金属和复合材料胶接设计

简述胶接接头的设计原则胶接接头是一种常见的连接方式，广泛应用于各个领域的工程和制造中。

其设计原则是为了确保连接的牢固性、可靠性和耐久性。

本文将从材料选择、接触面设计、结构设计和质量控制四个方面介绍胶接接头的设计原则。

一、材料选择：胶接接头的材料选择十分重要，直接影响到接头的性能。

首先要选择合适的胶粘剂，它应具有良好的粘结性和耐久性。

根据应用的具体条件，选择合适的胶粘剂类型，如热固性胶粘剂、压敏胶粘剂、环氧胶粘剂等。

其次，要选择合适的基材，如金属、塑料、复合材料等，以及表面处理方式，如清洁、打磨、除氧等。

二、接触面设计：接触面设计是胶接接头的关键，直接影响到接头的接触面积和接触强度。

接触面应尽量大，以增加接触面积，提高胶接接头的强度。

同时，接触面的形状也要设计合理，避免出现尖角或过于平滑的情况，以增加接触面的机械锚固效果。

三、结构设计：结构设计是指胶接接头的整体形状和连接方式。

在设计时要考虑到接头所承受的力和环境条件，并选择合适的结构形式。

例如，对于承受拉伸力的接头，应采用榫卯结构或带钢箍加固的设计；对于承受剪切力的接头，应采用榫卯结构或带钢板加固的设计。

此外，还要考虑到接头的拆卸性和维修性，以便日后的维护和更换。

四、质量控制：胶接接头的质量控制是确保接头性能稳定的关键。

在生产过程中，要严格控制胶粘剂的配比和固化时间，确保胶接接头的强度和耐久性满足设计要求。

同时，要进行必要的质量检测和测试，如拉伸试验、剪切试验、热老化试验等，以确保接头的质量稳定和可靠。

胶接接头的设计原则包括材料选择、接触面设计、结构设计和质量控制四个方面。

在设计时要考虑到接头的使用条件和要求，选择合适的材料和结构形式，并进行严格的质量控制。

只有在符合这些原则的基础上，才能设计出性能稳定、可靠耐用的胶接接头。

毕业设计（论文）题目航空器复合材料胶接修补的抗冲击设计院系专业年级学生姓名指导教师2014年6月5日摘要复合材料通常用于航空器的主承力结构或次承力结构。

与金属材料相比，复合材料有很多优点，如强度大、抗疲劳性能高、电性能及热性能好，减震性能、破损安全性和耐化学腐蚀性好。

正因为这些突出的热点，先进复合材料在航空、航天、机械等领域得到了越来越广泛的应用。

航空器的结构可能受到的冲击都会造成航空器结构的损伤和缺陷，影响其结构强度、疲劳性能以及稳定性，尤其是胶接修补结构。

因此，对航空器复合材料胶接修补的抗冲击设计，可以更好的保证航空器的安全性和稳定性。

实验方法、理论分析方法和数值计算方法是当前用于此类研究的三种方法。

数值计算方法是在理论分析和实验研究的基础上进一步发展起来的，并且随着计算机技术的发展，它的应用更加广泛。

数值计算方法的优点是方法简单，受客观条件影响小，参数可调性强，无需耗费大量的经费和精力。

本文采用数值计算的方法，通过使用有限元分析软件ANSYS/ /LS-DYNA 12.0,选用不同的补片直径以及不同的冲击位置，模拟弹体冲击胶接修补的靶板建立模型，得到弹体的速度变化历程、加速度变化历程和胶接修补靶板的变形及应力情况。

