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CFRP/铝合金胶铆混合连接力学性能及疲劳强度分析

库克超  
【摘要】:工业化的发展使得我国环境问题日益严峻,能源危机日趋紧张,轻量化成为推动工业化持续健康发展的重要手段之一。近年来,铝合金等轻质材料带动了工业上“以铝代钢”的热潮,在汽车、能源化工、建筑等行业应用广泛。与此同时,随着材料科学的发展,碳纤维增强复合材料(CFRP)以其质轻、高强、抗疲劳等优势,在工业发展中崭露头角,成为航空航天、汽车船舶等领域主导材料之一。因此在多种轻质材料共存背景下,必将会产生新型CFRP材料与传统铝合金等轻质材料安全可靠连接问题。近年来,随着MMD多材料设计思想的引进,异质材料轻量化设计也成为研究的一个热门话题。本文通过总结分析近年来国内外研究学者对机械连接技术的研究成果及相关理论方法,提出CFRP/铝合金异质材料胶铆混合连接方法。首先,通过有限元仿真分析和拉伸剪切试验,对CFRP/铝合金异质材料胶接、铆接和胶铆混合连接结构力学性能进行分析探究;然后,运用ANSYS n Code软件对异质材料在不同连接方式下结构件的疲劳损伤进行分析,对结构件的疲劳损伤寿命进行估算,通过对比分析全面解读异质材料胶铆混合连接力学性能;最后,以CFRP/铝合金胶铆混合连接结构件为研究对象,对影响连接接头强度的因素进行分析和讨论,旨在提高CFRP/铝合金胶铆混合连接接头的整体性能。主要结论如下:(1)通过有限元方法和实验方法对CFRP/铝合金胶接、铆接和胶铆混合连接结构件的力学性能进行分析。结果表明:相对于异质材料铆接和胶接,胶铆混合连接接头的应力分布更为均匀,极大地降低了接头应力集中现象,削减了拉伸载荷对胶层的剥离力和剪切力,使得整体结构的力学性能有较为显著的提升。通过对比实验方法和有限元分析方法的数据结果,也验证了有限元分析方法分析异质材料连接的可行性。(2)运用ANSYS n Code软件对循环载荷作用下CFRP/铝合金胶接、铆接和胶铆混合连接结构件的疲劳损伤和疲劳寿命进行分析。结果表明:CFRP/铝合金异质材料胶铆混合连接件较胶接和铆接疲劳损伤较小,整体疲劳寿命有一定的提升,结构整体力学性能更加稳定。(3)胶层厚度在0.127mm~0.5mm范围内,CFRP/铝合金异质材料胶铆混合连接整体等效应力、胶层的剥离应力和剪切应力、铆钉孔边剪切应力整体上随着胶层厚度的增加而降低。说明在一定胶层厚度范围内,胶层厚度越大,胶铆混合连接整体力学性能越佳。(4)铆钉孔的孔径大小对胶铆混合连接整体等效应力大小和分布影响不大,但是对胶层剥离应力和剪切应力、铆钉孔边剪切应力影响较大。结合本文研究模型,当孔径大小为5.2mm时,胶铆混合连接模型中胶层和铆钉孔最大应力最低,应力分布更为均匀,整个模型结构最为合理。(5)胶粘剂材料对CFRP/铝合金胶铆混合连接整体力学性能和铆钉孔边剪切应力影响较小,对胶层剥离应力和剪切应力的影响最大。在拉伸载荷作用下,使用低弹性模量的丙烯酸酯胶粘剂的胶铆混合连接接头应力分布更均匀,模型整体的力学性能更为稳定。(6)在相同载荷作用下,双铆钉横向排布较纵向排布CFRP/铝合金异质材料胶铆混合连接模型的最大等效应力降低近一半,胶层的剥离应力和剪切应力也有所降低,对提升整个模型力学性能更为有利。


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