拉伸载荷下碳纤维复合材料T型胶接接头脱粘监测研究

摘要

碳纤维复合材料T型胶接接头(CFRP T-joint)是航空复合材料整体结构的典型型式之一,用于传递垂直方向的载荷,服役过程中受到拉伸载荷的作用,最易界面产生脱粘损伤。本文从拉伸实验、主动 Lamb波监测、数值模拟三个方面,研究了拉伸载荷下 T型胶接接头(T700/QY8911)的典型损伤(脱粘)产生及扩展过程。
　　主要研究工作和结果如下:
　　(1)在拉伸实验方面,选取了压电传感器,设计了压电传感器布置方案,进行了间断加载和连续加载两步骤拉伸实验。结果表明,以沿脱粘损伤扩展方向布置压电传感器的方案,可较好的为后续脱粘损伤扩展分析打下基础;拉伸载荷12.339 kN左右时,T型接头产生目视脱粘损伤的时间间隔小于0.5 ms,水平、垂直裂纹尺寸为31.09 mm、11.34 mm。
　　(2)在主动Lamb波监测方面,分析了不同中心频率的Lamb波激励信号的对监测信号的影响,采用时域信号处理提取方法选取了信号特征参数直达波峰峰值,定义了峰值损伤因子,分析了拉伸过程中的特征参数变化与脱粘损伤、载荷变化的关系。结果表明,试件处于健康状态时,监测信号基本不变;直达波峰峰值的变化可以反映出T型接头最初的健康状态、三角填料区破坏、界面脱粘损伤扩展及完全失效这四个状态;定义的峰值损伤因子,当其首次出现大于等于10时,可用于预警接头的破坏。
　　(3)在数值模拟方面,采用数值计算的方法对碳纤维复合材料 T型接头建模,并将数值计算结果与以上两方面的实验结果对比,旁证了实验结果的正确性。采用层合板简化理论,对T型接头L型层和Skin层进行了简化;选取了胶层损伤判据二次名义应力准则;选取了填料区损伤判据Mises强度准则。结果表明,当载荷达到极限时,圆弧区附近的胶层最先发生开裂;填料区失效后,应力集中区向各层合板之间的胶层处转移;仿真结果与实验结果较为接近,变化规律相吻合,三个不同状态下(目视脱粘损伤产生前、后与最终失效)主要参数值(拉伸载荷、拉伸位移)的误差范围为0.48％~7.13%。

目录

封面

承诺书

中文摘要

英文摘要

目录

图表清单

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 复合材料整体结构的概述

1.3 复合材料整体结构中的连接型式

1.4 复合材料整体结构的损伤及检测

1.5 本文研究的主要内容

第二章 碳纤维复合材料T型胶接接头拉伸实验

2.1 复合材料T型接头实验试件、实验系统及实验标准

2.2 复合材料T型接头实验中压电元件的选取及布置

2.3 复合材料T型接头实验过程

2.4 复合材料T型接头拉伸实验结果

2.5 本章小结

第三章 碳纤维复合材料T型胶接接头的Lamb波监测及信号特征分析

3.1 Lamb波的基本理论

3.2复合材料T型接头脱粘监测中Lamb波参数选取

3.3 复合材料T型接头脱粘监测中信号特征提取和分析方法

3.4 监测信号处理及特征提取分析结果

3.5 本章小结

第四章 碳纤维复合材料T型胶接接头的渐进损伤分析

4.1 复合材料层合板特性

4.2 层合板的简化

4.3 胶层的本构模型、损伤准则、损伤退化

4.4 填料区的损伤准则

4.5 网格划分和边界条件设置

4.6 T型接头数值计算结果与监测结果的对比分析

4.7 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究工作总结

5.2 研究工作的创新及贡献

5.3 存在问题和展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文