金属夹层对自冲铆接头强度和失效形式的影响

基于自冲铆技术,分别制备了铝-铝(A0)、铝-泡沫铁镍夹层-铝(A1)和铝-涂胶泡沫铁镍夹层-铝(A2)的3种自冲铆接头。为研究泡沫金属夹层以及涂胶泡沫金属夹层对自冲铆接头强度及失效形式的影响,通过力学试验测试接头静力学性能,从宏观角度分析接头失效形式,并采用扫描电子显微镜(SEM)对接头失效断口进行微观分析。研究表明:泡沫铁镍金属夹层和涂胶泡沫铁镍金属夹层可有效提高接头静失效载荷,但接头能量吸收值呈下降趋势,A0组接头最大平均失效载荷为3586 N,能量吸收值为11.779 J,A1组和A2组接头静失效载荷比A0组分别提高了9.9%和30%,能量吸收值比A0组分别降低了0.9%和7.2%;3组接头均为拉脱失效,且上板搭接区均出现不同程度的曲翘,A0组接头铆钉从下板拉脱,而A1和A2组接头下板底部与铆钉一并从下板拉脱;3组接头失效模式微观特征为:铆钉腿与铆接孔一侧发生剧烈摩擦和挤压,最终铆钉在拉剪载荷下完全从下板拉脱。     

粘接剂对1420铝锂合金压印接头疲劳性能的影响

压印连接以高效率、低能耗的优点在薄板材料连接中被广泛应用,但其连接强度相对较低,鉴于此,压印-粘接复合连接应运而生。本文以1420铝锂合金为原材料,制备了1420同种材料组合的压印接头及压印-粘接复合接头并进行对比。通过拉-剪静态力学试验测定两种接头的静力学强度及承载能力,通过拉-拉动态疲劳试验测定两种接头的动态疲劳性能,采用三参数法拟合疲劳寿命曲线,并对疲劳失效断口进行分析。结果表明:压-粘接头的静强度比压印接头提高了108.17%,接头承载能力提高169.63%。在短寿命区,两种接头均为颈部断裂失效;在中长疲劳寿命区,压-粘接头的疲劳寿命优于压印接头,压-粘接头疲劳断裂位置为压印点,压印接头疲劳断裂位置为下板。对疲劳断口进行SEM分析,发现两组疲劳断口均呈现韧性断裂与脆性断裂同时出现的特征。     

基于响应面法的自冲铆-粘接复合接头强度预测

为建立可快速预测铆接参数对自冲铆-粘接复合接头力学性能影响的模型,基于响应面法对AA5182、AA5052和AL1420三种铝合金板材开展了自冲铆-粘接复合连接工艺实验研究。以板材硬度、胶层厚度及刺穿压强为自变量,失效载荷值和能量吸收值为响应值,建立各因素与优化目标的响应面回归模型,并通过实验验证模型的可靠性。研究结果表明：该回归模型预测结果值与实验结果误差小于10%,即模型显著性较高,可用来预测自冲铆-粘接复合接头的静力学性能。在单因素作用下,失效载荷值受各因素影响顺序为：板材硬度>刺穿压强>胶层厚度,各因素对能量吸收值影响情况为：板材硬度>胶层厚度>刺穿压强。板材硬度对失效载荷值与能量吸收值的影响最为显著,并且随板材硬度的增加,两者皆呈先增加后减小的变化趋势。在交互作用下,板材硬度和胶层厚度对失效载荷值影响最大,刺穿压强与胶层厚度对能量吸收值影响最显著。通过对模型预测结果分析可得：在确保接头质量的情况下,适当增大刺穿压强可有效提高接头能量吸收值。使用粘接剂时,胶层厚度须控制在0.5～0.9 mm才能与其余两因素相互配合,达到最好的铆接效果。     

粘接剂对压印连接强度的影响及数理统计分析

作为替代连接技术,压印和粘接表现出独特的优势。以压印和压印-粘接复合接头为对象,采用数理统计分析检验试验数据的合理性,进而对比不同材料组合及连接方式来分析粘接剂对压印连接接头强度的影响。试验表明,压印连接的剪切强度比剥离强度高,异种材料组合、压印-粘接复合能获得更有效的连接结构;胶层厚度为0.1mm时获得较好效果。     