进而进行分析研究航空器复合材料胶接修补结构的抗冲击性能。

关键词：复合材料; 胶接修补; 冲击; 数值分析; 有限元; ANSYS/LS-DYNAAbstractComposite materials are usually used in main bearing or secondary bearing structure of the aircraft. Compared with metal material, composite material has many advantages, such as strength, strong fatigue resistance, good electrical and thermal performance, shock absorption performance, security and good resistance to chemical corrosion damage. Because of these excellent advantages, the advanced composite material is more and more widely used in the fields of aviation, aerospace and machinery.The impact that aircraft structure may received can cause damage and defects of aircraft structure, which affects the structural strength, fatigue performance and stability, especially composite bonded repair structure. The analysis of the impact on aircraft composite bonded repair structure can better ensure the safety and stability of the aircraft.There are three methods used in such studies, and they are experiment method, theoretical analysis and numerical calculation method. Numerical method is further developed on the basis of theoretical analysis and experimental research, and with the development of computer technology, its application becomes more widely. The advantages of numerical calculation method are simple, little influenced by objective conditions, adjustable parameters, and not spends a lot of money and energy.This article adopts the method of numerical calculation, by using the finite element analysis software ANSYS/LS/DYNA 12.0, choosing different the patch diameter and different location of impact. By modeling and simulating the process of projectile impact the bonded repair target board, we can get the velocity and acceleration time history curve, the deformation and stress conditions of the target board. Then we can analysis the impact resistance of aircraft composite bonded repair structure.Keywords: composite material, impact, bonded repair, numerical analysis, finite element, ANSYS/LS-DANA目录摘要 (I)Abstract (II)目录.............................................................................................................................. I II 第一章绪论. (1)1.1 前言 (1)1.2 国内外研究现状 (3)1.3 本课题的主要研究任务 (4)1.4本课题的实现方法 (5)第二章复合材料理论及有限元法在复合材料冲击中的应用 (6)2.1纤维增强复合材料的主要力学性能 (6)2.2复合材料的优点 (6)2.3复合材料的缺点 (7)2.4各向异性弹性力学基本方程 (7)2.4.1有一弹性对称面的情况 (10)2.42 正交各向异性的情况 (11)2.5有限元方法在复合材料冲击中的应用 (13)2.5.1有限元方法介绍 (13)2.5.2ANSYS/LS-DYNA程序介绍 (13)2.5.3冲击分析基本理论 (14)2.5.4 接触碰撞的数值计算方法 (17)第三章利用ANSYS建立复合材料修补的有限元模型 (19)3.1有限元方法和工程软件ANSYS简介 (19)3.2利用ANSYS建立有限元模型 (20)3.2.1单元类型 (20)3.2.2 材料模型 (21)3.2.3几何模型 (22)3.2.4 网格划分 (23)3.3 求解控制 (24)第四章复合材料胶接修补结构冲击结果与分析 (27)4.1 冲击位置对胶接修补母板抗冲击强度的影响 (27)4.11 几何模型参数 (27)4.12 后处理结果 (27)4.13 处理结果分析 (33)4.2 补片几何尺寸对胶接修补母板抗冲击强度的影响 (34)4.21 几何模型参数 (34)4.22 后处理结果 (35)4.23 后处理结果分析 (41)4.3 胶层厚度对胶接修补母板抗冲击强度的影响 (43)4.31 几何模型参数 (43)4.32 后处理结果 (43)4.33 后处理结果分析 (50)第五章基于胶接修补结构抗冲击性能分析的胶接修补参数设计 (51)5.1 引言 (51)5.2 胶接修补结构的参数设计 (51)第六章总结与展望 (52)参考文献 (53)致谢 (55)第一章绪论1.1 前言复合材料是由两种或两种以上独立物理相的材料通过复合工艺组合而成的新型材料，其中，连续相成为基体，分散相称为增强体。

树脂基复合材料胶接性能评价规范复合材料/金属第3部分：试验方法1 范围本标准规定了汽车用树脂基复合材料与金属胶接性能评价的试验原理、试样、试验装置、试验条件、试验步骤和试验数据处理方法。

