复合材料单搭接头的剪切强度对比实验研究

在常温和湿热高温的环境下,分别进行了三种不同的成碰工艺(RTM、引入缝纫的RTM和胶接)制备的单搭接头的剪切强度实验,研究了成型工艺对单搭接头的剪切强度的影响,并根据实验现象分析了单搭接头的剪切破坏机理.实验结果表明:引入缝纫的RTM成型试样的剪切强度性能最高,而胶接成型试样的剪切强度最低;环境温度对RTM和引入缝纫RTM成型试样的剪切强度影响不大,而对胶接成型试样的剪切强度有较大影响.     

缺陷对单搭胶接接头力学性能的影响

通过单向拉伸试验对比分析了两种接头的破坏模式及载荷-位移曲线, 研究了T700/TDE85复合材料单向层合板单搭接胶层内缺陷对接头破坏行为的影响。试验结果表明, 接头破坏的主导模式为界面破坏, 胶层中微小缺陷对接头强度的影响不大。为研究接头的失效机制, 采用有限元方法对两种接头失效进行数值分析, 模拟了接头搭接区界面剥离应力及剪切应力分布情况, 并分析了缺陷位置变化及面积变化对接头强度的影响。结果表明, 随着缺陷位置距接头搭接区自由端部越近, 接头强度越小, 且缺陷位置距接头搭接区自由端部2.5 mm以内, 缺陷对接头强度影响较大; 接头强度随缺陷面积的增大而减小, 并且缺陷面积占搭接区面积的比率在4.4%以内, 缺陷对接头强度的影响较小; 数值计算结果与实验结果吻合较好。     

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。     

交变载荷对CFRP复合材料-铝合金粘接接头剩余强度的影响

为了给碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料粘接结构的安全设计及应用提供参考,针对CFRP复合材料-铝合金对接接头,研究了拉-拉交变载荷作用下的疲劳寿命特性及剩余强度变化规律。设计专用夹具,完成接头的制作及固化,并测试其拉伸、剪切准静态失效强度,在此基础上进行不同载荷水平下的疲劳寿命测试。选取特定载荷水平,测试不同循环次数后的接头剩余强度,并对失效形式进行观察分析。结果表明:CFRP复合材料-铝合金对接接头强度-寿命（S-N）曲线在单对数坐标上符合线性函数规律;随着交变载荷循环周期的增加,接头剩余强度呈先慢后快的下降趋势,而且在较大的载荷水平下,下降幅度更为明显;经历交变载荷循环前、后接头失效形式发生改变,由局部CFRP复合材料表层撕裂转变为局部界面破坏。结合试验测试所获得的初始失效准则,并引入疲劳退化因子,建立内聚力模型对交变载荷作用下的粘接接头强度衰减进行数值模拟,结果表明所建立模型能够有效预测交变载荷作用下的接头剩余强度。      

服役温度对铝合金-碳纤维增强树脂复合材料粘接接头准静态失效的影响

为了研究服役温度对铝合金-碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料粘接接头准静态失效的影响，本文加工了铝合金-CFRP复合材料粘接接头。考虑车辆实际运行工况下的服役温度，选取低温(?40℃)、常温(20℃)和高温(80℃)三种环境温度，结合设计的Arcan夹具对铝合金-CFRP复合材料粘接接头分别进行1 mm/min和100 mm/min的准静态试验，得到不同温度下铝合金-CFRP复合材料对接接头(BJs)、45°嵌接接头(45°SJs)和剪切接头(TSJs)的准静态失效强度，并结合失效断面对接头失效形式进行分析，建立了失效准则方程和三维响应曲面。结果表明:不同加载速率下的铝合金-CFRP复合材料粘接接头失效强度在高温环境下均呈明显的下降趋势，在低温环境下均呈一定程度的上升趋势。高温下的失效模式为胶层的内聚失效，低温下的失效模式中纤维撕裂的比例上升。相对于1 mm/min加载速率下的准静态失效强度，各温度和应力状态下的铝合金-CFRP复合材料粘接接头在100 mm/min加载速率下的准静态失效强度明显提高。      

等温时效对SnAgCu/Cu焊接接头显微组织及强度的影响

研究了SnAgCu焊料与铜基的接头在150℃等温时效后,接头界面金属间化合物的形成与转变.用扫描电镜观察在时效过程中焊接接头的显微组织演变.用X射线能谱仪测定了化合物的成分.结果表明,回流焊接时,在焊料和铜基板之间形成了Cu6Sn5化合物层,随着时效时间的增加,Cu6Sn5的晶粒大小逐渐增加,并且形态逐渐从扇贝状依次转变为针状和杆状,最后转变为颗粒状.与此同时,在焊料及Cu6Sn5金属间化合物层之间形成了杆状的Ag3Sn.焊接接头的抗拉强度的测量表明,抗拉强度随着时效时间的增加开始略有增加而后逐渐下降.断口观察发现,随着时效时间的增加,断裂源从焊料内部向Cu6Sn5界面移动.在化合物层界面发生的断裂是由于化合物晶粒粗化和Cu6Sn5化合物层厚度的增加造成的.     

