金属裂纹板复合材料单面胶接修补结构应力分析

考虑金属裂纹板复合材料单面胶接修补结构的几何非线性和边界条件,建立了考虑弯曲变形单面修补结构力学分析模型,计算出承受面内载荷时修补结构的弯矩和挠度,将补片自由端和金属板裂纹处的弯矩作为胶层应力控制微分方程的边界条件,推导出剪应力和剥离应力的解析解,及裂纹张开位移的表达式,并与有限元数值结果进行对比。分析结果表明,胶接修补结构应力分析理论模型和相关简化假设合理、正确。利用所建立的解析模型研究了金属裂纹复合材料单面胶接修补结构的应力分布特点及胶层主导破坏模式的失效机制,为胶接修补结构的承载能力分析以及结构改进设计提供了一定的理论依据。     

双斜接修补复合材料层合板的拉伸行为及影响因素双斜接修补复合材料层合板的拉伸行为及影响因素

基于试验和有限元数值方法对双斜接修补碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料层合板在拉伸载荷作用下的力学行为开展研究。通过试验分析了两种不同厚度的双斜接修补复合材料结构的承载能力和失效形式。结果表明,对于不同厚度的双斜接修补复合材料结构,失效强度接近,主要破坏形式均以胶层内聚破坏为主,伴随局部的90°基体开裂。利用连续介质损伤力学模型和内聚力模型分别对复合材料和胶层失效进行描述,通过数值方法开展双斜接修补结构的强度预测和损伤演化分析。数值结果与试验吻合较好,并且指出复合材料基体开裂起始早于胶层失效。通过有限元模型讨论了附加层、双斜接内部尖端所处位置和修补胶层参数对修补性能的影响。      

复合材料泡沫夹层结构面板损伤缺陷贴补修补工艺研究

制备了复合材料泡沫夹层结构面板缺陷试样,并采用贴补法对缺陷试样进行了修补。通过采用DG-3胶将预先固化好的修补贴片与缺陷区域进行胶接,并采用热补仪将贴补修补后的区域进行加热固化,对贴补修补完成后的试样进行了无损检测、力学性能测试及微观结构分析。结果表明,采用贴补修补后,缺陷直径分别为20mm、30mm试样的拉伸断裂强度分别为0. 644MPa、0. 641MPa,拉伸断裂强度恢复率分别为98. 6%、98. 1%;弯曲强度分别达到2. 186MPa、2. 017MPa,弯曲强度恢复率分别为125. 0%、114. 9%。采用贴补修补法进行修补后,力学性能得到很好的恢复,胶接区域的胶粘剂、修补件与修补贴片间胶接情况良好。     

铝合金裂纹板的阳极化处理与复合材料补片胶接修理效果

采用磷酸阳极化方法对胶接修理铝合金裂纹板的粘接表面进行了处理,并用单向碳纤维/环氧复合材料补片对铝合金进行了修补.测试了阳极化铝合金的粘接性能、修补结构的静态力学性能和疲劳性能,考察了粘接表面的阳极化处理对修补结构的静态力学性能和疲劳性能的影响.结果表明,磷酸阳极化在铝合金表面形成多孔膜,复合材料补片修补胶接时胶粘剂能渗透进入阳极化铝合金表面的多孔膜,在粘接界面上形成一层过渡层,该过渡层的形成能有效提高其与复合材料的粘接性能,其粘接副的拉剪强度提高了104%;铝合金裂纹板胶接修理前的粘接表面的阳极化处理能大幅度地提高修复结构的静态强度和疲劳寿命,当用单向碳纤维/环氧复合材料补片单面修补时,修补结构的破坏强度为418.13MPa,恢复到完好板的93.42%;修补结构的疲劳寿命相对裂纹板延长了1.42倍,比未阳极化的修补板的疲劳寿命增加了27.59%.修补前的阳极化处理也使修补结构在一定周次疲劳后的剩余强度有所提高.     

复合材料层合板胶接贴补修理渐进损伤分析

建立了复合材料层合板胶接贴补修理构型渐进损伤分析的三维有限元模型, 其中层合板和胶层分别采用正交各向异性损伤和各向同性损伤的连续介质损伤力学模型, 整个分析过程中同时考虑层合板和胶层的损伤形成和扩展以及它们之间的相互影响, 单向压缩载荷作用下的层合板贴补修理构型的试验数据验证了该模型的有效性, 采用该模型分析了不同的贴补修理参数对修补强度的影响。 结果表明: 当层合板补片较薄时, 补片损伤是导致修补结构失效的主要原因; 当补片较厚时, 胶层失效是导致修补结构失效的主要原因, 此时补片厚度增加并不能显著增大修补结构的极限强度。在复合材料贴补修理时需要对补片和胶层进行详细优化设计。      

复合材料层压板单面贴补修理建模分析研究

胶接修理技术是一种优质、高效、低成本的结构修理技术.针对复合材料层板的胶接贴补修理进行计算模拟分析,并与实验结果相对比.采用ABAQUS有限元软件对层压板的损伤板和单面贴补修理板进行有限元建模,分析修补前后的应力分布情况,计算出失效强度与完好板进行对比,得出修补后的强度恢复率.     

