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复合材料胶接结构的全场应变分布研究

更新时间:2009-03-28

1 引言

碳纤维增强复合材料由于具有比强度高、比刚度高、抗腐蚀性能好以及优异的可设计性等优点,已成为飞机和航空发动机结构的重要材料之一,在汽车、运动器械上也有大量应用,并且在轻量化、节约能源等方面有突出贡献。复合材料是各向异性的,可以根据情况进行材料设计和剪裁,为设计师提供了更多自由度,但是也为损伤、失效等方面的分析增加了难度,复合材料结构内部产生大量损伤时,表面仅有小损伤或者目视不可测损伤,潜在危险很大,复合材料的失效机理复杂,现象多样。复合材料结构胶接连接能够具有高的结构效率,并且是减轻结构重量的一种措施。复合材料单搭接接头的基本力学性能由胶接连接形式、胶层性能以及复合材料被粘物性能决定。

为了提高复合材料胶接连接的安全性,多年来,业界开展了大量有关胶接结构的质量检测、失效试验和计算分析的研究工作。Hart-Smith[1]和Yang C.[2]等最早是通过解析法进行分析,为胶接结构的理论分析奠定了基础。

The comparison between simple patch and the combination one at 12 GHz lead to have better performance when using metamaterial in case of S11 radiation pattern.

随着实验技术的发展,逐渐开展了失效载荷、失效强度、失效模式等试验检测分析研究工作。Ahn S.H.[3]对不同的胶接类型进行了试验研究,考察了设计参数、湿度、温度等因素对胶接接头极限强度的影响。

基于理论与实验的基础上,使用有限元方法对复合材料胶接接头进行模拟也是一个研究热点,国内外的许多学者都对这个问题进行过深入的研究。Wang C.H.[4]、Campilho R.D.S.G.[5]考虑I型II型胶接从复合材料胶接接头的失效机理入手,开发了基于CZM的有限元分析准则。Frank A.Leone等[6]开发了胶接接头的渐进损伤分析工具;Carlos Sarrado等[7]、J.Neumayer等人[8]通过胶层单元研究胶接失效和分层失效机理,讨论了胶黏剂与被粘物的厚度以及胶层的断裂韧性的影响。本文作者也采用有限元方法进行了搭接结构的失效模拟[9],并对缺陷的影响进行了分析[10]。S.Budhe等人[11]综述了近几年的胶接结构的研究方法,并汇总了表面处理、接头结构形式、几何尺寸以及材料性能参数及失效模式等方面的研究结论。Ruixiang Bai等人[12]通过数字图像相关技术与有限元模拟对照进行胶接结构的界面应力分布分析。综上所述,可以看出,近期大部分的研究都是基于前期的测试手段开展的有限元模拟计算分析,大量的计算理论是建立在推测和假设上,因此对于胶接结构的性能分析、试验测试手段提出更高的要求。

在试样厚度方向取一个长方体单元,厚度为试样的厚度,长宽为单位长度,如图9所示,针对这个单元进行变形分析,提取左右两侧应变,计算这个单元的名义剪应变γyz,如图10所示,发现厚度截面的最大剪应变位置位于搭接区域边缘,包括平衡片区域的边缘,因此结合最大轴向应变位置和最大剪应变位置可以推测损伤萌生位置是搭接区域边缘或者平衡片边缘,具体位置由试样内部的微小裂纹和缺陷决定。

分析当前机械设计制造与自动化运行中,自动化运行设备的可靠性和稳定性,对于技术的实际应用效果,以及机械产品的设计制造质量影响重大。因此为从基础方面提升机械设计制造与自动化应用效果,加强自动化运行设备投用前期得检测,加强设备运行中的定期维护检修,落实控制系统及通信系统的检修维护,则为当前机械设计制造与自动化运行中的主要注意事项。通过落实完善的自动化运行设备,运行系统,通信系统,硬件设备检修维护,达到保障设备运行的稳定性和可靠性,提升系统的实际运行质量。

