
在过去的几十年,碳纤维增强型复合材料已经在航空航天构件得到广泛得到应用。以飞机制造业为例,最具代表的是空客公司A380客机和波音公司787客机,A380上仅碳纤维复合材料总用量占其结构总量的25%左右,比竞争机型的能耗低12%;787客机估计复合材料用量可达50%,大幅减轻自身重量,与现有中程飞机相比,可以节约多达20%的燃油。因此采用CFRP构件代替铝合金构件将成为飞机制造业的趋势,其目的是节省金属材料、减轻飞机重量和降低油耗。从飞机制造角度分析,不可避免出现CFRP构件与Al合金构件连接形式,连接主要有2种形式:胶接和机械连接。机械连接(如铆接和螺栓连接)主要是通过连接孔和紧固件来连接,在连接处容易出现应力集中,导致连接失效,同时连接件的使用增加了结构重量。而胶接不需要连接孔和紧固件,载荷分布区域大、结构重量轻等优点,因此,胶接将逐步取代部分机械连接,而想要提高胶接接头强度则对于胶接界面应力和接头强度研究就显的尤为重要。
目前,大多数胶接应力模型是二维,由于应力在载荷方向比宽度方向的重要性大得多,分析法引入微分概念,分析得出搭接区域两端的胶层剪切应力最大,但是没有考虑拉伸单搭接接头时弯矩对接头的影响;分析法考虑了偏心载荷、弯矩系数、剥离力等,对搭接区域胶接接头胶层的剥离应力和剪切应力做了很好预测;然而分析法的局限性:①没有考虑胶层应力在厚度方向的变化性,而这对界面失效研究有着重要意义;②搭接区域端部不满足边界应力自由条件,从而过高估计搭接端部的应力,造成预测失效载荷过于保守;③对胶接件是复合材料不能做较好分析。大量研究者对理论解进行了大量的改进。对于刚度不平衡胶接接头研究:赵波建立刚度非平衡胶接接头应力的二维弹性理论,研究胶层的应力分布;采用非线性几何分析复合材料胶接接头,建立胶接件的位移和挠度,胶层的剪切应力和剥离应力的控制方程。运用闭合形解的方法分析胶接接头,解决大量超静定的实际问题,分析接头末端开裂、胶层的断裂能。提出一种胶层的三参数弹性理论来分析胶接接头的界面应力,引入胶层横向位移作为新的独立参数,满足搭接区域端部胶层剪切力为零的边界条件;采用解析法分析复合材料/金属平衡的胶接接头,用经典的层合板理论和胶接界面本构模型来推导出胶层的剥离应力和剪切应力。
以上分析说明,对于胶接接头的研究目前主要是王中强等:复合构件胶接界面力学建模与强度有限元分析集中在金属/金属、复合材料/复合材料之间的胶接,而对于复合材料/金属的胶接理论研究则相对较少。针对合金复合构件胶接界面应力做了深入研究,通过建立复合材料/金属复合构件胶接接头的界面应力模型,以胶粘剂合金胶接界面为对象,使用复合材料层合板的相关理论、胶接接头的平衡方程、胶层的控制方程、胶接件的位移方程,同时考虑拉伸单搭接接头,造成弯矩对胶接接头的影响,使理论模型满足搭接区域端头处胶层剪应力为零等所有边界条件。
为了更好地获得搭接接头端部应力分布,在这个区域采用精细的网格划分。给出了胶接界面剥离应力和剪切应力随着搭接区域长度变化的曲线。从图中可以看出:①剪切应力、剥离应力的理论模型解与有限元解曲线,搭接接头左端精细网格划分吻合得比较好,说明理论模型是正确的;②有限元分析胶层上表面和下表面的剥离应力曲线几乎重合,表明了在理论模型推导前假设在胶层厚度方向剥离理论模型与有限元分析胶接界面应力分布对比应力不变的条件是正确的;③胶层的应力分布不均匀,尤其在搭接区域两端均出现应力的峰值;④胶接界面应力分布左右不再对称,搭接区两端附近的应力都是由零增加到峰值,满足了边界条件为零的应力。对于胶接界面应力分布左右不再对称,原因是合金胶接接头是不平衡胶接接头即在x方向上板的弹性模量大于合金的弹性模量,从而搭接接头左端胶层应力小于右端胶层应力。
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