金属胶接接头残余应力计算及数值分析

利用Baker模型和弹塑性有限元方法研究了胶接接头搭接区残余应力的分布.结果表明,因胶粘荆的线膨胀系数比被粘物高得多,胶层固化时被粘物阻碍了胶层的收缩,故胶层中为残余拉伸应力,被粘物中为残余压缩应力,胶层中的残余应力远大于被粘物中的残余应力.利用Baker模型和有限元计算远离自由端的胶层中的残余应力,两者吻合.被粘物中的残余应力呈中心对称,等效应力经多项式拟合后呈抛物线分布.     

复合材料胶结修补缺损金属结构的力学性能研究

进行了未修补与复合材料胶结修补的含穿透性裂纹金属试样的力学性能实验,测定了失效载荷,并分析了失效机理;采用实体层单元模拟复合材料补片和胶层,建立了复合材料胶接修补缺损金属结构的三维有限元分析模型,数值模拟了两种试样的载荷-位移曲线和应力分布,预测了破坏位置,与实验现象吻合良好。研究发现,与未修补的试样相比,经复合材料修补后的缺损结构承载能力得到明显提高。     

基于循环载荷的单搭胶接接头残余强度分析

为研究循环载荷下单搭胶接接头的残余强度及失效机理,以5052铝合金单搭胶接接头为研究对象,先后对其进行静强度测试、疲劳强度测试和残余强度测试,引入威布尔分布对试验数据进行分析,检验其有效性,并采用超声扫描显微镜和扫描电子显微镜对失效胶层进行失效机理分析。结果表明,在疲劳循环载荷作用下,接头刚度基本稳定,而残余强度随着疲劳循环载荷周次的增加,呈现出先增大后减小的变化趋势;疲劳裂纹从接头搭接端部的界面端点处开始萌生,并快速向中间扩展,当疲劳循环达到一定次数时,胶层瞬间断裂,裂纹萌生阶段几乎占据了其全部疲劳寿命,失效后的胶层会出现"凹台"状微观结构。     

金属裂纹板复合材料胶接修补强度的弹塑性有限元预测

金属裂纹板经复合材料补片胶接修补后,其结构强度明显提高,但裂纹板中的裂纹会导致严重的应力集中现象,并易产生塑性变形,呈现强烈的材料物理非线性特性,需要采用弹塑性力学原理,进行复合材料胶接修复结构的静强度预测。为此,考虑金属板材料的非线性特性,建立了金属裂纹板复合材料胶接修补结构的弹塑性有限元模型,并通过试验验证了模型的有效性。在此基础上,提出了基于裂纹尖端的张开位移(COD)判据的拉伸强度预测方法,分析了修复结构的塑性应变、COD以及静拉伸强度。结果表明:相对于应力强度因子K判据, COD判据能更有效地预测修复试件的静拉伸强度。      

石墨化参数对四向炭/炭复合材料残余应力的影响

依据四向编织炭/炭复合材料的结构特点,建立了能反映其编织方式和空间构型的单元体胞模型.在单胞几何模型和介观计算力学基础上,采用有限元方法研究了在不同石墨化温度、降温梯度和界面刚度情况下四向编织炭/炭复合材料的残余热应力分布.研究表明:低温石墨化复合材料的残余热应力比高温石墨化时小.界面刚强度低时石墨化过程中残余热应力比界面刚强度高时小.冷却速率越快,残余热应力越大.     

炭纤维/ 环氧复合材料单面修补中心裂纹铝合金板的静态和疲劳特性

利用真空袋压工艺, 采用单向炭纤维复合材料补片对中心裂纹铝合金板进行了单面胶接修补。测试了复合材料修补板的静态拉伸强度及修补板在拉拉疲劳过程中的裂纹扩展、界面脱粘和剩余拉伸强度等疲劳性能。结果表明, 复合材料补片胶接修补能有效地提高裂纹板的破坏强度和刚度, 降低裂纹板的疲劳裂纹扩展速率, 提高其疲劳寿命。裂纹板经单向炭纤维/ 环氧复合材料补片修补后, 其破坏强度从311. 48 MPa 提高到364. 74 MPa ,疲劳寿命从32217 次提高到77546 次。疲劳导致修补结构的粘接界面脱粘, 脱粘区域近似椭圆形; 脱粘面积随疲劳周次的增加而增加, 且增加的幅度与疲劳周次相关。      

MoS2软涂层刀具的基体材料优选及涂层制备

以常见的几种高速钢和硬质合金为基体材料，运用有限元软件分析了基体表面MoS2软涂层的残余热应力。结果表明：高速钢表面涂层的最大残余热应力小于硬质合金表面涂层的残余热应力；涂层与基体之间弹性模量和热膨胀系数等参数及沉积温度的差异是影响涂层残余热应力大小的主要因素。采用中频磁控溅射加离子束辅助沉积工艺制备了两种MoS2软涂层刀具并对其性能进行了测试，分析结果符合有限元计算的结论。     

