碳纖維和鋁合金構件膠接結構優(yōu)化設計與分析學習教案

1、會計學1碳纖維和鋁合金構件膠接結構優(yōu)化設計碳纖維和鋁合金構件膠接結構優(yōu)化設計(shj)與分析與分析第一頁，共50頁。 隨著復合材料在航空結構中日益廣泛的使用，復合材料結構件之間、復合材料結構件與金屬構件之間連接也越來越普遍。復合材料的膠接與機械連接方式相比有不削弱基體材料、受力時應力分布比較均勻、減輕結構的重量等優(yōu)點，在飛機的裝配中占有非常(fichng)重要的地位。 同時，復合材料和金屬構件的膠接也面臨許多問題。為了保證復合結構的膠接的安全性和可靠性，可以對膠接工藝參數(shù)進行優(yōu)化設計?？梢姡瑢δz接接頭結構進行優(yōu)化設計也是提高復合結構膠接強度的有效措施之一。本文研究碳纖維復合材料構件和鋁合金構件

2、膠接結構優(yōu)化設計與分析是非常(fichng)必要的。3 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程1第2頁/共50頁第二頁，共50頁。 膠接過程是一個復雜的物理化學過程，其工藝(gngy)流程如下圖所示： 膠接工藝(gngy)流程圖 膠接強度取決于膠粘劑的性質和被粘材料表面的膠接特性、前處理工藝(gngy)、膠粘劑的用量、固化工藝(gngy)、接頭設計、接頭成形工藝(gngy)等因素。而其中許多膠接工藝(gngy)過程很難控制，選擇相對容易的接頭優(yōu)化設計是比較可取的方法。4 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程研究(ynji)意義2第3頁/共50頁第三頁，共50頁。5 飛行器制造飛行器制造(

3、zhzo)工程工程二四三五第4頁/共50頁第四頁，共50頁。6 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程第5頁/共50頁第五頁，共50頁。7 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程 纖維復合材料的性能由纖維鋪層方向決定，在不同方向上強度相差很大。因此，膠接接頭的承載能力也有方向性差異，接頭設計中主要承載方向與材料的主要強度方向一致，才能提高膠接強度。 碳纖維復合材料是多相材料，由增強材料和基體樹脂組成。復合材料基體樹脂與膠粘劑主體樹脂的相容性直接影響膠接的界面結構與性能。所以，也要在復合結構的膠接中選擇合適的膠粘劑。第6頁/共50頁第六頁，共50頁。8 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工

4、程第7頁/共50頁第七頁，共50頁。9 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程膠接的破壞形式 膠接接頭的能力一般用破壞性試驗來評價，根據(jù)破壞的位置可分為三種：內聚破壞（圖a）、界面破壞（圖c）、混合破壞（圖d）第8頁/共50頁第八頁，共50頁。10 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程膠接的受力分析 這種膠接接頭結構如圖所示。從應力分析可知，膠縫兩端出的剪切應力和拉應力最大，向中間逐漸遞減，中央部位最小。其平均剪切強度為： 周祝林,吳妙生.復合材料膠接J.纖維復合材料,1997,3(1):51-55.單搭接單搭接受力模型圖單搭接應力分布第9頁/共50頁第九頁，共50頁。11 飛行器制造飛

5、行器制造(zhzo)工程工程 式中,L為搭接長度；t為被膠接件厚度；a，b為常數(shù)。 第10頁/共50頁第十頁，共50頁。12 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程斜接 斜接頭就是將兩個被粘物切成同樣的斜度，并將切口進行膠接的連接形式。斜接接頭受拉（壓）力時如圖所示： 由應力分析可知，垂直于膠接面的法向應力和平行于膠接面的剪切應力分別為:nn第11頁/共50頁第十一頁，共50頁。13 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程 式中， t為板的寬度， 為斜面夾角。 由以上的幾個公式可以直觀的判斷出部分結構參數(shù)會對膠接強度產生影響，如搭接長度，被粘接件厚度和寬度。第12頁/共50頁第十二頁，共5

6、0頁。14 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程第13頁/共50頁第十三頁，共50頁。15 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程 由碳纖維復合材料的特點可知，為了提高膠接強度，復合材料膠接不僅僅需要選擇匹配的膠粘劑，還要在生產復合材料構件的時候對其正確鋪層。下表中為膠接面不同纖維方向膠接時的剪切強度。從試驗結果看，復合材料層壓板待膠接表面纖維最好與載荷方向一致，不得與載荷方向垂直，以免被接件過早產生層間剝離破壞。復合材料在不同纖維方向的膠接強度第14頁/共50頁第十四頁，共50頁。16 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程 由膠接的受力分析可知，膠接接頭的接頭尺寸，被粘接件的寬度和