局部热处理对不同模具压印接头静力性能影响分析

首先对同种基板不同压印模具的压印连接接头进行局部热处理,然后再进行拉剪试验,研究局部热处理对不同模具压印连接接头的抗拉强度、失效位移、能量吸收能力以及失效模式的影响。结果表明:局部热处理对方形与圆形模具压印连接接头的抗拉强度均有提升作用;对方形模具的失效位移有增大作用,对圆形模具失效位移有减小作用;对能量吸收能力均有提高作用。失效模式也受到局部热处理影响,方模与圆模压印接头经局部热处理后颈部被撕裂程度都增大,其中圆模压印接头经热处理后失效模式由内锁拉脱失效变为颈部断裂失效。     

泡沫金属夹层板自冲铆接头的疲劳性能及失效机理

对铝合金自冲铆接头及泡沫金属夹层结构自冲铆接头进行疲劳实验,通过三参数经验公式采用S-N曲线拟合法绘制接头的F-N曲线,分析接头的疲劳寿命及泡沫金属夹层对自冲铆接头疲劳性能的影响;采用扫描电子显微镜对接头的疲劳失效断口进行观测,分析其微观失效机理。结果表明:泡沫金属夹层缩短了自冲铆接头的疲劳寿命,不同泡沫金属夹层对自冲铆接头疲劳性能的影响具有差异性,在高疲劳载荷下泡沫铜夹层接头疲劳性能更优。三组接头疲劳失效形式都为下板断裂,在高疲劳载荷下裂纹易在铆扣区域萌生,在中低疲劳载荷下裂纹萌生于下板一侧,沿铆扣区域下侧向板材另一侧扩展。     

钛合金压印接头热处理前后静态失效机理分析

对钛合金进行压印连接,将得到的压印接头分成3部分,一部分不予处理,一部分进行整体淬火处理,一部分进行整体退火处理,再将热处理前后的接头进行静态力学实验,并运用扫描电子显微镜对接头拉伸断口进行微观分析。结果表明,未处理的钛合金压印接头静拉伸失效载荷为4567.22 N,变形位移为1.19 mm;淬火处理的钛合金压印接头载荷和位移值均大幅度降低;退火处理的钛合金压印接头失效载荷降低了10.9%,变形位移比未处理的接头增加了7.6%。3种接头失效模式均为颈部断裂失效,从微观角度分析可知钛合金压印接头断口呈现韧窝形貌和少量解理特征,主要为韧性断裂;钛合金压印接头淬火后断口出现准解理特性和滑移特征,为脆性断裂;钛合金压印接头退火后断口呈现准解理和均匀的韧窝特征,主要为韧脆混合断口。     

泡沫铝夹层结构复合材料低速冲击性能

以泡沫铝为夹芯材料,玄武岩纤维(BF)和超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)复合材料为面板,制备夹层结构复合材料。研究纤维类型、铺层结构和芯材厚度对泡沫铝夹层结构复合材料冲击性能和损伤模式的影响规律,并与铝蜂窝夹层结构复合材料性能进行对比分析。结果表明:BF/泡沫铝夹层结构比UHMWPE/泡沫铝夹层结构具有更大的冲击破坏载荷,但冲击位移和吸收能量较小。BF和UHMWPE两种纤维的分层混杂设计比叠加混杂具有更高的冲击破坏载荷和吸收能量。随着泡沫铝厚度的增加,夹层结构复合材料的冲击破坏载荷降低,破坏吸收能量增大。泡沫铝夹层结构比铝蜂窝夹层结构具有更高的冲击破坏载荷,但冲击破坏吸收能量较小;泡沫铝芯材以冲击部位的碎裂为主要失效形式,铝蜂窝芯材整体压缩破坏明显。     

钛合金压印接头疲劳性能与微观分析

压印连接是近年来新兴的连接方式,因其具有简单高效、低耗环保等优点,在连接应用方面越来越受到重视,而疲劳破坏是机械零件失效的主要形式。对钛合金压印接头的疲劳性能进行了实验研究,与母材的力学性能进行了对比分析,并对疲劳失效断口进行了断口分析和能谱分析。实验结果显示钛合金压印接头的平均拉伸-剪切强度约为同等尺寸材料拉伸-剪切强度的36.7%;钛合金压印接头的疲劳极限约为材料疲劳极限的46%,平均载荷约为接头最大静强度的42%。微观特征显示断口呈脆性疲劳断裂特征,由于微动磨损和氧化作用产生了成分为氧化钛的微动磨屑,且其硬度较高,因此在微动过程中起到磨粒的作用,从而加速了磨损和裂纹扩展,最终导致疲劳失效。     

