单搭接胶接接头弹性应力的二维分析方法_赵波
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复合材料胶接搭接接头应力分析方法研究张阿盈【摘要】胶接是复合材料结构主要连接方法之一,对胶接接头进行应力分析是保证复合材料安全性、耐久性的关键。
在初步设计阶段,一般采用解析方法对胶接接头进行应力分析及参数研究。
针对复合材料双搭接和单搭接胶接接头,在Tsai等人的理论分析方法(TOM方法)基础上,提出了一种改进的搭接接头剪应力分析方法,该方法考虑了被胶接件的剪切变形,认为被胶接件只有在靠近胶层的半个厚度上产生剪切变形,剪应力沿该半厚度呈线性分布。
算例分析结果表明:本文方法比现有的分析方法更接近于有限元模拟结果,可用于估算复合材料胶接接头剪应力分布。
%Adhesively bonding is an important joint method in composite structures. The stress analysis of adhe sively bonded joint is the key to guarantee safety and durability of composites. Currently, in structure initial design stage, joint stress analysis and parametric study are normally performed with analytical methods. Based on the theoretical solution of Tsai, et al (TOM method), an improved theoretical solution for adhesively bonded single-lap and double-lap joints is proposed, the shear effect in adhesive layer is considered. It is assumed that shear strain only exists in the half thickness of the adhesive layer. The results of improved analytical solution are compared with simulation results of finite element method as well as other existing methods, and show that the improved solutions are more close to numerical results than that of other existing theoretical ones for composite laminates. The proposed method caneffectively estimate shear stress distributions of adhesively bond composite lap joint.【期刊名称】《航空工程进展》【年(卷),期】2012(003)002【总页数】7页(P167-173)【关键词】复合材料;胶接接头;双搭接;单搭接;胶层;剪应力【作者】张阿盈【作者单位】中国飞机强度研究所,西安710065【正文语种】中文【中图分类】V214.80 引言胶接是复合材料结构主要连接方法之一,由于其结构轻、连接效率高、耗时少、成本低、疲劳性、密封性能好等优点,在航空结构上得到了越来越广泛的应用。
车用结构胶弹塑性本构方程的试验与仿真研究王华锋;王宏雁;陈君毅【摘要】通过胶条拉伸试验和厚粘附体胶接接头剪切试验,得到车用结构胶拉伸与剪切的应力-应变曲线和基本力学性能参数.根据塑性增量理论和采用的Hill屈服准则,建立了车用结构胶的弹塑性本构方程,得到ANSYS仿真的验证.研究的结果表明,采用ANSYS提供的BISO+ Hill材料模型能准确地模拟车用结构胶的力学性能.%Based on adhesive strip tensile test and thick adherends shear test, the stress-strain curves for tensile and shear and the basic mechanical property parameters of vehicle structural adhesives are obtained. By fur ther applying the incremental theory of plasticity and adopting Hill yield criterion, the elastic-plastic constitutive e quations of vehicle structural adhesives are established and then validated by simulation with ANSYS. The results of the research show that using BISO + Hill material model in ANSYS can accurately simulate the mechanical properties of vehicle structural adhesives.【期刊名称】《汽车工程》【年(卷),期】2012(034)002【总页数】5页(P154-158)【关键词】结构胶;弹塑性本构方程;Hill屈服准则;ANSYS【作者】王华锋;王宏雁;陈君毅【作者单位】同济大学汽车学院,上海201804;广西大学机械工程学院,南宁530004;同济大学汽车学院,上海201804;同济大学汽车学院,上海201804【正文语种】中文前言近年来,胶接工艺因其诸多优点而得到国内外众多汽车制造企业的广泛关注,从而使车用结构胶在许多车型上得到实际应用。
