复合材料单钉搭接单剪与双剪的挤压破坏试验研究

复合材料机械连接在航空结构中应用广泛,在受力过程中,挤压破坏为主要关注的破坏模式。对于复合材料单钉连接结构,单剪有面外弯曲存在,双剪可视为孔边纯挤压受力模式。采用试验的方法,研究了相同孔径、厚度及铺层的单钉单剪与单钉双剪的破坏模式、挤压变形及屈服和挤压强度,发现单剪形式的二次面外弯曲对强度及变形影响大,双剪结构大幅提高了复合材料机械连接结构的屈服强度和挤压强度。在不改变铺层比例的前提下,通过改变铺层数量,探讨了层合板厚度对单钉单剪受力及破坏的影响,发现层合板的厚度增厚对单钉单剪的屈服及挤压强度提高不显著。     

复合材料-金属机械连接性能研究

对不同类型的连接件进行了试验研究,得到了破坏模式和破坏载荷,使用超声波损伤检测的方法,观察了孔边的挤压破坏情况。基于ABAQUS有限元软件,建立了有限元模型,分析了钉头形式(凸头、埋头),有无补偿垫片和连接形式对机械连接性能的影响。研究表明,使用凸头钉比埋头钉,能使破坏载荷能提高30%左右;使用补偿垫片能够提高连接件的承载能力;使用双钉连接较单钉连接,破坏载荷能提高一倍左右。     

玻璃钢挤压强度测定的初步讨论

玻璃钢连接件在铆钉孔、螺栓孔边具有复杂的应力状态。孔边材料除了由剪应力引起的剪切型破坏(图1-a)和应力集中引起的拉伸型破坏(图1-b)以外,还有挤压应力所引起的使孔边受挤压产生发白甚至压碎现象的挤压破坏。材料抵抗挤压的能力称为挤压强度。对玻璃钢的连接件特别需要了解其拚压性能,以供设计、研究人员参考。     

基于玻纤映射的螺栓连接强度及损伤分析

探讨了车身结构中注塑成型玻纤增强复合材料(GFRP)螺栓连接强度及其损伤失效的主要类型。开展了PA6GF30材料的相关力学性能测试,基于Multicontinuum(MTC)理论进行材料分解与材料参数拟合,获得了有限元仿真分析的相关材料参数。拉伸样条的仿真与实验结果表明:基于材料分解、玻纤映射、材料参数拟合的仿真分析方法能有效解决注塑件模流分析与结构分析的延续性与准确性问题,同时提高了仿真分析的效率。基于玻纤材料的准确映射信息,着重研究了玻纤增强复合材料间螺栓的连接强度与损伤失效模式,并综合分析了端径比、宽径比及厚径比对螺栓连接强度及材料损伤失效的影响。结果表明:连接失效的主要模式为拉伸失效与挤压失效,且对连接性能影响较大的因素依次为宽径比、厚径比、端径比;随着宽径比、端径比的增大,螺栓的连接强度均有所增强,但当比值分别大于4和2.5后连接强度不再增加,主要表现为挤压失效;增大厚径比能显著提高螺栓的连接强度。     

复合材料层合板孔边应力场的有限元计算

纤维增强复合材料具有较高的比强度、比刚度和比模量,在航空航天领域得到越来越广泛的应用.层合板是当前复合材料在工程结构中应用的主要形式.对于含孔的层合板结构,由于材料的各向异性以及孔的影响,其应力分布比较复杂,采用数值解是较好的选择.本文基于层合板的可设计性特点,综合考虑铺层角度、铺层顺序等对层合结构的影响,设计出了一种二十四层对称层合板.以有限元方法为基础,借助ANSYS分析工具,对该层合板含孔结构的孔边应力重点分析,得出了不同铺层角度铺层中应力分布的云图和孔边应力分布曲线.本文结论对复合材料层合板优化设计和带孔层合结构的应力计算具有较好的参考价值.     

M21/T800复合材料层压板挤压性能研究

采用ASTM D 5961标准试验方法对M21/T800复合材料挤压性能进行研究。对不同层压板厚度、不同环境以及不同紧固件类型下的层压板挤压试验结果进行了比较,对层压板挤压强度和破坏模式进行了总结。结果表明,由于层压板的厚度和孔形式不同,单钉单搭接的极限挤压强度在433.6～856 MPa间,即最低值和最高值分别为433.6 MPa和856 MPa,差值接近一倍;M21/T800复合材料的挤压强度受环境影响不大;常温和湿热环境挤压强度相当;板厚较小的层压板挤压强度受钉类型的影响比较大,最大挤压强度差值为174.01 MPa。     

复合材料单搭多钉连接钉载分配研究

为了研究多钉连接载荷分配,设计了复合材料4钉单搭连接拉伸试验件,测量了试验件拉伸过程中的应变分布,并计算出各钉的承载。结果表明,单搭接连接件由于次弯曲影响很难准确测量出载荷分布;4钉承载比例不均匀,中间两钉承载较小,外侧两钉承载较大。     

