CFRP T型胶接接头胶层损伤行为仿真与实验研究

摘要

碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）T型胶接接头是一种典型的复合材料正交连接结构，用于传递正交面间的载荷，在航空航天领域已得到应用。CFRP T型胶接接头在受到面外拉伸载荷时，胶层容易产生损伤。这种损伤会降低胶接接头的连接强度，严重威胁结构安全，因而需要对胶层损伤进行检测。然而，由于对CFRP T型胶接接头胶层损伤行为缺乏研究，制约了CFRP T型胶接接头损伤检测研究的发展。因此，研究CFRP T型胶接接头胶层损伤行为对于CFRP T型胶接接头损伤检测具有重要意义。 本文采用理论仿真和实验的方法对CFRP T型胶接接头胶层损伤行为进行了研究，主要内容如下： 首先，基于复合材料力学理论分析了面外拉伸载荷下CFRP T型胶接接头的受力状态，确定了碳纤维被粘件与胶层内聚力模型的损伤判定准则。 其次，基于胶层内聚力模型建立了碳纤维复合材料T型胶接接头的有限元模型，研究了碳纤维复合材料T型胶接接头在受到面外拉伸载荷时的胶层损伤行为。研究表明：（1）加载过程中，损伤首先产生于连接蒙皮与L型板的胶层处；（2）当胶层未发生损伤时，所有胶层单元均未产生刚度退化，随着拉伸载荷的增加，胶层单元的剥离应变和剪切应变、竖板粘接区应变以及T型胶接接头位移均呈线性增大；（3）当胶层出现损伤时，损伤处的胶层单元产生刚度退化，随着拉伸载荷的增加，损伤处胶层单元的剥离应变和剪切应变的增速以及T型胶接接头位移的增速变大，而竖板粘接区应变的增速变小，直到胶层产生裂纹，此时胶层单元的剥离应变、剪切应变和竖板粘接区的应变均达到最大值。 最后，采用热压罐成型工艺和二次胶接工艺制备了CFRP T型胶接接头试验件，并对其受面外拉伸载荷时的胶层损伤行为进行了实验验证。结果表明：实验中CFRP T型胶接接头胶层损伤的产生与扩展过程、胶层损伤过程中接头位移的变化和竖板粘接区应变的变化趋势均与仿真一致。CFRP T型胶接接头的位移变化规律和竖板粘接区的应变变化规律可为其损伤检测提供依据。

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

1.3 论文主要内容

1.4 项目来源

第2章 碳纤维复合材料T型胶接接头的受力分析与损伤判定

2.1 碳纤维复合材料被粘件力学基础

2.2 面外拉伸载荷下碳纤维复合材料T型胶接接头受力分析

2.3 碳纤维复合材料T型胶接接头的损伤判定

2.4 本章小结

第3章 碳纤维复合材料T型胶接接头胶层损伤行为仿真分析

3.1 碳纤维复合材料T型胶接接头的有限元建模

3.2 加载过程中胶层的损伤产生与扩展过程分析

3.3 胶层损伤过程中胶层应变分析

3.4 胶层损伤过程中碳纤维复合材料竖板粘接区应变分析

3.5 胶层损伤过程中碳纤维复合材料T型胶接接头位移分析

3.6 本章小结

第4章 碳纤维复合材料T型胶接接头胶层损伤行为实验研究

4.1 光纤光栅传感器的传感原理

4.2 碳纤维复合材料T型胶接接头试件的制备

4.3 碳纤维复合材料T型胶接接头拉伸加载实验

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文