Z-pin增强树脂基复合材料单搭接头弯曲性能

为了研究Z-pin对单搭接头弯曲性能的影响,制备了不同参数Z-pin增强单搭接头试样,研究了Z-pin单搭接头在三点弯曲载荷下连接性能.结果表明:Z-pin(直径0.5mm)体积分数从0％～1.5％时,弯曲载荷随Z-pin体积分数的增加而增加,体积分数在1.5％～3.0％范围内时,试样的弯曲载荷随Z-pin体积分数的增加而下降,Z-pin体积分数为1.5％时达到最大值1303.2N;Z-pin直径为0.3～0.7mm时(体积分数1.5％),峰值载荷随着直径的增加而增加,0.7mm增强接头的弯曲载荷比0.3mm增强接头高出27.9％.Z-pin植入角度对单搭接头弯曲性能影响不大.另外,随着搭接长度的增加,单搭接头的弯曲性能提高.     

搭接区端部细观结构对受拉复合材料单搭接头力学响应的影响

在复合材料单搭接头的加工过程中,在搭接区端部会形成一些细观结构,从而在这些区域常存在比较严重的应力集中。应用实验和有限元方法研究了胶瘤和复合材料端部毛刺这2 种搭接区端部细观结构对受拉复合材料层合板单搭接头力学响应的影响。应用数字图像相关方法测量了搭接区端部的应变场分布情况,同时利用基于子模型技术的非线性有限元方法分析了搭接区端部细观结构的作用。实验结果与有限元分析结果吻合较好。实验和有限元结果都表明胶瘤分担了部分载荷,可以降低搭接区端部的应力集中。复合材料端部毛刺的作用与毛刺的具体结构关系密切,不同结构的毛刺对搭接区端部应力应变分布的影响是不同的。     

钢/铝CMT接头熔合面积对接头抗剪强度及破坏模式的影响

针对低碳镀锌钢板与6061铝合金CMT熔钎焊接头熔合面积对其抗剪强度和破坏模式的影响进行研究。结果表明:熔钎焊过程中,随着焊枪相对于搭接接头中心线偏移量的增大,接头的熔合面积逐渐减小,润湿角增大,进而导致接头的抗剪强度逐渐减小,接头的断裂位置由铝熔合区破坏向钢/铝界面层破坏转变。根据实验结果,考虑界面层的失效判据,建立CMT接头拉剪过程的数值模型,讨论熔合面积影响接头抗剪强度及破坏模式的原因。     

高温老化对玄武岩纤维增强树脂复合材料-铝合金单搭接接头失效的影响

为了研究持续高温环境对车用新材料粘接结构力学性能的影响,加工了铝合金-铝合金（Al-Al）和玄武岩纤维增强树脂复合材料-铝合金（BFRP-Al）单搭接接头,在高温（80℃）环境下进行了0天（未老化）、5天、10天、15天的老化实验,并对胶粘剂和BFRP复合材料进行了DSC和FTIR测试,分析高温老化后胶粘剂、BFRP复合材料的玻璃化转变温度（T_g）和化学成分变化,通过准静态拉伸测试获得老化后接头的失效载荷,并对其失效模式进行分析。研究结果表明:高温环境下,胶粘剂会发生后固化及氧化反应,BFRP复合材料发生热分解及氧化反应;Al-Al接头的失效载荷随老化周期的增加而不断增大,老化前后的失效模式均为内聚失效,其性能变化主要由胶粘剂决定;BFRP-Al接头的失效载荷先增加后减小,不同老化周期的接头均发生内聚和撕裂的混合失效,其性能变化由胶粘剂和BFRP复合材料共同作用决定,且随着老化周期的增加,BFRP复合材料撕裂面积不断增大,BFRP-Al接头的失效模式越来越倾向于玄武岩纤维/树脂界面的破坏,BFRP复合材料老化对接头失效载荷的影响越来越显著。      

压印接头力学分析及预成角对接头强度的影响研究

从宏观和微观两方面对压印接头强度进行了研究,通过对压印连接拉伸过程动态模拟和在显微镜下观察到的裂纹形成的主要位置,分析了拉伸过程中裂纹的萌生、扩展直至整个压印接头颈部断裂的过程;对压印接头进行了显微组织分析,得出薄板经冲压后产生了加工硬化现象,接头强度得到提高.提出了预测压印接头最大破坏力的公式,对生产中模具的选取及样品强度的预测具有一定的指导意义.同时,对不同预成角度的压印连接试件进行了拉伸试验,得出0°压印接头能够承受的拉伸破坏力最大,且预成角越大,压印接头能承受的破坏力越小.     