由图4及文献[17,18]可知,复合材料被粘物相对金属被粘物,层间强度相对较弱。文献中的金属与金属粘接时的失效模式为胶层失效或者胶层与界面失效,当复合材料胶接接头也发生此类失效模式时,说明接头的层间强度相对胶层及胶层-复合材料的界面相对较强;而文献中金属与复合材料粘接的复合材料的失效模式与本文接头的失效模式一致,说明,在一定胶接参数情况下,本文接头的层间强度相对胶层及胶层-复合材料的界面相对较弱,复合材料被粘物容易发生损伤,裂纹在一侧复合材料层压板的首层和第二层层间萌生并扩展。

2 实验材料与方法

2.1 试样

图7给出沿轴向中线位置的轴向应变E1的曲线,相比云纹图,曲线能够更加直接地反映高应变区域和低应变区域。低应变区域位于搭接区域两端的两个自由边1234区域和6区域,而自由边应变为零,周边区域的应变不能发生突变,因此自由边附近应变相对较小,由此推断,此位置应变相对较小是合理的。由自由边向中间是一个先增大后减小的过程,应变最大位置位于搭接区域内部,5与6之间,靠近自由边对侧位置,穿过搭接区域边缘之后,又开始增大,到达最大值之后又逐渐减小,在自由边对侧基本呈现对称分布。综上所述,搭接区域边缘位置应变相对较小,搭接区域边缘对侧搭接区域内部距离大约10mm位置应变最大。

  

图1 平衡型复合材料单搭接接头试样图纸

2.2 设备

本文试验环境状态:温度为25℃,干态。

平衡型复合材料单搭接接头的拉伸试验在微机控制电子万能试验机MTS C45.105试验机上进行,拉伸速率为2mm/min,在试样夹持区域添加与对侧胶接片等厚度的玻纤垫片,避免因夹持导致新的损伤。通过数字图像相关非接触测量仪VIC-3D的双CCD对加载过程中的试样表面的随机散斑进行拍摄处理分析。采用DH3821静态应变测试分析系统进行电阻应变测量,设备如图2所示。

通过试验方法获得像有限元数值模拟方法一样的全场的直观的应变分布图,接下来对试样的变形及破坏进行分析。

  

图2 测试设备

3 结果与分析

3.1 失效载荷及失效模式分析

对平衡型复合材料单搭接接头进行拉伸试验测试,单搭接接头的载荷位移曲线如图3所示,拉断最大力为10.74kN。可以看出,拉伸过程载荷位移曲线基本呈斜直线,到失效前基本为弹性变形阶段,试样发出轻微的响声之后断裂。

本文针对平衡型复合材料单搭接接头进行拉伸试验,并采用数字图像技术(DIC)研究全场应变,电阻应变片接触式测量方法作为对比方法,验证了数字图像技术(DIC)的有效性,研究拉伸作用下的平衡型复合材料单搭接接头的表面轴向应变分布、横向应变分布及厚度截面的剪应变分布。

  

图3 载荷位移曲线

  

图4 失效模式

3.2 单侧DIC单侧电阻应变分布分析

由于平衡型复合材料单搭接接头的双侧应变呈现反对称分布,将正面的应变分布图旋转180°等效于反面的应变分布图,如图9所示。

  

图5 DIC散斑和应变位置图

图6给出DIC测试结果与电阻式测试结果对比分析,可以看出,应变载荷曲线变化规律基本一致,最大失效应变也相差不多,说明数字图像相关技术测量结果与电阻式测量结果是基本吻合的。图中8个位置的应变可以看出,除了1、2、3和4,其余四个位置应变基本一致,经过计算,最大失效应变误差不超过6.3%,说明数字图像相关技术测量结果基本上与电阻式相一致,又可以证明双侧的应变是反对称分布的。1234位于搭接区域边缘,DIC对于边缘的检测会有一定的局限,DIC测得的1234并非边缘的应变值,因此即便有差异也是正常的。

3.3 全场应变分析

小练笔,顾名思义就是围绕某一个重点或中心进行小篇幅的写作练习,它具有短小、灵活的特点,然而学生却谈“练”色变,无从下手。为解决以上问题,笔者在小练笔设计上进行了创新,期待让每一位学生都能爱上小练笔,并养成良好的写作习惯。

