基于VAT技术的复合材料开孔层合板胶接补强研究

摘要

纤维变角度牵引铺缝技术（Variable Angle Tow Placement，VAT）通过控制纤维的取向实现单层内的纤维铺放角度连续变化，制备变刚度复合材料，具有提高复合材料结构性能、降低重量、节省成本等优点。目前，VAT技术已经成功应用于航空航天、交通运输、化工机械、土木建筑等领域。本文通过对比实验优选出胶接补强用胶黏剂，在国内首次开展了基于VAT技术的复合材料开孔层合板胶接补强技术研究。研究了补强片的形式、补强方式、补强片厚度和大小等因素对胶接补强性能的影响。建立有限元模型，对比分析了未补强和补强层合板的应力分布，对胶接补强层合板进行了渐进失效分析，进一步揭示了胶接补强的失效机理。本文的研究工作为复合材料的补强技术探索了新的路径，对推进VAT技术在复合材料胶接补强领域的应用具有重要意义。
　　本研究主要内容包括：⑴对比研究了AB胶、J-200、J-294和A140胶黏剂的操作使用性能，发现 J-294胶的适用期适中，固化时间较短，施胶容易，具有较好的操作使用性能。通过实验研究了四种胶黏剂的拉剪强度和胶接补强性能，J-294胶具有最高的拉剪强度和最佳补强性能，其破坏试样的失效模式和微观形貌分析与实验结果一致。⑵根据复合材料开孔层合板在单向拉伸载荷作用下的主应力分布，设计和制备了环形VAT补强片和椭圆形VAT补强片。研究了补强片形式、补强方式、补强片厚度和大小等对补强效果的影响。相对于平纹补强片，VAT补强片的连续纤维轨迹与母板主应力接近，具有更高的承载能力和更好的补强效果。实验进一步发现补强片大小存在一最佳范围，对于环形VAT补强片，补强片外半径和开孔半径的比值 R/r在2.75~3.75之间时，综合补强效果最好；对于椭圆形VAT补强片，补强片的短半轴与开孔半径的比值B/r在2.25~3.25之间时，综合补强效果最好。⑶采用ANSYS有限元软件对未补强和胶接补强层合板进行应力分析和渐进失效分析，有限元模拟分析结果与实验结果基本一致。在拉伸载荷作用下，未补强和传统平纹补强片补强的层合板，应力集中位置均在开孔两端，当采用VAT补强片补强时，补强片可以转移和分散母板孔边的集中应力，使试样具有更高的承载能力。通过失效分析发现，未补强和传统平纹补强片补强时，主要的失效形式为拉伸断裂，失效单元从开孔两端逐渐向自由边界扩展，直至整体失效。VAT补强片补强时，补强片仅有局部的基体失效，导致试样失效的主要原因是胶层失效后母板发生断裂破坏。

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第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 纤维增强树脂基复合材料

1.3 树脂基复合材料胶接补强技术

1.4 胶接补强的有限元分析

1.5 纤维变角度牵引铺缝技术

1.6 本文研究的目的和意义

1.7 本文研究的内容

第2章 复合材料胶接补强用胶黏剂的研究

2.1 实验部分

2.2 结果分析与讨论

2.3 本章小结

第3章 基于VAT技术的复合材料层合板胶接补强力学性能研究

3.1 VAT补强片纤维轨迹设计

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 基于VAT技术的复合材料层合板胶接补强有限元分析

4.1 有限元分析

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士期间发表的论文