2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。

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GB/T 16997—1997 胶粘剂主要破坏类型的表示法GB/T 7124—2008 胶粘剂拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料）GB/T 6329—1996 胶粘剂对接接头拉伸强度的测定HB 7402—1996 碳纤维复合材料层合板Ⅰ型层间断裂韧性G IC试验方法HB 7403—1996 碳纤维复合材料层合板Ⅱ型层间断裂韧性G IIC试验方法GJB 3383-1998 胶接耐久性试验方法ISO 4587-2003 胶粘剂—刚性材料对刚性材料粘接拉伸剪切强度测试GB/T 7122-1996 高强度胶粘剂剥离强度的测定浮辊法ISO 19095-3-2015塑料类—塑料/金属组合体界面粘附性能评价标准第3部分试验方法T/CSAE XX-2—201X 聚合物基复合材料胶接性能评价规范复合材料/金属第1部分：试样T/CSAE XX-3—201X 聚合物基复合材料胶接性能评价规范复合材料/金属第2部分：试验方法T/CSAE XX-4—201X 聚合物基复合材料胶接性能评价规范复合材料/金属第4部分：耐久性试验3 试样条件试样应无扭曲，并应具有相互垂直的平行表面对。

表面和边缘应无划痕，凸起，凹痕和毛刺。

通过目视和游标卡尺测量，试样的直边、直角和平面应满足一致性要求。

目视或测量结果显示的不满足要求试样应该在试验前被去除或者再次对其形状和尺寸进行加工以满足要求。

4 试验步骤4.1 拉伸剪切试验4.1.1 试验设备电子万能试验机，参照T/CSAE XX-1的5.1节规定。

玻璃钢与橡胶复合制品的粘接工艺玻璃钢与橡胶是两种完全不同的材料,它们的物理性能、化学结构和机械性能都有着极大的差别。

怎样才能使这两种不同的材料结合在一起成为人们所需要的具有不同特性的复合制品呢?粘接就是非常适用的一种方法。

而且在这类产品中,粘接技术也是决定复合制品性能的重要因素之一。

2玻璃钢与橡胶的粘接机理粘接是被粘物与胶粘剂接触后分子间力作用的结果。

粘接早期,胶粘剂必须是具有与被粘物表面相同或相似的分子间作用力,易于浸润被粘物表面,两相间最好是面接触,以利于完成初步的界面粘接。

胶粘剂固化成为高聚物主要是完成内聚粘接,同时补充完成界面粘接。

同样对于玻璃钢/橡胶复合结构的界面胶接,则是通过胶粘剂与玻璃钢、胶粘剂与橡胶两个界面之间的吸咐、扩散、交联反应,以及橡胶内部的硫化反应和胶粘剂内部的固化反应产生相当高的粘接强度。

结果在低模量的橡胶与高模量的玻璃钢之间,胶粘剂形成了模量梯度,以减少复合结构受力时的应力集中,使玻璃钢/橡胶复合结构具有良好的性能。

3胶粘剂的选择胶粘剂的基本功能,是将被粘物联接起来。

由于不存在能满足所有材料、所有应用条件和所有粘接条件的万能胶粘剂,所以对需要粘接的复合结构要判定哪些性能或条件才是最重要的。

通常在选择胶粘剂时主要考虑的因素是:被粘材料的性能、粘接制品的强度要求和耐久要求、粘接制品的服务要求、胶粘剂本身的性质及工艺上的特别要求。

对于玻璃钢/橡胶复合结构的界面粘接,首先要考虑的一个重要因素就是两种被粘材料物理性质和化学性质的差异。

对于橡胶而言,它是柔性材料,而玻璃钢是一种高强度的刚性材料,这样被粘体的可曲挠性和热膨胀性的差异会在胶层内产生应力,这种内应力有可能会使粘接制品在没有外加荷载前就已经发生胶粘剂的内聚破坏了。

