基于DIC法的CFRP粘接参数及失效分析

对碳纤维-碳纤维以及碳纤维与异质材料的粘接搭接试样进行了单向拉伸试验,对搭接长度、粘接层厚度对接头强度的影响规律进行了详细的分析。采用数字图像相关方法(DIC法)对接头的面内应变和法向变形进行了监测,对搭接接头在拉伸过程的失效行为和失效顺序进行了系统地分析。结果表明,碳纤维粘接搭接接头的宏观失效存在碳纤维板纤维断裂、粘接层剪裂、撕裂、粘接界面破坏等多种破坏形式;碳纤维接头搭接长度12.5 mm-15 mm,粘接层厚度0.2 mm时接头刚度、强度较高;粘接层强度相对较弱时,碳纤维接头主要以粘接层剪裂为破坏形式,粘接层强度相对较强时,接头表层碳纤维撕裂引起界面剥离,界面剥离面积扩展,异侧界面剥离导致粘接层撕裂,引起接头失效。     

基于数字图像相关的粘接界面内聚力模型参数反演识别

胶接装配具有结构简单、质量小、尺寸小、工艺性好等优点，但脱胶破坏等界面失效形式的出现对胶接结构的使用提出了挑战。内聚力模型可以有效表征粘接界面的损伤失效过程，其参数的准确获取对粘接结构的可靠性分析和设计具有重要意义。文中提出了一种基于数字图像相关技术、有限元模拟计算和智能优化算法相结合的内聚力模型参数反演识别方法。首先，采用数字图像相关技术获取双悬臂梁试件在拉伸断裂过程中的粘接区域位移场；其次，基于双线性内聚力模型，建立双悬臂梁试件拉伸断裂的有限元模型，并仿真获得双悬臂梁试件粘接界面开裂过程的位移场信息；最后，采用人工鱼群优化算法迭代试算双线性内聚力模型参数，直至有限元仿真的位移场与数字图像相关技术获取的位移场之间的误差最小。     

碳纤维/铝层状复合结构的断裂性能及抗电偶腐蚀性能研究

以ENF试验为基础,通过制作不同长度的芳纶短纤维薄膜为粘接层界面的碳纤维/铝层状复合结构试件,并置于同一加速腐蚀环境中,研究了芳纶短纤维对碳纤维/铝层状复合结构力学性能及抗电偶腐蚀性能的影响。试验结果表明芳纶短纤维薄膜有效提高了碳纤维/铝层状复合结构的断裂性能与抗电偶腐蚀性能,可为复合材料工程应用中的电偶腐蚀防护提供参考。     

碳纤维-钢复合结构ENF试验的仿真研究

利用ABAQUS有限元分析软件建立了碳纤维板(CFRP)-钢复合结构的末端缺口弯曲(ENF)试件有限元模型,模拟了碳纤维弹性模量和粘结层厚度参数组合时粘结层界面裂纹扩展和界面力学行为。揭示了碳纤维弹性模量和粘结层厚度的影响机理,仿真分析结果为后续试验研究提供了指导。     

热障涂层在多次热循环作用下残余应力的模拟

采用热弹塑性有限元方法,对热障涂层多次热循环降温过程中由于热梯度和材料参数不匹配而产生的残余应力进行了数值模拟,分析了平面和曲面的界面形貌对界面残余应力的影响.结果表明,在相同材料参数情况下,陶瓷层与粘接层的界面形状对残余应力及结构稳定状态有显著的影响,凹凸不平的界面将会使界面残余应力发生突变,不利于增强界面结合强度和涂层结构的热稳定性.该结果对分析涂层寿命及失效机制有指导意义.     

含粘接缺陷的共形承载天线力学性能演化机理

共形承载天线兼具电磁辐射及承担外载功能,综合性能良好,在航空领域具有重要的应用价值和广阔的发展前景.由于共形承载天线由层合结构构成,在不同材料的粘接及热压过程中,容易在粘接层形成裂纹等粘接缺陷,而失效往往在裂纹处发生,所以研究含粘接缺陷的共形承载天线力学性能演化机理具有重要意义.文中首先根据实验数据辨识了共形承载天线层间界面的动态等效断裂能并将其应用于双线性内聚力模型;其次,建立了共形承载天线的有限元模型并根据模态实验结果验证了模型的准确性;最后,依据仿真结果给出了结构服役过程中允许的最大层间裂纹半径,为合理确定工程制造精度提供了依据.     

