CFRP单搭接胶接接头低速冲击仿真模型

3.3.1 几何模型

3.3.2 材料属性

3.3.3 接触属性

3.3.4 约束与载荷施加

3.4 CFRP单搭接胶接接头低速冲击仿真分析结果

3.4.1 冲击响应参数

3.4.2 冲击损伤参数

3.5 本章小结

第4 章 CFRP单搭接胶接接头剩余强度仿真研究

4.1 引言

4.2 CFRP单搭接胶接接头剩余强度仿真模型

4.2.1 准静态分析

4.2.2 有限元模型

4.3 无损CFRP单搭接胶接接头强度仿真分析

4.4 含低速冲击损伤CFRP单搭接胶接接头剩余强度仿真

4.4.1 剩余强度仿真分析流程

4.4.2 冲击能量对剩余强度的影响

4.4.3 搭接长度对剩余强度的影响

4.5 本章小结

第5章 CFRP单搭接胶接接头低速冲击与剩余强度试验研究

5.1 CFRP单搭接胶接接头试验件的制作

5.1.1 CFRP被粘件及垫板的制作

5.1.2 CFRP单搭接胶接接头的胶接工艺

5.2 无损CFRP单搭接胶接接头强度试验

5.2.1 试验过程

5.2.2 试验结果

5.3 低速冲击试验

5.3.1 试验过程

5.3.2 试验结果

5.4 含低速冲击损伤CFRP单搭接胶接接头剩余强度试验

5.4.1 不同冲击能量下的试验结果

5.4.2 不同搭接长度下的试验结果

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文