本着相同材料之间应力最小的原则。

对于不同组成的被粘材料,有人提出,如果两种材料的弹性模量各自为E1和E2总的相对伸长各自为L1和L2。

要满足最小应力的必要条件,就要使胶粘剂的弹性模量接近于12(E1+E2),总伸长接近于12(L1+L2)。

胶粘剂对金属复合材料界面性能的影响与改进策略1. 引言金属复合材料由金属基体和其他非金属材料组成，在工业制造中广泛应用。

为了提高金属复合材料的性能，通常需要使用胶粘剂来将不同材料固定在一起。

然而，胶粘剂在金属复合材料的界面中起着至关重要的作用。

本文将探讨胶粘剂对金属复合材料界面性能的影响，并提出改进策略。

2. 胶粘剂对界面性能的影响2.1 粘结强度胶粘剂的选择和使用对金属复合材料的粘结强度有直接影响。

胶粘剂应具有足够的附着力来确保金属复合材料的稳定性。

同时，胶粘剂的粘接强度应与金属复合材料的强度相匹配，以避免出现粘接接口断裂的情况。

2.2 界面能量胶粘剂在金属复合材料的界面形成一层粘结层，该层的能量也称为界面能量。

界面能量的大小将直接影响胶粘剂和金属基体之间的黏附性。

较低的界面能量将降低粘结强度和耐化学腐蚀性。

2.3 抗剪强度金属复合材料的工作条件可能包含剪切应力，因此胶粘剂对抗剪强度的要求也很高。

胶粘剂的选择应考虑到金属复合材料所需的抗剪强度。

3. 胶粘剂的改进策略3.1 选择合适的胶粘剂在选择胶粘剂时，需考虑不同金属复合材料的性质，如金属基体材料、非金属材料的种类和性质。

根据这些因素，选择具有良好黏附性和附着力的胶粘剂。

同时，还应考虑胶粘剂与金属复合材料的相容性，以避免不同材料之间的相互作用。

3.2 表面处理在使用胶粘剂之前，对金属复合材料的表面进行适当处理是关键步骤之一。

表面处理可以通过清洁、去除氧化层、打磨等方式进行。

这将有助于增加金属复合材料界面的粘附性和界面能量，从而提高胶粘剂的粘结强度。

3.3 混合比例的优化正确的胶粘剂混合比例对于金属复合材料的性能至关重要。

通过对胶粘剂中各组分配比进行优化，可以改善黏附性和附着力。

此外，还应注意控制胶粘剂的固化过程，以确保胶粘剂能够充分固化，从而提高金属复合材料界面的稳定性。

3.4 添加增强剂在胶粘剂中添加一些适当的增强剂，如纳米颗粒、纤维等，可以改善金属复合材料界面的力学性能。

树脂基复合材料胶接性能评价规范复合材料/金属第2部分：试样1 范围本标准规定了汽车用树脂基复合材料与金属胶接性能评价的试验原理、试样、试验装置、试验条件、试验步骤和试验数据处理方法。

2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。

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GB/T 7124—2008 胶粘剂拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料）GB/T 6329—1996 胶粘剂对接接头拉伸强度的测定GB/T 1446—2005 纤维增强塑料性能试验方法总则HB 7402—1996 碳纤维复合材料层合板Ⅰ型层间断裂韧性G IC试验方法HB 7403—1996 碳纤维复合材料层合板Ⅱ型层间断裂韧性G IIC试验方法GB/T 7122-1996 高强度胶粘剂剥离强度的测定浮辊法ISO 17212—2012 结构胶粘剂-粘合前金属和塑料表面处理指南ASTM D2093-2003 塑料粘接前表面处理标准规程ISO 19095-2-2015塑料类—塑料/金属组合体界面粘附性能评价标准第2部分试样T/CSAE XX-2—201X 聚合物基复合材料胶接性能评价规范复合材料/金属第1部分：试样T/CSAE XX-3—201X 聚合物基复合材料胶接性能评价规范复合材料/金属第3部分：试验方法T/CSAE XX-4—201X 聚合物基复合材料胶接性能评价规范复合材料/金属第4部分：耐久性试验3 试样制备聚合物基复合材料试样的制备参照GB/T 1446的要求进行。

粘接前复合材料的表面处理应符合胶粘剂制造商的建议，可以考虑实际的工程应用条件，其他的表面处理细节可参照ISO 17212 和ASTM D2093的要求进行。

表面处理方法的选择原则为：不降低复合材料整体性能的条件下，尽量保证良好的粘接。

对于ISO 17212 和ASTM D2093中没有的内容，应在试验报告中如实记录表面处理方法。