碳纤维带状弹簧的特性计算及实验

针对空间展开机构轻量化、小型化、简单化等的发展需求,通过理论分析实例设计了碳纤维带状弹簧,并结合有限元模拟及实验对其屈曲特性进行了研究。首先,根据薄壳弯曲理论推导了各向异性材料下碳纤维带状弹簧的弯矩计算公式,并分析了影响其屈曲特性的敏感参数;然后,针对工程需要进行了单根碳纤维带状弹簧的实例设计,并建立了其有限元分析模型,得出了其弯矩-转角曲线;最后,加工出了碳纤维带状弹簧实物并对其屈曲过程进行了实验研究。结果表明:实验测得的该碳纤维带状弹簧的临界弯矩值为1 237.6Nmm,与理论分析及有限元模拟结果符合的较好,最大误差为8.7%,验证了理论分析及有限元模拟的准确性及一致性,为之后碳纤维带状弹簧的设计及应用提供了理论依据及技术支持。     

碳纤维复合材料车体地板长大型材粘接工艺研究及装备设计

碳纤维复合材料应用于轨道车辆车体地板结构,较铝合金车体地板减重33%。碳纤维复合材料长大型材结构采用拉挤成型工艺,连接方法以粘接为主。本文优化设计了碳纤维复合材料车体地板长大型材的榫槽粘接接头,并通过剪切拉伸试验验证了该接头形式的可靠性。在此基础上研发了一套由定位系统、控制系统、执行系统组成的柔性化粘接工艺装备,该工艺装备通过更换仿形支撑尼龙模板来实现不同车型和不同型材连接的柔性化切换,满足车体地板用碳纤维复合材料长大型材粘接工艺要求。     

基于超声透射特性的复合材料粘接结构粘接质量预测

以非接触式超声检测方法为基础,对复合材料粘接结构的粘接质量进行仿真与试验探究。首先,建立复合材料粘接结构的超声透射特性时域仿真模型,提取其频域透射系数谱,并着重分析界面弱化及内聚弱化对粘接结构中超声透射特性的影响规律。同时,仿真所得不同粘接状态的超声透射系数频谱与平面波理论的计算结果吻合良好。此外,制备具有不同粘接界面状态及胶层内聚弱化状态特征的纤维增强复合材料(Fiber reinforced polymer, FRP)粘接结构。基于水浸超声测量系统,试验探究不同粘接界面状态及内聚弱化状态对超声透射系数谱的影响,分析粘接结构中超声透射特性随其粘接质量的变化关系,并与仿真结果一致。此外,根据复合材料粘接结构中粘接质量与超声透射特性之间的映射关系,亦为复合材料粘接结构的无损表征与评价奠定了坚实基础。     

复合材料层合板分层分析中的界面元应用

采用界面元模拟复合材料层合板界面层的方法,分别对测试复合材料Ⅰ型层间断裂韧度的双悬臂梁弯曲DCB(double canlilever beam)试件和测试Ⅰ、Ⅱ混合型层间断裂韧度的混合模式弯曲MMB(mixed-mode bending)试件的加载和层间开裂过程进行有限元数值模拟.分析中采用混合准则和B-K(Benzeggagh-Kenane criterion)准则分别判断界面元的刚度退化和裂纹扩展.另外,在对MMB试件的模拟中讨论B-K准则中的参数叩的选取.数值模拟的结果与试验结果的对比表明,文中采取的界面单元方法可以有效模拟复合材料层合板和层间结构的层间破坏.     

碳纤维层压板复合材料拉伸性能的有限元分析

利用有限元软件Abaqus分别对[0°]8和[0°/45°/90°/-45°]S两种铺层结构的碳纤维层压板复合材料建模,模拟得到层压板拉伸时的应力-应变曲线,并与试验结果进行了比较;同时,基于Cohesive界面单元模拟了层压板在拉伸载荷作用下的层间力学性能及失效模式。结果表明:模拟得到的应力-应变曲线与试样结果具有较好的一致性;[0°/45°/90°/-45°]S结构层压板因纤维铺层方向的差异而具有明显的界面破坏现象,而[0°]8结构层压板的分层现象不明显。     

碳纤维经编针织复合材料钻孔过程有限元建模与实验研究

为了研究碳纤维经编针织复合材料的钻削加工过程,通过分析经编针织物的细观结构,利用有限元分析软件ABAQUS建立复合材料钻削有限元模型,并联合用户子程序VUMAT定义复合材料的本构模型,模拟钻削加工过程.仿真结果表明:Z向轴向力与进给速度呈正相关,与主轴转速呈负相关.通过对碳纤维经编针织复合材料进行钻削实验,将实验结果与仿真结果进行对比,验证了有限元模型的正确性.为碳纤维经编针织复合材料钻削加工过程的优化提供了理论依据.     

复合结构界面粘接质量的超声衰减法研究

为满足评价复合结构界面粘接质量的需求,研究了界面声压反射率与有机玻璃-钢复合结构界面粘接质量间的关系。采用超声反射法测量了由不同粘接性能胶粘剂制备的粘接试件回波的幅度积分曲线,利用高斯拟合对幅度积分曲线进行特征提取,根据拟合得到的衰减系数表征粘接界面上超声波的反射情况进而表征界面粘接性能。试验结果表明,衰减系数可准确评价复合结构界面的粘接质量。     

粘接结构的超声检测技术及其进展

粘接结构由于具有优越的性能被广泛应用于多个领域.超声检测方法能够有效地解决粘接界面粘接质量的无损检测.本文结合粘接结构自身的特点,介绍了应用于多层金属-非金属粘接结构的超声检测方法、信号分析方法及相关检测技术进展,并就多层金属-金属粘接界面的超声检测提出一点设想.     

