碳纤维和铝合金构件胶接结构优化设计与分析

1、1 飞行器制造工程飞行器制造工程 指导老师： 答辩人： 答辩时间： 内容提要 1 飞行器制造工程飞行器制造工程 一 二 四 三 五 2 飞行器制造工程飞行器制造工程 一 1 2 随着复合材料在航空结构中日益广泛的使用，复合材 料结构件之间、复合材料结构件与金属构件之间连接也越 来越普遍。复合材料的胶接与机械连接方式相比有不削弱 基体材料、受力时应力分布比较均匀、减轻结构的重量等 优点，在飞机的装配中占有非常重要的地位。 同时，复合材料和金属构件的胶接也面临许多问题。 为了保证复合结构的胶接的安全性和可靠性，可以对胶接 工艺参数进行优化设计。可见，对胶接接头结构进行优化 设计也是提高复合结构胶接

2、强度的有效措施之一。本文研 究碳纤维复合材料构件和铝合金构件胶接结构优化设计与 分析是非常必要的。 3 飞行器制造工程飞行器制造工程 1 胶接过程是一个复杂的物理化学过程，其工艺流程如下图所示： 胶接工艺流程图 胶接强度取决于胶粘剂的性质和被粘材料表面的胶接特性、前处 理工艺、胶粘剂的用量、固化工艺、接头设计、接头成形工艺等因素。 而其中许多胶接工艺过程很难控制，选择相对容易的接头优化设计是 比较可取的方法。 4 飞行器制造工程飞行器制造工程 研究意义2 5 飞行器制造工程飞行器制造工程 二 四 三 五 6 飞行器制造工程飞行器制造工程 7 飞行器制造工程飞行器制造工程 纤维复合材料的性能由纤

3、维铺层方向决定，在不同方向上强 度相差很大。因此，胶接接头的承载能力也有方向性差异，接头 设计中主要承载方向与材料的主要强度方向一致，才能提高胶接 强度。 碳纤维复合材料是多相材料，由增强材料和基体树脂组成。 复合材料基体树脂与胶粘剂主体树脂的相容性直接影响胶接的界 面结构与性能。所以，也要在复合结构的胶接中选择合适的胶粘 剂。 8 飞行器制造工程飞行器制造工程 9 飞行器制造工程飞行器制造工程 胶接的破坏形式 胶接接头的能力一般用破坏性试验来评价，根据破坏的位置 可分为三种：内聚破坏（图a）、界面破坏（图c）、混合破坏 （图d） 10 飞行器制造工程飞行器制造工程 胶接的受力分析 这种胶接接

4、头结构如图所示。从应力分析可知，胶 缝两端出的剪切应力和拉应力最大，向中间逐渐递减， 中央部位最小。其平均剪切强度为： 周祝林,吴妙生.复合材料胶接J.纤维复合材料,1997,3(1):51-55. 单搭接 单搭接受力模型图 单搭接应力分布 11 飞行器制造工程飞行器制造工程 式中,L为搭接长度；t为被胶接件厚度；a，b为常数。 12 飞行器制造工程飞行器制造工程 斜接 斜接头就是将两个被粘物切成同样的斜度，并将切口 进行胶接的连接形式。斜接接头受拉（压）力时如图所示： 由应力分析可知，垂直于胶接面的法向应力和平行于 胶接面的剪切应力分别为: n n 13 飞行器制造工程飞行器制造工程 式中，

5、 t为板的宽度， 为斜面夹角。 由以上的几个公式可以直观的判断出部分结构参数会 对胶接强度产生影响，如搭接长度，被粘接件厚度和宽度。 14 飞行器制造工程飞行器制造工程 15 飞行器制造工程飞行器制造工程 由碳纤维复合材料的特点可知，为了提高胶接强度，复合材料 胶接不仅仅需要选择匹配的胶粘剂，还要在生产复合材料构件的时 候对其正确铺层。下表中为胶接面不同纤维方向胶接时的剪切强度。 从试验结果看，复合材料层压板待胶接表面纤维最好与载荷方向一 致，不得与载荷方向垂直，以免被接件过早产生层间剥离破坏。 复合材料在不同纤维方向的胶接强度 16 飞行器制造工程飞行器制造工程 由胶接的受力分析可知，胶接接

6、头的接头尺寸，被粘 接件的宽度和厚度，都会对胶接强度产生影响。但胶接接 头试件一般不能轻易改变其尺寸，只能适当的增加搭接搭 接长度来增加胶接强度。 胶接强度随着胶层厚度增加而降低，这是因为厚胶层 内部缺陷增多，固化后内应力也大实际上也不是胶层越薄 越好，胶层太薄容易造成缺胶，而使粘接强度降低，通常 胶层厚0.10.25 mm为宜。在保证不缺胶的情况下，薄而 均匀的胶层，会获得较高的粘接强度。 17 飞行器制造工程飞行器制造工程 对下图中五种接头形式进行拉伸试验，其结果如表所示： 单搭接 外侧凹槽 外侧切角 内 侧切角 双搭接 各种接头形式的破坏 载荷与拉伸强度 18 飞行器制造工程飞行器制造工

7、程 四 三 五 19 飞行器制造工程飞行器制造工程 胶接接头的优化设计过程 不改变其余 参数情况下 使用有限元 分析软件 验证并总结 各参数对胶 接强度的影 响规律 20 飞行器制造工程飞行器制造工程 搭接长度的分析与优化 单搭接的几何模型如下图所示，试件板长100mm，宽25mm， 厚2mm，胶层厚0.2mm，在分析过程中使用搭接长度分别为12.5mm， 25mm，50mm，施加载荷为P=1000Pa。 单搭接几何模型 21 飞行器制造工程飞行器制造工程 22 飞行器制造工程飞行器制造工程 单搭接接头处网格划分图单搭接接头处应力云图 23 飞行器制造工程飞行器制造工程 使用同样的分析方法，改