胶的粘弹性仿真建模经验总结工程中使用的大部分胶黏剂都属于粘弹性材料,其力学行为具有很强的时间相关性,表现出典型的“蠕变”(恒定外力下,材料的变形随加载时间的增加而逐渐增大)或“松弛”(恒定变形下,材料的应力随加载时间的增加而逐渐衰减)现象.上述特性又进一步影响粘接结构的力学行为,导致粘接结构在使用过程中,其结构应力随着加载时间的增加而逐渐变化.因此,合理地分析粘接结构应力分布,必须准确描述胶黏剂的时间相关力学特性.传统只定义弹性模型、泊松比仅对小应力下部分硬的胶水适合。
本文对胶水的粘弹性建模进行总结。
框架: 1. 粘弹性本构模型简介2. 弹性模量、剪切模量、体积模量、泊松比之间的关系3. 有限元建模4. 调研的几款胶水粘弹性模型的材料参数一、粘弹性本构模型简介二、弹性模量、剪切模量、体积模量之间的关系不像金属材料,胶黏剂的线弹性本构模型,有些文献输入的是弹性模量与泊松比。
有些是输入体积模量与剪切模量。
因此需要对这几个概念进行理清。
杨氏模量弹性模量:测试方法:GB/T 1040-2006 或GB/T 528-2009剪切模量的测试标准:ASTM D3983-98 ASTM E 229-1992 结构粘合剂剪切强度和剪切模量的测试方法如上,材料的杨氏模量、泊松比、体积模量和剪切模量四个变量只有两个变量是独立的。
对于金属通常线弹性模型经常输入弹性模量、泊松比是因为这两个参数比好测量或获取。
三. 胶水结构的粘弹性有限元建模粘弹性材料数据源自文献。
后处理:应力场分布后处理:胶与基板的界面线上的应力分布。
红色为不考虑粘弹性影响,蓝色为考虑粘弹性。
从中可看出,两者应力分布存在明显差异。
对粘结剂应力较大或施加应力时间较长,需要考虑其应力松弛或蠕变效应。
摘要复合材料结构的连接形式主要分为胶接和机械连接,随着复合材料在航空航天领域的广泛应用,胶接因其在复合材料结构连接中的优良特性日益受到结构设计人员的青睐,具有连接效率高、结构轻、抗疲劳、密封性好等优点。
然而胶接设计也具有很大的挑战性,在结构强度计算中,胶接连接接头部位一般为危险部位,需要重点校核。
所以,对复合材料胶接接头的设计分析是十分必要的。
本选题利用成熟的有限元商用软件ABAQUS,使用XFEM(扩展有限元法)对胶层和复合材料层的应力场等进行分析。
通过分析计算这些应力,同时应用相应的失效准则,进而可预测初始裂纹的扩展与否及扩展的长度,为胶接接头设计的选择提供必要的依据。
在文章中,讨论了胶接长度、胶层厚度和初始裂纹的位置对裂纹扩展的影响。
通过对仿真结果的分析,提出了减小胶接长度和胶层厚度的观点,指出裂纹易于产生及扩展的区域,对胶接接头的设计进行了优化。
胶接接头的优化设计对拓宽复合材料在飞机结构上的应用范围,进一步减轻结构重量、提高疲劳性能和降低制造成本具有重要的工程使用价值。
关键词:复合材料板胶接接头扩展有限元裂纹扩展AbstractThe joint methods of composite structure contain cementing and mechanical connection.. With the use of composite in the field of aviation increased a lot in recent years for its high strength and lightness, the cementing is increasingly favored by the structure design staff for its excellent characteristics in the connection field of composite structure. The characteristics are high ligation efficiency, light structure, antifatigue and good sealing. However, glued design also has a great challenge. In the structural strength calculations, glued joints are generally connected to dangerous parts and need to focus on checking. Therefore, the design and analysis of composite bonded joint is very necessary.The topic use the sophisticated and commercial software -ABAQUS, in the field of finite element, and use XFEM ( extended finite element method ) as the foundation to analysis the stress field of bonding layers and composite layers. By analyzing and calculating these stresses, while applying the appropriate failure criterion, we can predict the initial crack extension and the length of the expansion. In this way, it can provide the necessary basis for the design of bonding joints. In the article, we discussed the impact of the bonding length, layer thickness and initial crack location on