试验中选用的复合材料预浸料体系是T300 9368型预浸料。采用HWM120进行胶接。平衡型胶接结构的结构形式和几何尺寸参考标准ASTM D3165“层压复合的胶粘剂拉伸剪切强度的标准试验方法”[16],如图1所示为平衡型胶接结构的试验件照片及几何尺寸。被粘物的铺层为[45/0/-45/90]s,试样宽度为25.4mm,搭接长度为50mm。首先将预浸料按照铺层方式固化成形,之后按照将层压板和胶膜按照胶膜的固化工艺进行胶粘固化,为了减缓因为结构不对称引起的拉弯耦合作用,在胶接区域两侧层压板上粘贴平衡片,减小弯曲作用对胶接区域的失效的影响。

如图8所示,1234区域之间,加载初期会出现大范围压应变区域,之后逐渐转变为低应变区域,可以看出加载过程伴随着一定程度的面外表变形,导致部分区域受压,产生了弯曲作用效果。

  

图6 DIC测试结果与电阻式测试结果对比分析

  

图7 轴向应变-轴向分布位置曲线

  

图8 轴向应变-横向分布位置曲线

经过模拟计算及试验检测[6],发现平衡型复合材料单搭接接头的双侧应变呈现反对称分布,由数字图像相关技术(DIC)的全场应变分析和电阻式应变分析对比研究,图5给出DIC散斑和8个位置的应变位置图对应关系。

因此,根据企业战略的构成要素,可以总结出企业战略具有全局性、长远性、竞争性、系统性四大特征。企业战略立足于企业的未来愿景,围绕着企业的发展目标,持续长效地指导企业经营管理活动。同时,对企业内外部环境的分析,明确了企业自身的资源优势,充分发挥了资源配置的作用,自上而下的由组织机构决策层再到各职能部门,构成战略系统,相互协调配合,提升核心竞争力,助推企业长远、健康地发展。

  

图9 双侧全场应变分布

数字图像相关测量方法的基本原理是基于有一定特征点分布的图像称为散斑图,这些特征点是以像素点为坐标,并且以像素的灰度作为信息载体,在相关算法运行之前,选取一个正方形的图像子区,这个子区的中心为所感兴趣的像素点。在图像移动或变形的过程中,通过追踪图像子区在变形后图像即目标图像中的位置即可以获得子区中心点处的位移矢量。经过分析多个子区中心点的位移矢量,便构成了整个分析区域的位移场[13-15]。三维数字图像技术克服了二维数字图像技术主要实现面内位移测量的缺点,利用两个互成一定角度的CCD同步测量物体的变形,依据双目视觉原理,实现了物体的三维变形测量。

该研究中选取2012年7月—2013年7月在该单位接受口腔种植骨结合治疗的糖尿病患者与非糖尿病患者各50例,并对这些患者进行随访5年,对接受治疗的两组患者的牙齿成活情况进行分析比较,对所得的糖尿病患者与非糖尿病患者种植体修复牙齿的3个月、1年以及5年失败率的数据进行对比,进行统计学计算得出,数据差异有统计学意义(P<0.05)。通过得出的数据结构发现糖尿病的种植体修复牙齿失败率略高于非糖尿病患者,所以糖尿病是可以对种植体骨结合有所影响的。

  

图10 剪切应变-轴向分布位置曲线

4 结论

(1)平衡型复合材料单搭接接头的双侧应变分布基本呈现反对称规律;

(2)平衡型复合材料单搭接接头的失效模式是裂纹在一侧复合材料层压板的首层和第二层层间萌生并扩展;

(3)搭接区域边缘位置应变相对较小,搭接区域边缘对侧内部距离大约10mm位置应变最大;

(4)结合最大轴向应变位置和最大剪应变位置可以推测损伤萌生位置是搭接区域边缘或者平衡片边缘。

城市建设中地下管线复杂,为了防止城市地下管线出现故障,良好的科学手段能保证地下管线始终保持良好的状态,在未来城市建设中,地下管线的探测工作将在保证城市服务系统正常运转中发挥更大作用。

参考文献

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郭霞,迟海,贺俊智,刘伟丽,高峡
《高科技纤维与应用》2018年第02期文献
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