损伤复合材料层板胶接修理强度分析

对于飞行器复合材料结构在制造和服役中产生的缺陷损伤,一种常用的外场临时修理方法是在受损结构的外表面胶接复合材料补片来进行补强。本文采用“双板—弹簧元”和“三板—弹簧元”修正有限元模型分别对层合板的穿透型损伤和半穿透型损伤的临时修理进行强度分析,并进行了相关的强度试验验证。根据计算和试验结果对补片直径、厚度等修理参数对修理效果的影响进行了分析,并提出了合理选择修理参数的一般原则。     

损伤复合材料层板胶接修理试验研究

胶接修理是弥补复合材料结构在制造和服役过程中产生的损伤与缺陷的主要方法之一。文中通过强度试验研究在复合材料层板外表面粘接复合材料补片这种临时修理方法的实际效果，并讨论主要修理参数——补片直径、厚度、铺排方式的影响。     

损伤复合材料层板胶接修理的优化设计

针对复合材料单面胶接修理结构建立力学分析模型,并通过试验验证模型的可靠性.利用该模型分析补片参数对胶接修理效果的影响,得到优化设计的补片参数.计算分析和验证试验均表明,补片直径为孔径的2～3倍、厚度为孔深的45%～60%、铺排和母板一致时,修理结构的强度恢复能达到最大值.     

补片形状和尺寸对复合材料胶接修补的影响

与传统的机械修补技术相比,复合材料胶接修补具有结构增重小、可设计性强、成形简单和成本低等明显的优点。因此,复合材料胶接修补技术已成功地应用于一些军用和民用飞机的受损结构。借助于ANSYS软件,以三维逐渐损伤理论为依据,分别建立含不同形状补片的复合材料胶接修补模型,其中母板和补片采用正交各向异性损伤模型,胶层采用各向同性损伤模型。在单向拉伸载荷作用下,同时考虑层合板和胶层的损伤形式和扩展趋势,确定层合板的最终失效载荷,并与已有文献进行对比,验证模型的正确性。损伤模型计算结果表明,补片的形状和尺寸均是胶接修补的重要设计参数,其对层合板的最终失效载荷影响显著。斜放的方形补片的修补效果较佳,当对方形补片进行圆角化处理时,受损层合板的拉伸承载能力得到提高。     

复合材料胶铆混合修理的拉伸性能研究

为研究不同修理方法以及不同损伤尺寸对复合材料层合板拉伸性能的影响,针对复合材料飞机蒙皮,设计了无损板、60 mm与30 mm损伤孔径的胶接修理板和胶铆混合修理板五组试验件,并对这五组结构件进行静强度拉伸试验及失效机理分析.建立试验件的三维有限元仿真模型,分析无损板和四组修理件的破坏强度、破坏模式、应力分布、应力大小和危险部位.结果证明,胶铆混合修理可以改变复合材料修理结构件的应力分布,并有效降低危险部位的应力集中,改善结构的强度恢复率.     

不同胶接参数对CFRP层合板单搭胶接结构强度的影响及优化设计

对于碳纤维增强基复合材料(Carbon fibre-reinforced polymer,CFRP)层合板单搭胶接结构的优化问题,首先利用连续损伤力学模型、三维Hashin准则和内聚力模型研究不同胶接参数对CFRP层压板单搭胶接结构力学性能的影响,其次采用拉丁超立方试验设计方法和响应面法构建了拉伸强度代理模型,最后基于遗传算法和代理模型进行联合优化.结果 表明,仿真与试验吻合较好,数值结果与试验结果的误差均低于10％,验证了有限元模型的精确性.随着搭接长度的增大,拉伸强度和层合板层间分层损伤程度逐渐增大,剪切强度和胶层自身剪切失效程度逐渐减小;胶接结构的力学性能及失效形式随着铺层方式的不同而改变.最佳铺层顺序、胶接长度、胶层厚度和搭接宽度分别为[03/903]2s、20 mm、0.0607 mm和10 mm.与常规单搭胶接结构相比,拉伸强度和剪切强度分别提高了25.92％和25.88％.采用遗传算法对CFRP层合板单搭胶接结构进行优化,对提高单搭接接头的力学性能具有重要意义.     