一种失效准则在面外载荷下含孔层合板的应用

开孔和面外弯曲会引起层合板局部应力过高,导致局部基体开裂、纤维断裂以及层间分层等失效模式。本文采用解析法和有限元法相结合的方法,对开孔无限大层合板的孔边应力进行研究。基于经典层合板理论和复变函数理论对复合材料平板在面外载荷作用下进行孔边应力分析,通过保角变换,解决应力函数在复杂孔形边界上的问题;引入Puck和Yamada-Sun混合强度失效准则,对层合板刚度进行迭代,研究了带孔复合材料平板孔边真实应力应变分布,并与有限元结果进行了对比,吻合较好。本文工作以期能对开孔层合板的失效预测提供指导。     

复合材料沉头搭接强度与渐进损伤研究

基于三维渐进损伤理论,引入Tserpes失效准则及其改进的材料性能退化准则,建立复合材料沉头搭接结构的有限元模型。在试验验证数值仿真模型正确性的基础上,探讨了端距、板宽及拧紧力矩对接头强度的影响,并对搭接接头从初始损伤到最终失效的过程进行可视化模拟。结果表明,端径比由2到4、宽径比由3到5、拧紧力矩由0到5.9 N·m的过程中,接头强度明显增强,超过上述范围,强度增加不明显或不再增加。在静拉伸过程中,2号钉孔处复合材料板的损伤程度要比1号钉孔处严重,且2号钉孔的损伤扩展导致接头最终失效;90°铺层最先产生损伤,其类型主要为基体开裂,0°铺层损伤情况最弱,±45°铺层沿着-45°方向产生基体开裂,随后沿板宽方向产生大量纤维断裂。     

复合材料双钉胶-螺混合连接结构参数对失效载荷的影响

在试验验证仿真模型可行性的基础上,通过数值模拟的方法探究了复合材料的铺层顺序,混合连接结构的宽径比、端径比、孔径比等参数对钛合金-复合材料双钉胶-螺混合连接结构承载能力的影响。研究结果表明:在常用的铺层顺序中,铺层顺序为[45°/0°/-45°/90°]_(3s)时,混合连接结构的承载能力最好;增加宽径比,连接结构的失效载荷会逐渐上升,但是连接强度却逐渐下降;在一定范围内,适当增加端径比或孔径比可以提高连接结构的承载能力,当超过这个范围时,连接结构的承载能力会下降。     

木芯复合材料梁柱T型植筋节点受力性能试验研究

针对木芯复合材料梁柱T型节点,提出胶接和植筋两种连接方式,前者采用了复合材料节点连接件,后者包括有节点连接件和无节点连接件两种形式。通过剪切-转角试验,分析不同形式节点的力学特性及破坏特征,得到了其剪切-转角曲线、转动刚度和承载力。结果表明:有节点连接件的植筋连接(TJ3)具有良好的弹性性能和承载能力,其承载力分别为无节点连接件的植筋连接(TJ2和TJ4)的2倍和1.6倍;此外,在近节点荷载作用下(剪跨比为5/3),试件TJ3为剪切破坏,其他3个都为受弯破坏;TJ2、TJ3和TJ4螺纹钢筋的应力分布规律大体一致,最大拉应力都位于连接件与柱连接界面处。     

法向载荷下含金属预埋件碳纤维层合板强度分析

建立了含圆柱形金属预埋件和阶梯形金属预埋件碳纤维/环氧树脂层合板的三维分析模型,单层板简化为三维正交各向异性材料。采用有限元方法对法向载荷下含金属预埋件四边简支层合板进行了应力分析,给出了发生初始损伤单层板各材料主方向应力分布和金属预埋件的VON MISES应力分布。基于复合材料单层板的最大应力强度准则给出了两种分析模型的极限载荷。分析结果表明,含圆柱形预埋件层合板初始损伤发生在45°铺层靠近孔边的2点钟方位,破坏模式为基体剪切破坏;含阶梯型预埋件层合板初始损伤发生在-45°铺层靠近孔边的10点钟方位,破坏模式为基体拉伸破坏。法向载荷作用下,阶梯型预埋件结构比圆柱形预埋件结构具有更大的传力面积,大部分纤维处于适宜的受拉状态,其极限载荷比圆柱形预埋件结构提高了40.36%。     

二维三轴编织复合材料的开孔静力学性能及失效行为

为考察典型二维三轴编织复合材料(2DTBC)在开孔条件下的静力学性能及失效机理，采用机器人辅助二维三轴编织及真空树脂灌注工艺成型制备了2DTBC试样，并分别考察了其在开孔拉伸(OHT)、开孔压缩(OHC)、单钉单剪(SBS)及单钉双剪(SBD)四种典型开孔静力测试下的力学响应及失效行为。结果表明：较传统层合板而言，2DTBC的开孔性能保持率显著提高，轴向及横向开孔拉伸强度保持率分别达到94.77%和96.88%，轴向及横向开孔压缩强度保持率分别达到93.25%和82.74%。OHT试样的失效模式表现为纤维束断裂、纤维束拉拔损伤、基体破坏和界面分层损伤。OHC试样的失效模式表现为纤维束屈曲失效、分层损伤和基体破坏。SBS及SBD试样的失效模式主要表现为螺钉连接处的分层、纤维束开裂及基体破坏，且试样在达到载荷峰值后没有立即失效，表现出了较好的能量吸收能力。     