服役低温老化对铝合金-玄武岩纤维增强树脂复合材料粘接接头力学性能的影响及失效预测

为了给铝合金-玄武岩纤维增强树脂(BFRP)复合材料粘接结构在汽车工业中的应用提供参考和指导,加工了铝合金-BFRP复合材料粘接接头。结合汽车服役中的温度区间,选取?10℃和?40℃的低温老化环境,对接头进行0、10、20、30天的老化。对老化后的粘接接头进行准静态拉伸试验和剪切试验,得到不同老化时间下铝合金-BFRP粘接接头的准静态失效强度。结合DSC和FTIR分析低温老化对BFRP复合材料的影响,并对粘接接头的失效断面进行宏观分析和SEM分析。结果表明:在低温老化环境中,胶粘剂与BFRP复合材料的化学性质受低温老化作用影响不大,BFRP中的官能团与玻璃化转变温度(T_g)没有发生明显的变化,接头的失效强度和失效模式主要受胶粘剂与粘接基材的热应力影响。对于拉伸接头,随着低温老化时间的增加,BFRP复合材料纤维与树脂基体间的结合力降低,铝合金-BFRP复合材料接头的失效断面中纤维撕裂的比例逐渐减少,拉伸接头失效强度逐渐下降。老化后剪切接头仍为内聚失效,BFRP复合材料的低温老化对铝合金-BFRP复合材料剪切接头的失效强度几乎没有影响,剪切接头失效强度的下降主要是胶粘剂与粘接基材热膨胀系数不一致引起的热应力的影响。采用二次应力准则公式对?10℃和?40℃低温环境下,拉应力、剪应力值随老化时间的变化规律进行了拟合,在此失效准则的基础上,根据响应面原理,建立接头失效强度随老化时间变化的三维曲面,为粘接技术在车身结构中的工程应用提供参考。      

缝纫泡沫夹芯复合材料细观纤维柱破坏行为

缝纫泡沫夹芯复合材料中的纤维柱在拔出过程中的破坏行为复杂导致结构承载性能难以预测。采用真空辅助树脂注射(VARI)工艺制备了缝纫泡沫夹芯复合材料,并使用层间拉伸试验(ITT)研究了缝纫泡沫夹芯复合材料中含有单根缝线纤维柱细观试件的破坏过程。讨论了不同破坏现象对缝线纤维柱拔出摩擦过程的影响,并分析了缝纫泡沫夹芯复合材料的破坏模式。分析了缝线粗细的变化对试件破坏过程中关键的力、位移等参数及能量吸收性能的影响。研究了由于成型工艺所导致的缺胶现象对缝纫泡沫夹芯复合材料性能的影响。结果表明:缝纫泡沫夹芯复合材料的能量吸收性能、关键位移参数及最大载荷都随着缝线变粗而增大。但是缝纫泡沫夹芯复合材料的破坏模式对其也有一定的影响,导致了变化趋势的波动;缺胶缝纫泡沫夹芯复合材料由于缺陷的存在,最大破坏载荷和能量吸收性能均有所下降。     

AA5052薄板磁脉冲胶焊复合接头动态力学性能研究

目的 研究AA5052铝合金薄板在高速冲击载荷下的磁脉冲胶焊复合接头的动态力学性能,探究不同载荷速率对该胶焊复合接头力学和失效行为的影响规律.方法 利用磁脉冲焊接系统成功制备了胶焊复合连接试件.采用万能拉伸试验机、高速拉伸试验系统,结合全场应变测量系统,获得胶焊复合接头的力学性能规律,以及渐进失效过程和搭接区应变变化.通过扫描电镜观察焊缝断口,对其显微形貌进行表征.结果 当剪切速率从2 mm/min提升到10 m/s时,接头的峰值载荷从6086.5 N增大到6592.5 N,吸收的能量从41.1 J增大到96.4 J.相比于2 mm/min准静态剪切断口,1 m/s高速剪切断口中等轴韧窝和胶粘剂薄层的比例均提高.当剪切速率在1 m/s以下时,接头发生胶层和焊缝断裂失效;当剪切速率在1 m/s以上时,胶层和焊缝得到的强化程度高于母材,胶层开裂程度减小,接头搭接区的刚度提高,所以拉伸端母材发生严重的颈缩直至断裂失效.结论 随着剪切速率的增加,接头的峰值载荷和吸收能量均增大,胶层的开裂程度减小,失效形式由焊缝和胶层断裂转变为母材断裂.     

