【《搭接材料对复合材料胶结接头应力传播的影响分析》3300字】

搭接材料对复合材料胶结接头应力传播的影响分析目录TOC\o"1-3"\h\u948搭接材料对复合材料胶结接头应力传播的影响分析 129491.1研究概况 170741.2问题描述 177221.3方法验证 5142381.4结果分析 61.1研究概况本节将会对复合材料双剪胶结接头进行三维有限元分析，通过三维的有限元分析模型分析研究搭接材料对胶层剪切和剥离应力分布的影响。搭接材料包括钛合金，铝合金和复合材料。数值结果表明：刚性搭接材料不但可以缓解胶层应力集中，还使胶层应力分布均匀。复合材料胶结接头的动态剪切强度受到搭接材料刚度的影响，当搭接材料刚度最大时，接头的动态剪切强度最大。在设计复合材料胶接接头的时候，应该充分考虑一下搭接材料的选择。1.2问题描述图1.1给出复合材料双剪胶结接头的尺寸以及边界条件。复合材料为T700/5428碳纤维增强复合材料。中间复合材料板铺层为[0°]20，搭接复合材料铺层为[0°]10。搭接金属分别为钛合金和铝合金。接头使用胶粘剂J116B。复合材料，搭接金属和胶粘剂力学性能分别如表1.1，表1.2和表1.3所示。采用直接霍普金森压杆加载，通过子弹直接撞击中间复合材料，以此来获得应力数值。表1.SEQ表\*ARABIC1复合材料特性材料力学特性T700/5428E1=125GPaG12=5.6GPav12=0.32ρ=1600Kg/m3E2=7.8GPaG13=5.6GPav13=0.32E3=7.8GPaG23=1.67GPav23=0.46表1.SEQ表\*ARABIC2搭接金属特性材料力学特性钛合金Ti-6Al-4VE=110GPav=0.29ρ=4500Kg/m3铝合金2024-T3E=72GPav=0.33ρ=2700Kg/m3表1.SEQ表\*ARABIC3胶粘剂特性材料力学特性J116BE=1GPav=0.3ρ=600Kg/m3图1.SEQ图\*ARABIC1双剪模型尺寸以及边界条件(单位：mm)图1.2给出CC接头受到面内冲击时的1/4有限元模型。整个模型采用三维实体单元C3D8R划分网格。复合材料层合板沿厚度方向每层设置一层单元，而搭接金属则沿厚度方向共设置五层单元。图1.3给出搭接区的网格划分细图。因为搭接区边缘出现应力集中，为捕捉边缘处的应力分布，沿胶层边缘处设置50个单元。胶层沿厚度方向划分四层单元。在对称面上施加对称边界条件，固定出射杆末端。模拟时施加沿x方向速度激励，如图1.2所示。胶粘剂和复合材料均为弹脆性材料。在本文载荷作用下，金属板没有发生塑性变形且复合材料没有发生破坏。同时在冲击载荷作用下，胶粘剂强度增强。因此本节假设复合材料，被搭接金属和胶层之间发生了线弹性行为。整个有限元模拟过程持续了大约40μs，输出步骤为100。图1.SEQ图\*ARABIC21/4复合材料-复合材料胶结接头有限元模型图1.SEQ图\*ARABIC3搭接区网格划分(单位:mm)图1.4冲击速度与时间的关系1.1.1胶层剪切应力在压缩面内冲击作用下，胶层的平均法向应力相对胶层平均剪切应力较小，如图1.10所示，本文将通过胶层平均剪切应力，剪切应力均匀系数和胶层剪切应力集中系数量化搭接材料对胶层剪切应力的影响。根据文献[26]，胶层平均剪切应力：(1.1)其中：L为胶层长度，W为胶层宽度，Ta为胶层厚度，τxz(x,y,z,t)为胶层任意点上任意时间t的剪切应力。由于胶层剪切应力沿宽度方向分布几乎为定值，可用在宽度中面的胶层剪切应力表示胶层平均剪切应力：(1.2)胶层最大平均剪切应力：(1.3)根据文献[29]，使用胶层最大平均剪切应力表征复合材料胶结接头的动态剪切强度。胶层最大平均剪切应力越大，接头的动态剪切强度越强。使用剪切应力均匀系数表征剪切应力均匀性：(1.4)当剪切应力均匀系数趋于0时，胶层剪切应力均匀性好。在设计时，应该尽量保证胶层剪切应力的均匀性。因为接头剪切强度与胶层剪切应力集中系数成反比关系，在设计时，应该尽量降低胶层的剪切应力集中。根据文献[28]，胶层剪切应力集中系数定义为：(1.5)1.3方法验证图1.5给出试验和模拟得到的胶层剪切应力比较。模拟得到的胶层剪切应力随时间的变化趋势以及最大剪切强度的变化趋势与试验曲线基本一致，证明本文有限元方法的正确性。图1.5试验和模拟得到的胶层剪切应力比较1.4结果分析图1.6给出三种接头的胶层平均剪切应力。