复合材料修理参数对胶接层剪切应力影响规律的研究

复合材料胶接修理结构中,胶层起着传递载荷的作用,其应力状态对于修理效果有重要影响。本文中得到了修理结构中胶层的应力分布的解析解,与有限元数值结果吻合较好,表明该解析解合理有效。基于该解析解分析了胶层中的应力分布随修理参数的变化,结果表明:增加补片长度和厚度可以降低胶层中的剪应力,但是两者都有临界值,超过临界值后剪应力降低的趋势减缓;胶层中的剪应力随着胶层的厚度增加而减小,随着剪切模量的增加而增大。     

损伤复合材料胶接修理后承载能力的有限元分析

对复合材料损伤构件进行胶接修理,在MTS试验机上进行拉伸试验,记录不同修理方式下,修理构件能够承受的最大载荷;用Abaqus有限元软件对修理后构件进行强度仿真,计算损伤修理构件的最大承载能力,并与试验数据进行对比。结果表明:有限元分析结果与试验结果吻合较好,误差小于10%,证明有限元模型的建立及计算方法符合工程实际要求;最佳的修补参数为复合材料修理补片纤维方向与母板纤维方向成0°/90°,补片大小为损伤面积的2～3倍,补片厚度为损伤深度的0.6～0.75倍。     

真空辅助湿法斜接型挖补修理后层合板拉伸性能研究

对真空辅助玻璃纤维增强复合材料斜接型挖补修理后结构进行了拉伸强度试验研究,获得了修理后结构最终破坏模式。分别建立了挖补修理结构中母板与补片三维有限元模型,采用了各向异性连续损伤力学模型模拟了母板与补片复合材料单向带失效模式,假定母板与补片通过黏性力接触,在真空辅助湿法挖补修理形成的无厚度二次固化界面处定义了接触面, 采用指数型软化cohesive模型模拟了界面接触属性。试验结果与数值模拟结果吻合较好,表明所采用的模型能很好地预测整个修理结构的拉伸性能。分析了整个拉伸过程中层合板斜接挖补修理结构的损伤破坏过程,发现了附加补片引起的应力集中是造成母板中薄弱层过早损伤的原因。讨论了不同斜接挖补角度对修理后结构强度的影响,结论可以引导工艺人员制订合理的修补方案。     

胶层缺陷对胶接-拉铆搭接剪切接头力学性能影响研究

近年来胶接-拉铆技术在载运工具和航空航天等领域得到了广泛应用,而大型结构连接部件的制备过程会不可避免地在胶层内部产生局部缺陷,进而影响接头服役性能。以胶接-拉铆单/双搭接接头为研究对象,通过在胶层区域设置不同形式的人工缺陷,模拟胶层制备过程中产生的胶层内部缺陷,研究其对胶铆接头搭接剪切力学性能的影响规律。以6061-T6铝合金为基底制备胶接-拉铆接头试件,考虑单、双搭接试件形式,胶层内部预先放置不同厚度、面积、形状、位置的聚四氟乙烯缺陷片,对固化后的接头进行准静态拉伸破坏试验,并采用宏观观测和扫描电镜分析胶层失效表面宏观和微观样貌,从而对胶层内部缺陷对其失效模式影响机理进行评价。试验结果表明,接头主要失效模式为内聚失效,胶层中缺陷的位置、面积、厚度会对接头失效载荷以及失效强度产生不同程度影响,而缺陷的形状对接头力学性能影响不大。无缺陷的双搭接试件胶层失效载荷是单搭接试件1.62倍,单搭接试件胶层失效强度是双搭接试件1.24倍。有圆形缺陷的双搭接试件失效载荷是单搭接试件2倍,而失效强度没有受较大影响。基于现有试验结果,可以为实际结构设计中含胶层缺陷胶铆复合接头失效强度提供有效评估方法。     

Investigation on overlap joining of AZ61 magnesium alloy: laser welding, adhesive bonding, and laser weld bonding

This paper presents the research on weldability of magnesium alloy AZ61 sheets by overlap laser welding, adhesive bonding, and laser seam weld bonding processes. Microstructures and mechanical properties of the joints are investigated. In overlap laser welding, the joint fractures at the interface between the sheets and maximum shear strength can reach 85% of that of the base metal. Off-center moment during tensile shear test can lead to the strength loss, while the weld edge can also influence the strength as a cracking source. Adhesive bonded joint can offer high tensile shear failure force but low peel strength. Laser weld bonded joint offers higher tensile shear failure force than either laser welded joint or adhesive bonded joint does, and the improved failure load is due to combined contribution of the weld seam and the adhesive. The weld seam can block the adhesive crack propagation, and the adhesive improves the stress distribution, so they can offer a synergistic effect.     