钛合金TC4表面医用氧化物陶瓷涂层的 残余热应力分析

采用有限元方法分析了钛合金TC4表面分别溅射沉积的4种医用陶瓷涂层Ta2O5、Nb2O5、ZrO2和TiO2的残余热应力分布情况,并以Ta2O5涂层为例,研究涂层的厚度与结构对残余热应力最大值的影响。结果表明,4种氧化物涂层的残余热应力都表现为拉应力,且应力最大值均位于涂层/基体结合界面的外边缘,其中残余热应力最大值最大的是Ta2O5涂层（32.2 MPa）,其次是Nb2O5（19.7 MPa）和ZrO2涂层（10.2 MPa）,最小是TiO2涂层（1.03 MPa）。当涂层厚度由1 μm增加到4 μm时,Ta2O5涂层的残余热应力最大值呈现先减小后增大的变化趋势,其中涂层厚度为2.5 μm时的残余应力最大值最小。对于不同结构的Ta2O5涂层来说,在表面层厚度或涂层总厚度相同的情况下,残余热应力最大值由小到大的涂层结构依次为梯度涂层、复合涂层、单层涂层。     

扩展有限元方法与内聚力模型耦合下斜接修补复合材料的胶层损伤和缺陷

将扩展有限元方法（XFEM）与内聚力模型（CZM）耦合用于斜接修补复合材料的胶层分析,实现了对复合材料与修补胶层之间的脱粘以及胶层内部裂纹扩展现象的描述,模拟得到的结构强度与试验结果吻合较好。对复合材料与胶层的界面缺陷和胶层内部缺陷展开分析,讨论了缺陷长度和缺陷位置对结构强度的影响。结果表明：在相同条件下,结构具有界面缺陷比具有胶层内部缺陷更加危险;结构强度受缺陷长度和与缺陷尖端相邻复合材料铺层角度的共同影响,随着缺陷长度的增加而降低,降低速率大于缺陷长度增长比例;当缺陷位置不同时,结构强度主要与缺陷对应位置的平均剪应力水平相关。最后,通过参数分析讨论了界面剪切强度的影响。     

胶接几何特性对胶接连接应力的影响

本文考虑了胶层材料的弹一塑性行为,采用有限元方法,讨论了单搭接胶连结构中不同几何特征对胶接结构的应力和位移的影响,为胶接结构的设计和应用提供了参考依据。     

原位研究胶接修补固化温度对LY12CZ铝合金疲劳裂纹扩展门槛值的影响

通过带加温系统的扫描电镜原位观测技术研究了胶接修补固化温度对LY12CZ铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响。结果表明:高温使得LY12CZ铝合金中萌生孔洞并聚集长大,从而易于萌生短裂纹,产生沿晶破裂趋势,降低材料的疲劳性能;LY12CZ铝合金疲劳裂纹扩展门槛值随着温度的升高逐步降低,且在温度撤除后,疲劳裂纹扩展门槛值并未恢复到常温状态下的门槛值,因此胶接修补过程中需要严格控制胶黏剂的固化温度,以减小其对基体材料疲劳性能的影响。     

纤维增强复合材料胶接结构疲劳特性研究进展

纤维增强复合材料胶接结构的疲劳特性与纤维、环氧树脂以及胶黏剂的特性紧密相关,为了开展复合材料胶接结构的疲劳性能研究,本文提出适用于复合材料胶接结构的疲劳分析方法,完成复合材料胶接结构的抗疲劳设计,从复合材料层压板、层间以及胶接界面等研究对象的疲劳特性分析方法入手,全面综述了国内外学者在复合材料结构、金属胶接结构以及复合材料胶接结构的疲劳特性及寿命预测方法等方面的研究进展.结果表明:采用S-N曲线拟合得到寿命预测模型对复合材料胶接结构进行寿命预测是行之有效的,以此为依据开发基于物理机制的有限元寿命预测模型可以对疲劳裂纹扩展及疲劳特性进行分析,对于层间损伤和界面损伤,多采用粘聚区模型进行模拟分析,可以为复合材料胶接结构的疲劳失效分析方法的建立提供指导.     

预应力法调整纤维-铝合金胶接层板的残余应力

本文采用预应力法调整了纤维-铝合金胶接层板的残余应力;分析了层板的预应力、层间残余应力和温度之间的关系并给出了表达式;用应变片法测量了层板中铝层的残余应力;讨论了预应力与层板主要力学性能的关系.     

预应力法调整纤维-铝合金胶接层板的残余应力

本文采用预应力法调整了纤维-铝合金胶接层板的残余应力;分析了层板的预应力、层间残余应力和温度之间的关系并给出了表达式;用应变片法测量了层板中铝层的残余应力;讨论了预应力与层板主要力学性能的关系.