断裂试样拉伸屈曲行为的试验及非线性有限元分析

除了压杆模型等几何简单的屈曲问题外,复杂结构的屈曲分析一直是有限元模拟中的一个难点。本文利用ANSYS对薄板紧凑拉伸断裂试样的自由屈曲拉伸试验进行了非线性有限元模拟分析。自由屈曲拉伸试验在岛津拉伸试验机上进行,并采用二维数字图像相关方法定量记录了断裂试样的屈曲变形过程。结果表明,利用有限元方法计算得到的拉伸反力与屈曲位移最大误差不超过20%,因此,有限元分析能够较为准确地模拟复杂试样的屈曲行为。     

固体火箭发动机粘接界面湿热老化实验

对固体火箭发动机粘接界面试验件进行了不同湿热条件下的加速老化试验,并测量了不同老化时间粘接界面的扯离强度,描述了湿热老化试验和性能测试中的试验现象,结合复合材料微粘接结构吸湿规律对试验现象和撤离强度随老化时间变化曲线进行了分析。研究结果表明:衬层-推进剂粘接界面是固体火箭发动机粘接结构中最薄弱环节,应予以重点考虑；湿热老化促进了环境水分从衬层–推进剂界面向推进剂内部的扩散和渗透,致使弱边界层向推进剂内部扩展,导致了衬层-推进剂界面粘接强度的降低。试验件平均扯离强度随老化时间呈下降趋势,中间有一个强度趋于稳定的平台期。      

碳纤维增强环氧树脂复合材料加筋板的压缩屈曲特性

分别应用工程算法和有限元软件ANSYS对碳纤维增强环氧树脂复合材料加筋板的压缩稳定性进行了分析,得到了加筋板的临界失稳屈曲载荷和屈曲模态;同时对复合材料加筋板进行了压缩稳定性试验,并与计算结果进行了对比验证。结果表明:碳纤维增强环氧树脂复合材料加筋板具有后屈曲承载能力,其压缩破坏形式主要为筋条的脱胶、断裂和蒙皮的撕裂;工程算法结果、有限元计算结果与试验得到的临界屈曲载荷误差分别为13.8%和-15.5%,结果较吻合,证明了工程算法的正确性和有限元模拟方法的合理性。     

CTOA断裂准则的发展及应用

对延性材料的稳态裂纹扩展机制和失稳断裂研究是断裂力学领域的重要研究方向之一。1973年Andersson在稳态裂纹扩展的有限元模拟中首次引进裂纹尖端张开角(CTOA)作为断裂准则,发现用CTOA作为断裂准则可有效地定量模拟稳态裂纹的扩展行为。近50年来,围绕CTOA断裂准则在描述裂纹扩展稳定性、影响因素、隧道效应、拘束效应,断裂过程有限元模拟等方面开展了广泛而深入的研究,并制定了确定CTOA的相关标准。CTOA作为断裂准则最大的优点在于采用二维和三维有限元分析,能准确模拟薄壁结构的稳态裂纹扩展行为,广泛适用于飞机机身、复杂的薄壁结构和长输管线等的裂纹扩展分析。就CTOA断裂准则的发展、标准化和应用等方面进行了简要综述,指出CTOA测量和应用中存在的主要问题和影响因素,并对未来的研究方向进行了展望。     

交流500kV断裂复合绝缘子电场分布计算

通过对一起500kV国产复合绝缘子断裂事故的分析,从电场分析的角度出发,考虑铁塔与导线的影响,采用有限元数值仿真计算的方法,并应用具有强大的实体造型、解算、数据分析和后处理功能的软件ANSYS及工作站,建立断裂绝缘子三维有限元模型,计算芯棒和护套间不同粘接状态:芯棒与护套粘接良好、芯棒与护套粘接面含气泡和护套出现蚀孔三种典型情况下绝缘子轴向电场分布,分析芯棒与护套粘接性能对电场强度变化的影响.计算结果表明:与无缺陷相比,气泡缺陷较蚀孔缺陷对场强畸变影响更明显,场强最大可增加50％.     

一种钢-铅-环氧树脂粘接结构的优化研究

针对一种钢-铅-环氧树脂粘接结构,通过有限元分析软件ANSYS Workbench进行胶层应力分析,并与相应的胶种强度测定数据进行对比,得出该种粘接结构可靠性差。最后采用J-200-1D胶和金属镶嵌块连接两种不同方式对粘接结构进行优化,提高了该种粘接结构的可靠性。