复合材料连接孔的破坏分析

本文通过云纹实验,从试件断口观察以及有限元的计算,详尽分析了复合材料连接孔的破坏过程和破坏机理。通过改变纤维的增强方向和比例,获得三种典型的破坏模式——拉伸、挤压、劈裂。讨论了不同破坏模式的应变特性,比较了相互间应变分布、应变集中、破坏强度等方面的异同点,为复合材料连接件的设计提供了可靠依据。     

连续纤维复合材料环形试样蠕变行为研究

对连续玻璃纤维复合材料进行了拉伸蠕变试验研究,为了模拟复合材料在压力容器中的受力状态并减少夹具加持力对试样的影响,采用环形复合材料试样拉伸蠕变试验方法。对复合材料环形试样的拉伸强度及不同应力等级下的拉伸蠕变性能进行了研究,并基于时间?应力等效原理,通过双对数法拟合出压力容器50年使用寿命时复合材料的最大蠕变应力,为复合材料压力容器的设计提供支持。并基于时间?应力等效原理,通过双对数法拟合出压力容器50年使用寿命时复合材料的最大蠕变应力应低于其拉伸强度的44.4 %。     

复合材料螺栓连接渐近失效分析

为了研究预紧力和摩擦系数对复合材料螺栓连接强度的混合影响及其机理,使用ANSYS软件建立了复合材料层合板单钉连接的三维有限元模型。采用渗透接触法来模拟螺栓的预紧力,考虑各组件之间的接触摩擦和结构二次弯曲的影响,使用改进后的三维Hashin失效准则和Camanho退化模型,对复合材料单钉连接进行渐进失效分析。数值模拟结果与文献中的实验结果吻合良好。分析结果表明,增大接触面的摩擦系数和施加合适的预紧力均能提高接头强度。摩擦系数小时,通过增加预紧力来提高接头强度的效果不明显,反而使复合材料容易发生基体开裂。在施加预紧力的同时应综合考虑摩擦系数的大小。     

平纹编织C/SiC单钉铆接单元的制备与拉伸行为EI北大核心CSCD

耐高温高强韧性连续碳纤维增韧碳化硅复合材料(C/SiC)是空天飞行器用热结构件的首选材料之一。C/SiC热结构件的结构复杂,其连接技术是推动该材料应用的关键。采用化学气相渗透工艺制备2D C/SiC单钉铆接单元,研究其微结构和拉伸行为,分析相应的失效机制。结果表明:2D C/SiC单钉铆接单元的显微结构具有多孔、非均匀粘接和非均匀钉孔间隙特征。铆接剪切强度平均值为157.77 MPa,超过2D C/SiC面内剪切强度。搭接界面脱粘、钉孔相互挤压和铆钉内纤维剪断是2D C/SiC单钉铆接单元的主要失效机制。孔周损伤呈现3种典型形貌,分别为孔周形貌完好、基体压溃和钉孔界面脱粘。     

格栅剪力键的FRP板与混凝土粘结性能试验研究

针对不同界面连接形式的FRP板与混凝土进行单剪试验,重点研究破坏形式、极限承载力及破坏机理等内容,研究表明:布置单向剪力连接件时,增加连接件数量、减小连接件间距可以提高界面抗剪承载力,也可改善构件弹性阶段整体刚度;提出的双向格栅剪力连接件可明显提高界面整体抗剪承载力,并可增强弹性阶段构件整体刚度。     

变角度牵引铺缝复合材料开孔拉伸性能研究

对碳纤维TFP预制件增强复合材料的开孔拉伸强度进行了研究,对比了TFP预制件和平纹机织物两种不同增强形式对层压板开孔拉伸强度的影响.利用有限元软件Abaqus实体建模,分析两种开孔层压板在承受拉伸载荷条件下的应变分布.结果表明:TFP碳纤维预制件相对于平纹机织物,孔边的最大应变减小62.8％,有效缓解了孔边的应力集中;...     

带约束构造的新型栓钉剪力连接件的受力分析

为研究带约束构造的新型栓钉剪力连接件的力学性能,设计了6个不同参数的构件进行静力推出试验,试验证明新型栓钉剪力连接件优异的抗劈裂性能。基于试验结果对该连接件进行了推出试验有限元模拟分析,在此基础上讨论了混凝土板厚、栓钉直径和混凝土强度对其极限承载力的影响。研究表明：这种有限元分析方法能较准确地模拟这类带约束构造的新型栓钉剪力连接件的受力过程,且误差在5%以内,可用于实际工程的参数分析。带约束构造的新型栓钉剪力连接件对板厚以及栓钉直径较为敏感,对砼强度敏感程度较低。