GFRP约束微珠泡沫柱准静态受压性能

本研究对2根微珠泡沫柱及5根玻璃纤维复合材料(GFRP)约束微珠泡沫组合柱开展准静态轴压试验,探讨了GFRP层数、横向纤维与纵向纤维比例、泡沫密度等参数对组合柱极限承载力和吸能效应的影响,并与静态试验结果进行对比,研究不同加载速率对构件受压性能的影响规律.结果表明:准静态压缩作用下GFRP层数和泡沫密度的增加均提高了构...     

预制倒角对泡沫铝动态冲击变形及吸能的影响

为防止峰值过高导致的保护失效,对闭孔泡沫铝试件设置三种预制倒角(单倒角、双倒角、中部倒角),探究动态冲击过程中预制倒角对泡沫铝特征曲线、变形与吸能的影响。通过落锤设备进行低速冲击试验获取特征曲线,结合高速摄影设备、ARAMIS软件以及材料变形剖面分析了不同倒角试件的变形模式、能量吸收效率及其对峰值载荷的影响机理。结果表明:预制倒角使泡沫材料初始变形模式发生改变,有效降低了泡沫铝材料在动态冲击过程中的初始峰值载荷,其中单倒角降幅最为明显为26%;倒角种类决定平台区趋势及材料整体变形模式,中部倒角平台区呈硬化现象,载荷波动最明显;预置倒角对泡沫铝材料平台区的能量吸收效率无显著影响。     

Experimental characterization of hybrid composite-to-metal bolted joints under flexural loading

Presented is an investigation of the structural performance of hybrid composite-to-metal bolted joints loaded in flexure. The main goal was to develop a watertight, hybrid connection to resist bending loads. The effect of bolt type, doubler plate geometry and foam inserts was studied. Fourteen different joint configurations were tested including standard bolted joints and bolted joints with doubler plates. The performance of connections loaded cyclically in flexure was assessed by comparing: (1) the initial damage and failure loads; (2) the types of failure modes; and (3) the joint initial rotational stiffness. Instability in the hysteresis loops, where the load drops in subsequent cycles, is used as an indication of damage. A joint using a short doubler plate, a foam insert, and a single row of bolts, was found to be at least 33% stronger and 29% stiffer when compared to a standard bolted joint with two rows of the same diameter bolts. Use of doubler plates and foam inserts in a bolted joint resulted in higher strength and stiffness and can effectively mitigate joint opening, which improves the ability to seal the joint and maintain watertight integrity.     

负泊松比三明治结构填充泡沫混凝土的面内压缩性能

为改善负泊松比三明治结构的受压破坏模式且提高其缓冲吸能能力,提出一种填充泡沫混凝土的新型复合三明治结构。在负泊松比结构中填充不同密度(409 kg/m3、575 kg/m3、848 kg/m3、1 014 kg/m3)的泡沫混凝土得到负泊松比填充结构,并对无填充负泊松比结构、负泊松比填充结构和泡沫混凝土对照试块在准静态压缩下的破坏模式和吸能特性进行比较。根据荷载-位移关系和破坏模式得到以下结论:当填充物密度较小时,负泊松比填充结构能够将填充物的泊松比限制在较小的数值,胞元表现出内凹的变形模式,结构发生逐渐被压实的压缩破坏;当填充物密度较大时,结构发生“X”型剪切破坏,塑性铰区域和剪切带附近的胞壁发生断裂破坏;泡沫混凝土填充物的密度越大,填充结构的压实应变越小,吸收的能量越多,但当填充物密度超过一定值后,填充物密度的增加对负泊松比填充结构能量吸收能力的提升作用不再明显,结构的比吸能降低。