7、厚度，都會對膠接強度產生影響。但膠接接頭試件一般不能輕易改變其尺寸，只能適當?shù)脑黾哟罱哟罱娱L度來增加膠接強度。 膠接強度隨著膠層厚度增加而降低，這是因為厚膠層內部缺陷增多，固化后內應力也大實際上也不是膠層越薄越好，膠層太薄容易造成缺膠，而使粘接強度降低，通常膠層厚0.10.25 mm為宜。在保證不缺膠的情況下，薄而均勻的膠層，會獲得較高的粘接強度。第15頁/共50頁第十五頁，共50頁。17 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程 對下圖中五種接頭形式進行拉伸試驗，其結果如表所示：單搭接 外側凹槽 外側切角 內側切角 雙搭接各種接頭形式的破壞載荷與拉伸強度第16頁/共50頁第十六頁，共50頁。

8、18 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程四三五第17頁/共50頁第十七頁，共50頁。19 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程膠接接頭的優(yōu)化設計過程不改變其余參數(shù)情況下使用有限元分析軟件驗證并總結各參數(shù)對膠接強度的影響規(guī)律第18頁/共50頁第十八頁，共50頁。20 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程搭接(d ji)長度的分析與優(yōu)化 單搭接的幾何模型如下圖所示，試件板長100mm，寬25mm，厚2mm，膠層厚0.2mm，在分析過程中使用搭接長度分別為12.5mm，25mm，50mm，施加載荷為P=1000Pa。單搭接幾何模型第19頁/共50頁第十九頁，共50頁。21 飛行器制造飛

9、行器制造(zhzo)工程工程第20頁/共50頁第二十頁，共50頁。22 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程單搭接接頭處網(wǎng)格(wn )劃分圖單搭接接頭處應力云圖第21頁/共50頁第二十一頁，共50頁。23 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程 使用同樣的分析方法，改變搭接長度，分別對搭接長度為12.5mm，30mm，50mm進行(jnxng)分析，得到膠層中部的應力分布圖。搭接長度為12.5mm搭接長度為25mm搭接長度為50mm剪切應力第22頁/共50頁第二十二頁，共50頁。24 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程搭接(d ji)長度為12.5mm搭接長度為25mm搭接長度為5

10、0mmMises等效應力第23頁/共50頁第二十三頁，共50頁。25 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程 使用同樣模型和分析步驟，在搭接長度同樣為12.5mm時使用三個不同的膠層厚度分別為0.1mm，0.15mm，0.2mm進行分析。得到膠層中部的應力分布圖。膠層厚度為0.1mm膠層厚度為0.15mm膠層厚度為0.2mmS11X方向正應力第24頁/共50頁第二十四頁，共50頁。26 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程膠層厚度(hud)為0.1mm膠層厚度為0.15mm膠層厚度為0.2mmS22Y方向正應力第25頁/共50頁第二十五頁，共50頁。27 飛行器制造飛行器制造(zhzo)

11、工程工程膠層厚度(hud)為0.1mm膠層厚度為0.15mm膠層厚度為0.2mmS33Y方向正應力第26頁/共50頁第二十六頁，共50頁。28 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程 使用同樣模型和分析步驟，在搭接長度同樣為12.5mm時使用三個不同的斜削角度分別為60 ，30 ，10 進行分析。其有限元模型圖如下。斜削搭接有限元模型第27頁/共50頁第二十七頁，共50頁。29 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程斜削處網(wǎng)格(wn )劃分圖斜削處應力云圖第28頁/共50頁第二十八頁，共50頁。30 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程斜削搭接的應力(yngl)分布圖如下所示。斜削角度

12、為60 斜削角度為30 斜削角度為10 S11X方向正應力第29頁/共50頁第二十九頁，共50頁。31 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程斜削角度(jiod)為60 斜削角度為30 斜削角度為10 Mises等效應力第30頁/共50頁第三十頁，共50頁。32 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程l 對搭接長度影響搭接強度的規(guī)律分析及有限元仿真驗證，為所設計搭接接頭的搭接長度選擇為30cm。l 對膠層厚度對搭接強度的影響規(guī)律的分析及有限元仿真驗證，為所設計的搭接接頭膠層厚度選擇0.15mm。l 對接頭形式中斜削的角度對搭接接頭膠接強度影響的規(guī)律的分析以及用有限元軟件進行仿真驗證，為所設