crack propagation. Through the analysis of simulation results, we presented two standpoints of reducing the length of bonding joint and the thickness of adhesive. Besides, we pointed the areas where cracks are easy to generate and expand. Optimal design of adhesive joints in composite materials has important engineering value to broaden the scope of application of the aircraft structure and further reduce the structural weight, improve the performance of fatigue and reduce manufacturing costs.Keywords:Composite plates, Adhesive joints, XFEM, Crack extension目录摘要 (I)Abstract ....................................................... I I 目录.......................................................... I II 第一章引言.. (1)1.1导言 (1)1.2胶接连接 (2)1.2.1 简介 (2)1.2.2胶接连接应当注意的问题 (3)1.2.3胶接连接研究现状 (3)1.3 胶接接头 (4)1.3.1胶接接头简介 (4)1.3.2胶接接头的基本形式 (5)1.3.3胶接接头的破坏模式 (6)1.3.4胶接接头处可能出现的裂纹及其影响 (7)第二章复合材料损伤和胶接连接的力学模型 (8)2.1导言 (8)2.2复合材料层板强度预测 (8)2.3复合材料和胶层断裂准则 (10)第三章利用ABAQUS建立复合材料胶接接的有限元模型 (13)3.1扩展有限元方法和工程软件ABAQUS简介 (13)3.1.1传统有限元方法 (13)3.1.2扩展有限元方法及基本原理 (14)3.1.3ABAQUS简介 (15)3.2利用ABAQUS建立复合材料板胶接模型的过程 (16)3.2.1几何模型的建立和约束条件 (16)3.2.2材料属性 (17)3.2.3定义接触 (19)3.2.4 对于XFEM定义 (19)第四章基于裂纹扩展分析的单面搭接接头设计 (21)4.1复合材料胶接接头在纵向载荷下的受力分析 (21)4.2不同搭接长度下胶接接头的裂纹扩展情况 (23)4.2.1搭接长度为15mm的情况 (23)4.2.2搭接长度为10mm的情况 (25)4.2.3搭接长度为20mm的情况 (26)4.2.4不同搭接长度下裂纹情况的对比及结论 (28)4.3不同胶层厚度下胶接接头的裂纹扩展情况 (29)4.3.1胶层厚度为0.1mm的情况 (29)4.3.2胶层厚度为0.2mm的情况 (31)4.3.3胶层厚度为0.3mm的情况 (33)4.3.4不同胶层厚度下裂纹情况的对比及结论 (34)带五章基于裂纹扩展的斜面搭接接头设计 (37)5.1斜面搭接接头在纵向载荷下的受力分析 (37)5.2不同裂纹位置下胶接接头的裂纹扩展情况 (38)5.2.1选取的三种不同裂纹位置 (39)5.2.2裂纹的扩展情况 (40)5.2.3三种情况对比及结论 (42)5.3单面搭接和斜面搭接情况的对比 (43)第六章全文总结及展望 (46)6.1全文总结 (46)6.2展望 (47)致谢辞 (49)参考文献 (50)第一章引言1.1导言复合材料作为一种新材料,在最近的半个多世纪中飞速发展,由于复合材料采用纤维加强结构,使得复合材料具有比重小、比强度和比模量大的特点,并且由于采用的是铺层结构,制造过程简单,容易成型。
CFRP-铝合金板单、双搭接胶接接头刚度退化机理
邹田春;李龙辉;巨乐章;符记;李晔
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2022(36)19
【摘要】使用碳纤维增强复合材料(CFRP)和铝合金在常温下制备不同搭接长度的单、双搭接胶接试验件,探究不同搭接长度下接头拉伸破坏特点与失效形貌。
首先,利用电子万能试验机、数字图像相关(DIC)技术和扫描电子显微镜(SEM)进行拉伸试验,获得胶接接头载荷-位移曲线、表面应变分布和破坏形貌。
其次,依据试验数据,利用仿真软件建立试验件模型,使用3D Hashin和内聚力模型(CZM)模拟复合材料与胶层的损伤,将仿真结果与试验结果对比,验证仿真模型的有效性,获得胶层和前三层树脂层的破坏形貌。
最后,分析试验和仿真结果,对比单、双搭接接头应变分布特点与破坏过程,探究不同搭接长度下单、双搭接接头的失效机理。
结果表明:单、双搭接接头应变分布差异较大,单搭接接头因受到剪切与剥离载荷的耦合作用而发生损坏,双搭接接头则受到纯剪切破坏。
由于单、双搭接接头在拉伸载荷作用下的应变分布不同,两者的裂纹扩展路径有较大差异。
【总页数】6页(P151-156)
【作者】邹田春;李龙辉;巨乐章;符记;李晔
【作者单位】中国民航大学适航学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB332
【相关文献】
1.金属单搭胶接加强板接头力学性能分析
2.板厚、温度和速度对单搭接胶接接头强度的影响
3.刚度不平衡单搭接胶接接头剪切试验与强度分析
4.搭接长度对CFRP 单搭接胶接接头拉伸性能及破坏特征的影响
5.搭接长度对CFRP-铝板胶铆接头力学性能的影响
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