搭接长度对胶接接头工作应力分布影响的数值分析

运用弹塑性有限元法对单搭接金属胶接接头承载后的应力分布特征进行分析，重点研究搭接长度对分别采用酚醛树脂和丙烯酸酯制备的接头应力分布和接头强度的影响。结果表明，胶粘剂的性能对应力分布有较大影响，酚醛树脂胶粘剂制备的接头中胶瘤承担了相当多的载荷，且随搭接长度的增加,von Mises等效应力峰值和剪切应力峰值均趋于向胶层内转移，胶层中各部位的应力亦均有下降；当采用丙烯酸酯胶制备的接头时，胶瘤承载作用并不明显，其应力峰值出现在胶层中被粘物拐角处。     

7075/6009铝合金层状复合板材的固溶时效热处理工艺

对7075/6009铝合金层状复合板材进行了不同的固溶时效处理,优化得到了该复合板最佳的热处理工艺,并对热处理后复合板的力学性能和拉伸断口进行了分析。结果表明:该复合板最佳的热处理工艺为485℃×30min水淬+175℃×8h炉冷,其抗拉强度为404MPa,屈服强度为364MPa,伸长率为15.3%;外层6009铝合金的拉伸断口上分布着大量韧窝,内外层合金间实现了良好的冶金结合。     

碳纳米管增强聚合物复合材料的界面脱黏及应力分布

碳纳米管和复合材料基体间的界面力学行为是影响复合材料宏观力学性能的重要因素,为此本文利用有限单元法对单壁碳纳米管增强聚合物复合材料的界面脱黏、切应力分布及拔出载荷进行了数值模拟。建立了一个轴对称三圆柱壳模型,引入ABAQUS中的Cohesive单元模拟了单壁碳纳米管和聚合物基体之间的界面层,分析了单壁碳纳米管的长细比、界面强度以及热残余应力等因素对碳纳米管与聚合物基体间的界面切应力以及拔出载荷的影响。模拟结果表明：当单壁碳纳米管的长度变化为50~100 nm、与基体之间的界面强度为50~100 MPa、环境温度变化为100℃ 时,碳纳米管的长细比、界面强度以及由于热失配所引起的残余应力对单壁碳纳米管与聚合物基体间的界面切应力以及拔出载荷有着显著的影响。     

轴向拉力对铝合金拉拔式摩擦塞焊接头组织及力学性能的影响

拉拔式摩擦塞补焊是一种固相连接技术,具有接头强度高,焊后残余应力和变形小等优点,在航天领域具有潜在的应用前景。研究轴向拉力对2A70铝合金拉拔式摩擦塞焊焊接成形及接头性能的影响,并分析焊接缺陷、微观组织及断口形貌特征。结果表明,轴向拉力在20~30 kN范围内能够得到良好的焊缝成形;轴向拉力为20 kN时,结合界面存在未焊合缺陷;轴向拉力提高至22 kN及以上,未焊合缺陷完全消除;轴向拉力提高至28~30 kN时,塞棒与母材形成完好的冶金结合,焊接接头的抗拉强度可达到376 MPa,接头系数为83.6%。当轴向拉力较低时（22~25 kN）,结合界面上易出现弱结合缺陷,微观特征为沿结合界面断续分布的微孔,可导致接头抗拉强度和断后伸长率下降;焊接接头中,塞棒侧热影响区硬度值最低,分析表明该区域的晶粒形态和尺寸未发生明显变化,但θ'相部分溶解,θ相发生粗化,导致局部强度下降;断口形貌显示,在优化参数下断口呈现韧性特征。研究结果可为铝合金拉拔式摩擦塞补焊工艺及机理分析提供借鉴和参考价值。     