13、計的搭接接頭斜削厚度選擇 。l 在被粘物也就是鋁合金和碳纖維復合材料允許的情況下適當?shù)脑黾雍穸?，一般由國家標準試件長寬不能任意改變，所以試件厚度仍選擇2mm。l 選擇適合復合材料和鋁合金構件膠接的膠粘劑FM73。第31頁/共50頁第三十一頁，共50頁。33 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程四五第32頁/共50頁第三十二頁，共50頁。34 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程 由上一章優(yōu)化搭接模型，施加P=1000Pa的力，幾何模型如圖，進行有限元仿真分析。優(yōu)化搭接模型，施加P=1000Pa的力，幾何模型如圖4-1。優(yōu)化搭接模型，施加P=1000Pa的力，幾何模型如圖4-1。優(yōu)化接頭

14、的幾何模型第33頁/共50頁第三十三頁，共50頁。35 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程膠接件圖膠接裝配(zhungpi)實體第34頁/共50頁第三十四頁，共50頁。36 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程膠接件網(wǎng)格(wn )劃分圖膠接部分應力云圖第35頁/共50頁第三十五頁，共50頁。37 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程優(yōu)化接頭的應力(yngl)分布S13剪切應力(yngl)，SMisesMises等效應力(yngl) 優(yōu)化接頭的應力分布如下圖，其單元節(jié)點應力值（節(jié)選）如表中所示。第36頁/共50頁第三十六頁，共50頁。38 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程優(yōu)

15、化接頭(ji tu)單元節(jié)點應力值（節(jié)選）第37頁/共50頁第三十七頁，共50頁。39 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程 分別對單搭接、斜接、單搭板對接進行有限元分析，在施加同樣載荷P=1000Pa的條件下進行對比。因為已經(jīng)對單搭接分析過，其中，斜接和單搭板對接的模型如下圖。第38頁/共50頁第三十八頁，共50頁。40 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程斜接有限元模型(mxng)單搭板對接有限元模型第39頁/共50頁第三十九頁，共50頁。41 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程單搭接(d ji)的應力分布S13剪切應力，SMisesMises等效應力第40頁/共50頁第四十

16、頁，共50頁。42 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程 單搭接單元節(jié)點應力(yngl)值（節(jié)選）第41頁/共50頁第四十一頁，共50頁。43 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程 對典型(dinxng)接頭進行有限元分析得出的結果如下。斜接的應力分布S13剪切應力，SMisesMises等效應力第42頁/共50頁第四十二頁，共50頁。44 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程 斜接單元節(jié)點應力(yngl)值（節(jié)選）第43頁/共50頁第四十三頁，共50頁。45 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程搭板對接的應力(yngl)分布S13剪切應力(yngl)，SMisesMises等

17、效應力(yngl)第44頁/共50頁第四十四頁，共50頁。46 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程搭板對接單元節(jié)點(ji din)應力值（節(jié)選）第45頁/共50頁第四十五頁，共50頁。47 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程 經(jīng)過分析得到幾種典型搭接接頭在膠層中部的應力分布圖，可見優(yōu)化接頭的膠層中部應力峰值相比這三種接頭的應力峰值都比較小，優(yōu)化后的接頭應力峰值有所下降，應力集中得到了明顯的緩解，由此可以證明優(yōu)化膠接接頭的接頭強度較之典型接頭有所提高。第46頁/共50頁第四十六頁，共50頁。48 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程工程五l 分析國內外對復合結構膠接技術連接強度的研究現(xiàn)狀，查閱復合材料膠接的有關資料，了解復合材料膠接的主要工藝流程。l 針對典型膠接接頭進行受力分析，綜合考慮加溫加壓等對膠接工藝流程中膠接性能的影響，比較分析其優(yōu)缺點。之后建立結構參數(shù)及力學模型進行分析，以增強連接強度為目標，根據(jù)膠接接頭的各項設計準則，設計一種優(yōu)化的膠接接頭結構形式。l 用ABAQUS對比分析優(yōu)化設計的膠接接頭結構與典型膠接接頭結構參數(shù)和連接強度，驗證所設計的膠接接頭確實優(yōu)于典型膠接接頭。第47頁/共50頁第四十七頁，共50頁。49 飛行器制造飛行器制造(zhzo)工程