钛合金-芳纶纤维复合材料单搭接接头的失效形式

采用钛合金与芳纶纤维复合材料制备同质与异质材料单搭接胶接接头。利用数字图像相关技术、万能试验机、光学显微镜等手段,对拉伸载荷下的接头应变、极限载荷与破坏模式进行表征,分析不同搭接材料接头应变场及胶接性能,研究了钛合金-芳纶纤维复合材料接头失效形式。结果表明,在拉伸载荷下,钛合金-芳纶纤维复合材料接头复合材料应变远大于钛合金应变,搭接区域外部应变大于搭接区域内应变;接头偏移及被胶接件变形高于钛合金或芳纶纤维复合材料同质接头,承载能力较低;搭接区域复合材料端头剥离及剪切应力集中,是接头的薄弱部位,易出现渐进失效;破坏模式主要为复合材料层间破坏与钛合金-胶层界面破坏,芳纶纤维丝束承受剥离或剪切力断裂。     

自定义粘接元接触技术在复合材料连接强度分析中的应用

为解决复合材料接头强度分析中由于接触造成的收敛困难问题, 自定义了具有特殊本构关系的粘接元用来模拟接触, 该单元只能传递压力而不能传递拉力。自定义的粘接元被置于两接触对之间用来传递接触压力, 从而保证了接触体之间在接触面上的变形协调关系。同时, 建立了复合材料单钉接头的三维累积损伤有限元模型。基于文献中材料性能退化模型, 对纤维及基体压缩破坏的刚度退化模式做了改进, 并利用自定义粘接元接触技术及改进后的刚度退化方法对模型进行了有限元模拟。最后对四组相应试验件进行了试验验证, 试验结果和模拟结果吻合较好, 证明了自定义粘接元接触技术以及文中模型和算法的有效性。      

影响钢丝绳芯胶带接头强度的因素分析

通过Von Mises应力曲线对钢丝绳芯胶带接头的钢丝绳对接面距离S进行分析,知道接头所受应力随着对接面距离的增大而减小,直至S达到50 mm以后,这种变小的趋势不再明显,达到极限值。通过建模和计算2种方式对接头长度进行分析,接头整体长度对接头强度影响很大,其接头长度越长,接头强度越高,但是当接头长度达到750 mm以后,接头强度趋于平稳。因此考虑到经济性,建议接头长度不超过750 mm。     

胶粘剂在粘接接头内热分解动力学的计算

为了研究粘接接头内胶粘剂的耐热性能,采用X射线能谱分析确定了不同条件下粘接接头内胶粘剂的元素组成及其变化行为,利用X射线能谱计算了胶粘剂的热失重率,进而计算出聚酰亚胺薄膜粘接接头内胶粘剂的热分解动力学,并与空气环境下胶粘剂热分解活化能进行了比较.计算结果表明,粘接接头内胶粘剂的热分解速率低于空气环境下胶粘剂热分解速率,这种分析测试方法为原位表征粘接接头内胶粘剂耐热性能提供了一种新的分析方法.     

铝合金-BFRP粘接接头的服役高温老化力学性能及失效预测EI北大核心CSCD

选取50℃和80℃的高温老化环境,结合设计的测试夹具测得高温老化0,10,20,30天后铝合金-BFRP(玄武岩纤维增强树脂基复合材料)粘接接头在1 mm/min加载速率下的准静态抗拉强度与剪切强度,并对接头的失效断面进行宏观分析。结果表明:80℃高温老化后,胶黏剂发生后固化反应,力学性能增强,BFRP发生化学键断裂,玻璃化转变温度(T g)降低;老化30天后,接头的抗拉强度下降,剪切强度上升;30天后拉伸接头失效断面出现分层,剪切接头出现胶层内聚与纤维撕裂的混合失效;50℃高温老化后,胶黏剂的力学性能略微上升,拉伸接头的失效强度变化不大,失效模式以纤维撕裂和分层为主;剪切接头的失效强度略微上升,失效模式以胶层内聚为主。根据二次应力准则对抗拉强度和剪切强度进行曲线拟合;根据响应面原理,建立失效准则随老化时间的响应面方程,用以对铝合金-BFRP粘接结构胶层的裂纹产生和扩展进行预测。     

水分在粘接接头界面的扩散系数和动力学

为研究水分在粘接接头界面的扩散行为,采用X射线能谱（EDX）分析方法计算了水分在碳／碳复合材料粘接接头界面的扩散系数和扩散动力学,并比较了水分在不同表面处理方法处理的碳／碳复合材料粘接接头界面的扩散系数和扩散动力学．结果表明,经偶联剂处理的碳／碳复合材料耐久性能要好于化学氧化和砂纸打磨处理,这与剪切强度测试结果相一致．     

泡沫金属三明治结构压印-粘接复合接头剥离性能分析

为研究三明治结构压印-粘接复合接头的抗剥离性能,选取AA5052铝合金板以及泡沫镍、泡沫铜以及泡沫铁镍进行压印-粘接复合连接,对接头进行拉伸剪切试验,采用扫描电镜对失效断口进行了观察,分析了接头的失效形式、失效载荷、能量吸收值以及失效机理。结果表明:夹层的存在会使接头中胶层的失效过程更加稳定,夹层对于压印-粘接复合接头的承载能力并无显著影响,但是会降低其失效过程中的能量吸收值。     

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。