碳纖維和鋁合金構(gòu)件膠接結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與分析學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1碳纖維和鋁合金構(gòu)件膠接結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計碳纖維和鋁合金構(gòu)件膠接結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(shj)與分析與分析第一頁，共50頁。 隨著復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)中日益廣泛的使用，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件之間、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件與金屬構(gòu)件之間連接也越來越普遍。復(fù)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(yīng)力分布比較均勻、減輕結(jié)構(gòu)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(fù)合材料和金屬構(gòu)件的膠接也面臨許多問題。為了保證復(fù)合結(jié)構(gòu)的膠接的安全性和可靠性，可以對膠接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計?？梢?，對膠接接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計也是提高復(fù)合結(jié)構(gòu)膠接強度的有效措施之一。本文研究碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件和鋁合金構(gòu)件

2、膠接結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(fù)雜的物理化學(xué)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(zhì)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(shè)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(shè)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(fù)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(shè)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(fù)合材料是多相材料，由增強材料和基體樹脂組成。復(fù)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(jié)構(gòu)與性能。所以，也要在復(fù)合結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu)如圖所示。從應(yīng)力分析可知，膠縫兩端出的剪切應(yīng)力和拉應(yīng)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(fù)合材料膠接J.纖維復(fù)合材料,1997,3(1):51-55.單搭接單搭接受力模型圖單搭接應(yīng)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(jìn)行膠接的連接形式。斜接接頭受拉（壓）力時如圖所示： 由應(yīng)力分析可知，垂直于膠接面的法向應(yīng)力和平行于膠接面的剪切應(yīng)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(jié)構(gòu)參數(shù)會對膠接強度產(chǎn)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(fù)合材料的特點可知，為了提高膠接強度，復(fù)合材料膠接不僅僅需要選擇匹配的膠粘劑，還要在生產(chǎn)復(fù)合材料構(gòu)件的時候?qū)ζ湔_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(jié)果看，復(fù)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(chǎn)生層間剝離破壞。復(fù)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(chǎn)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(dāng)?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(nèi)部缺陷增多，固化后內(nèi)應(yīng)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(jìn)行拉伸試驗，其結(jié)果如表所示：單搭接 外側(cè)凹槽 外側(cè)切角 內(nèi)側(cè)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(shè)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(jié)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(yīng)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(jìn)行(jnxng)分析，得到膠層中部的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jìn)行分析。得到膠層中部的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jìn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)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(jìn)行仿真驗證，為所設(shè)

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(fù)合材料允許的情況下適當(dāng)?shù)脑黾雍穸?，一般由國家?biāo)準(zhǔn)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(fù)合材料和鋁合金構(gòu)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(jìn)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(yīng)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(yīng)力(yngl)分布S13剪切應(yīng)力(yngl)，SMisesMises等效應(yīng)力(yngl) 優(yōu)化接頭的應(yīng)力分布如下圖，其單元節(jié)點應(yīng)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(yīng)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(jìn)行有限元分析，在施加同樣載荷P=1000Pa的條件下進(jìn)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(yīng)力分布S13剪切應(yīng)力，SMisesMises等效應(yīng)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(yīng)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(jìn)行有限元分析得出的結(jié)果如下。斜接的應(yīng)力分布S13剪切應(yīng)力，SMisesMises等效應(yīng)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(yīng)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(yīng)力(yngl)分布S13剪切應(yīng)力(yngl)，SMisesMises等

17、效應(yīng)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(yīng)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(yīng)力分布圖，可見優(yōu)化接頭的膠層中部應(yīng)力峰值相比這三種接頭的應(yīng)力峰值都比較小，優(yōu)化后的接頭應(yīng)力峰值有所下降，應(yīng)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(nèi)外對復(fù)合結(jié)構(gòu)膠接技術(shù)連接強度的研究現(xiàn)狀，查閱復(fù)合材料膠接的有關(guān)資料，了解復(fù)合材料膠接的主要工藝流程。l 針對典型膠接接頭進(jìn)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(jié)構(gòu)參數(shù)及力學(xué)模型進(jìn)行分析，以增強連接強度為目標(biāo)，根據(jù)膠接接頭的各項設(shè)計準(zhǔn)則，設(shè)計一種優(yōu)化的膠接接頭結(jié)構(gòu)形式。l 用ABAQUS對比分析優(yōu)化設(shè)計的膠接接頭結(jié)構(gòu)與典型膠接接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)和連接強度，驗證所設(shè)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