超声波电动机胶粘技术及其对定子特性的影响

针对行波型超声波电动机定子压电陶瓷(Piezoelectric,PZT)的胶粘问题,通过对定子的机电耦合效应有限元动力学模型的分析与计算,研究了胶粘层材料特性、厚度对超声波电动机定子振动特性的影响。重点分析不同激励条件下定子边缘缺胶和夹有气泡对胶层的抗剪切能力和定子振动特性的影响;分别从改进电动机定子结构和PZT粘结工艺方面探讨了提高胶粘层抗剪切能力的措施,确定了胶层最佳参数和电动机定子胶粘工艺及结构优化设计思想。结果表明：胶层厚度对电动机定子频率影响不大,但对其振动特性的影响较大,在保证可靠的粘结强度下降低胶层厚度有利于提高电动机性能。基于该工艺和设计思想研制的直径80 mm行波型超声波电动机性能稳定,堵转力矩达到1.2 N·m,空载转速80 r/min,研究结果有助于超声波电动机的产业化。     

格构增强型复合材料板材设计与试验研究

复合材料板材有质量轻和结构强的特点,可用于活动房、方舱和厢式车辆,替代传统的铝合金面层及金属骨架的板材。本文设计了一种格构增强型复合材料夹层结构板材,芯材为硬质聚氨酯泡沫,面层为玻璃纤维/不饱和聚酯树脂复合材料,采用整体模压共固化成型工艺。该板材经过拉伸强度、拉伸模量、拉伸延伸率、线膨胀系数、氧指数及其在规定的高、低温条件下的相关力学性能试验表明,保温隔热性能、力学性能和构造要求满足相关应用要求。     

板材粘性介质压力成形粘性附着力影响因素试验研究

针对粘性介质压力成形过程是粘性介质与板材耦合的变形过程,不易确定板材在粘着应力作用下变形行为的情况,自行设计了粘性附着力拉伸试验装置,将粘着应力作为板材拉伸力,直接测量粘着应力对板材变形的作用。采用聚甲基乙烯基聚合物作为成形传力介质,初步研究了粘性附着力拉伸过程板材受到的粘性介质粘性附着力对板材变形的影响以及粘性附着力的影响因素。试验结果表明,增大板材表面压力差、提高粘性介质流动速度及提高粘性介质压力有利于提高粘性附着力的作用。研究结果可为合理利用粘性附着应力作用,提高板材成形性提供理论基础。     

低碳钢焊缝金属强度组配对焊接残余应力分布的影响规律

采用热弹塑性有限元方法,对平板对接接头中焊缝金属强度组配对焊接残余应力分布的影响进行了研究。结果表明,对于高组配接头,纵向残余应力的峰值接近焊缝金属的屈服极限,出现在焊缝中心。对于低组配接头,纵向残余应力的峰值接近母材的屈服极限,并发生在焊缝附近。随着对含有残余应力的接头施加外载,焊缝金属强度组配对纵向应力分布的影响依然存在,但残余应力的影响在减小。对承受外载的焊接接头,逐步卸除外载后,焊缝横截面     

压力注胶对硅烷接枝Ni/CFRP粘接的影响

针对复合材料(Carbon fibre reinforced plastics, CFRP)叶片镍包边粘接强度不足,稳定性不高的问题,提出压力注胶强化KH550接枝Ni/CFRP粘接方法。通过气缸压力推动注胶活塞,将胶粘剂注入密封处理后的待粘接区域,完成充填后在压力作用下实现初步固化粘合,以增强Ni/CFRP的粘接性能。通过单搭接剪切试验测试试样剪切强度,利用扫描电子显微镜(Scanning electronmicroscope,SEM)、X射线能谱(X-rayenergyspectroscopy,EDS)和傅里叶红外光谱(Fouriertransforminfrared spectroscopy, FTIR)表征镍板表面和粘接界面的形貌变化和化学成分变化,采用分子动力学方法分析压力作用对粘接界面分子间化学反应的影响。结果表明,1%KH550接枝处理可提高Ni/CFRP粘接试样剪切强度15.7%,压力注胶工艺可进一步提升剪切强度4.8%,提升粘接稳定性29.3%。压力作用有效减少气泡、胶层裂纹的产生,促进胶粘剂微结构渗透,减小界面处胶粘剂/偶联剂分子距离,增强界面相互作用,同时促进胶粘...