复合材料-复合材料接头剪切强度最大，而复合材料-铝接头剪切强度最小。可以看到，随着搭接材料横向刚度的增大，接头的动态剪切强度不断增强。搭接材料通过改变胶层的应力分布来改变接头的动态剪切强度，下文将分析搭接材料对胶层应力分布的影响。图1.6三种接头的胶层平均剪切应力图1.7给出三种接头的胶层剪切应力分布。当加载时间结束时(t=20μs)，胶层剪切应力到达峰值。随后，胶层剪切应力随着时间不断增大而减小。在应力传递过程中，由于应力波在接头的多次反射，剪切应力随时间出现多次振荡。因为搭接材料刚度不匹配，CT接头和CA接头的剪切应力随时间的振荡比CC接头明显。因为胶层两端出现局部变形，应力集中明显，胶层两端的剪切应力振荡更为剧烈。胶层剪切应力在胶层中部最小，沿两端逐渐增大，胶层剪切应力峰值出现在胶层边缘，并随着搭接材料刚度的增大而减小。对于CT接头和CA接头而言，胶层剪切应力峰值位于靠近刚度较弱一端(x=L)，胶层剪切应力沿胶层长度中面(x=L/2)非对称分布。因为2024T3铝的横向刚度与复合材料板等效横向刚度相差较大，胶层两端应力相差最大，CA接头的剪切应力分布最不均匀。因为钛合金横向刚度与复合材料板等效刚度Exx相差不大，CT接头的胶层两端应力相差很小，CT接头的剪切应力分布相对CA接头均匀。而对于CC接头，胶层剪切应力相对胶层长度中面(x=L/2)对称分布，其胶层剪切应力分布最为均匀。图1.7胶层剪切应力分布图1.8给出三种接头的胶层法向应力波传播。胶层法向应力随时间的变化规律与胶层剪切应力一致。钛合金法向刚度最大，CT接头的胶层法向应力随时间的振荡最剧烈。因为CC接头的基板法向刚度一致，胶层法向应力随时间的振荡最不明显。与胶层剪切应力分布不同，胶层法相应力在胶层中部几乎消失，其峰值位于胶层两侧。靠近冲击速度一端(x=0)的法向应力为负值，其幅值随着搭接材料横向刚度的增大而增大；远离冲击速度一端(x=L)的法向应力为正值，为胶层的剥离应力，其随着搭接材料法向刚度的增大而增大。以上说明胶层法向应力的分布是搭接材料横向刚度和法向刚度共同作用的结果。因为搭接金属刚度与复合材料不一致，胶层法向应力沿胶层长度方向分布不均匀。图1.8胶层法向应力分布使用胶层最大平均剪切应力正则化胶层应力。图1.9(a)和图1.9(b)分别给出接头平均剪切应力达到最大时对应的正则化胶层剪切应力和法向应力(y=0)。从图1.9(a)可以看出，因为2024T3铝的横向刚度最小，CA接头胶层正则化胶层剪切应力峰值最大，应力集中最严重，出现在刚度较弱一端。搭接材料刚度一致且复合材料层合板等效横向刚度最大，CC接头胶层正则化胶层剪切应力最小，应力集中最不明显。从图1.9(b)可以看出，在靠近冲击一端，正则化胶层法向应力为负值，正则化胶层法向应力随着搭接材料横向刚度的增大而增大。在远离冲击一端，正则化胶层平均法向应力为正值。正则化胶层法向应力随着搭接材料法向刚度的增大而减小。复合材料法向刚度最小，CC接头容易发生剥离破坏。钛合金法向刚度最大，CT接头不易发生剥离破坏。从图1.9可以推断，对于刚度不匹配的复合材料胶结接头，其动态剪切强度由刚度较弱的搭接材料决定。（a）正则化胶层剪切应力（b)正则化胶层法向应力图1.9接头剪切应力达到最大时对应的正则化胶层应力(y=W/2)图1.10给出三种接头的胶层平均法向应力与平均剪切应力比R。开始阶段，因为惯性效应，应力比R较高，但此时胶层平均法向应力没有超过1MPa。随着时间的推移，因为结构效应，应力比R为一渐进值(asymptoticvalue<20%)，该渐进值小于20%。这说明接头的动态剪切强度主要由胶层平均剪切应力决定。达到渐进值后，因为应力波反射，应力比R出现振荡，其振幅随着搭接材料法向刚度的增大而增大。因为搭接材料刚度一致且复合材料法向刚度最小，CC接头的应力比R值最小，且振荡并不明显。由于钛合金法向刚度最大，因此CT接头应力比R及其振幅在三种接头里面最大。图1.10胶层法向应力与剪切应力比R图1.11给出接头应力集中系数ψ(t)随着时间的变化。因为瞬态效应的影响，应力集中系数ψ(t)在初始阶段较大。最后又因为结构效应，应力集中系数ψ(t)趋于定值，但会发生小范围振荡。定值为最终应力集中系数ψ(t)大小。从图1.11可以看出，应力集中系数ψ(t)随着搭接材料横向刚度的增大而减小。CC接头的应力集中系数最小，其剪切强度最大；CA接头的应力集中系数最大，其剪切强度最小。图1.11应力集中系数随时间的变