复合材料胶接接头内部应变测量和受力分析

摘要

相对紧固件连接技术，胶接依靠粘接面传递载荷，是一种较优的复合材料连接手段。胶接接头受力模型一直是复合材料连接领域的研究热点。目前应变测量手段主要适用于材料表面应变测量，很难直接获得胶接接头内部应变对理论模型进行实验验证。设计工作基本停留在初级剪滞模型阶段，设计中通过牺牲接头重量，提高安全阈值来保证胶接安全性。此外由于缺乏监测胶接失效的有效手段，从结构安全角度考虑，不得不减少胶接技术的使用比例。因此研究接头内部应变的测量方法、建立接头受载模型、开发损伤监测手段对促进胶接技术在复合材料结构方面的应用具有重要意义。
　　 本文首先借助表面电阻应变片和内置FBG传感器测量了接头表面与内部应变。分析发现搭接板内部存在严重的次弯曲效应，数值模拟中应考虑结构几何非线性影响，传统的线弹性设计结果偏保守。然后采用有限元数值分析手段结合子模型技术分析了复合材料胶接单搭接接头在拉剪作用下的受载状态。结果表明模拟值与实验测试值基本相近，有限元分析手段可用于分析复合材料胶接接头的受载情况，搭接区剥离应力、剪应力和等效应力都在搭接末端附近达到最大值，是初始失效的易发区。
　　 在此基础上，借助子模型技术和实验手段研究了胶接参数与接头应力分布、搭接末端弯矩的关系，并考察了受载历程对接头应力分布的影响。分析表明通过端部切削、采用韧性胶粘剂、引入胶瘤均可削弱搭接末端的剥离趋势，缓解应力集中程度，提高接头承载效率;加载过程中，载荷越大，胶层发生塑性变形区域越大，应力分布趋于均匀，胶层有效受载比例越高。
　　 最后，针对胶接接头的常见脱粘失效形式，提出了一种基于应变测量的脱粘损伤监测方法。本文通过设计不同脱粘长度的单搭接试样，通过表面粘贴电阻应变片和内部埋置FBG传感器监测了拉剪作用下接头的应变分布情况。结果表明通过表面应变片可以成功监测搭接板表面最大压应变位置，通过内置FBG传感器可以监测到搭接面上最大应变梯度位置，进而得到接头内部的脱粘长度。

目录

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摘要

第1章 前言

1．1 复合材料连接技术

1．2 胶接理论及工艺

1．3 胶接接头形式及失效模式

1．4 胶接接头受力状态研究

1．4．1 胶接接头理论模型研究

1．4．2 胶接接头受力状态实验技术研究

1．5 光纤传感技术在复合材料结构中的应用

1．6 本文研究内容及意义

第2章 复合材料单搭接接头应变测试

2．1 光纤与胶接接头的相容性探讨

2．2 胶接接头应力应变测试

2．3 搭接板内应变场分析

2．4 本章小结

第3章 复合材料胶接接头受力模型

3．1 胶接接头初级数值模型

3．1．1 单元和材料参数选择

3．1．2 初级数值模型建立

3．2 有限元网格细化

3．3 接头有限元模型验证

3．4 接头模型中几何非线性的影响

3．5 搭接末端应力子模型分析

3．6 本章小结

第4章 复合材料胶接搭接参数影响研究

4．1 胶接接头搭接长度影响研究

4．1．1 搭接长度影响的数值模型分析

4．1．2 搭接长度影响的实验分析

4．2 胶接接头搭接板倒角影响研究

4．2．1 搭接板倒角影响的数值模型分析

4．2．2 搭接板倒角影响的实验分析

4．3 胶接接头胶粘剂性能影响研究

4．4 搭接末端胶瘤影响研究

4．5 接头载荷大小影响研究

4．6 本章小结

第5章 胶接接头脱粘监测技术研究

5．1 胶接接头脱粘监测原理

5．2 不同脱粘长度下接头应变分布的数值模拟

5．3 胶接接头脱粘损伤监测实验研究

5．3．1 试样制备与测试

5．3．2 实验结果与分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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