8、变搭接长度，分别对搭接长度为 12.5mm，30mm，50mm进行分析，得到胶层中部的应力分布图。 搭接长度为12.5mm搭接长度为25mm搭接长度为50mm 剪切应力 24 飞行器制造工程飞行器制造工程 搭接长度为12.5mm搭接长度为25mm搭接长度为50mm Mises等效应力 25 飞行器制造工程飞行器制造工程 使用同样模型和分析步骤，在搭接长度同样为12.5mm时使用 三个不同的胶层厚度分别为0.1mm，0.15mm，0.2mm进行分析。得 到胶层中部的应力分布图。 胶层厚度为0.1mm胶层厚度为0.15mm胶层厚度为0.2mm S11X方向正应力 26 飞行器制造工程飞行器制造工程

9、 胶层厚度为0.1mm胶层厚度为0.15mm胶层厚度为0.2mm S22Y方向正应力 27 飞行器制造工程飞行器制造工程 胶层厚度为0.1mm胶层厚度为0.15mm胶层厚度为0.2mm S33Y方向正应力 28 飞行器制造工程飞行器制造工程 使用同样模型和分析步骤，在搭接长度同样为12.5mm时使用 三个不同的斜削角度分别为60 ，30 ，10 进行分析。其有限 元模型图如下。 斜削搭接有限元模型 29 飞行器制造工程飞行器制造工程 斜削处网格划分图斜削处应力云图 30 飞行器制造工程飞行器制造工程 斜削搭接的应力分布图如下所示。 斜削角度为60 斜削角度为30 斜削角度为10 S11X方向正

10、应力 31 飞行器制造工程飞行器制造工程 斜削角度为60 斜削角度为30 斜削角度为10 Mises等效应力 32 飞行器制造工程飞行器制造工程 l 对搭接长度影响搭接强度的规律分析及有限元仿真验证，为 所设计搭接接头的搭接长度选择为30cm。 l 对胶层厚度对搭接强度的影响规律的分析及有限元仿真验证， 为所设计的搭接接头胶层厚度选择0.15mm。 l 对接头形式中斜削的角度对搭接接头胶接强度影响的规律的 分析以及用有限元软件进行仿真验证，为所设计的搭接接头斜削厚 度选择 。 l 在被粘物也就是铝合金和碳纤维复合材料允许的情况下适当 的增加厚度，一般由国家标准试件长宽不能任意改变，所以试件厚

11、度仍选择2mm。 l 选择适合复合材料和铝合金构件胶接的胶粘剂FM73。 33 飞行器制造工程飞行器制造工程 四 五 34 飞行器制造工程飞行器制造工程 由上一章优化搭接模型，施加P=1000Pa的力，几何模型如图， 进行有限元仿真分析。 优化搭接模型，施加P=1000Pa的力，几何模型如图4-1。优化搭接模型，施加P=1000Pa的力，几何模型如图4-1。 优化接头的几何模型 35 飞行器制造工程飞行器制造工程 胶接件图胶接装配实体 36 飞行器制造工程飞行器制造工程 胶接件网格划分图 胶接部分应力云图 37 飞行器制造工程飞行器制造工程 优化接头的应力分布 S13剪切应力，SMisesMi

12、ses等效应力 优化接头的应力分布如下图，其单元节点应力值（节选）如表 中所示。 38 飞行器制造工程飞行器制造工程 优化接头单元节点应力值（节选） 39 飞行器制造工程飞行器制造工程 分别对单搭接、斜接、单搭板对接进行有限元分析，在施加同 样载荷P=1000Pa的条件下进行对比。因为已经对单搭接分析过，其 中，斜接和单搭板对接的模型如下图。 40 飞行器制造工程飞行器制造工程 斜接有限元模型 单搭板对接有限元模型 41 飞行器制造工程飞行器制造工程 单搭接的应力分布 S13剪切应力，SMisesMises等效应力 42 飞行器制造工程飞行器制造工程 单搭接单元节点应力值（节选） 43 飞行器

13、制造工程飞行器制造工程 对典型接头进行有限元分析得出的结果如下。 斜接的应力分布 S13剪切应力，SMisesMises等效应力 44 飞行器制造工程飞行器制造工程 斜接单元节点应力值（节选） 45 飞行器制造工程飞行器制造工程 搭板对接的应力分布 S13剪切应力，SMisesMises等效应力 46 飞行器制造工程飞行器制造工程 搭板对接单元节点应力值（节选） 47 飞行器制造工程飞行器制造工程 经过分析得到几种典型搭接接头在胶层中部的应力分 布图，可见优化接头的胶层中部应力峰值相比这三种接头 的应力峰值都比较小，优化后的接头应力峰值有所下降， 应力集中得到了明显的缓解，由此可以证明优化胶接接头 的接头强度较之典型接头有所提高。 48 飞行器制造工程飞行器制造工程 五 l 分析国内外对复合结构胶接技术连接强度的研究现状，查阅 复合材料胶接的有关资料，了解复合材料胶接的主要工艺流程。 l 针对典型胶接接头进行受力分析，综合考虑加温加压等对胶 接工艺流程中胶接性能的影响，比较分析其优缺点。之后建立结构 参数及力学模型进行分析，以增强连接强度为目标，根据胶接接头 的各项设计准则，设计一种优化的胶接接头结构形式。 l 用ABAQUS对比分析优化设计的胶接接头结构与典型胶接接头 结构参数和连接强度，验证所设计的胶接接头确实优于典型胶接接 头。 49 飞行器制