文档介绍：博士学位论文
复合材料胶接接头的力学性能研究
INVESTIGATIONS ON MECHANICAL
PROPERTIES POSITE ADHESIVELY
BONDED JOINTS
杨银环
哈尔滨工业大学
2012 年 9 月
国内图书分类号:O242, O346 学校代码:10213
国际图书分类号:531, 621 密级:公开
工学博士学位论文
复合材料胶接接头的力学性能研究
博士研究生:杨银环
导师:吴林志教授、周振功教授
申请学位:工学博士
学科:工程力学
所在单位:航天学院
答辩日期:2012 年 9 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index: O242, O346
: 531, 621
Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
INVESTIGATIONS ON MECHANICAL
PROPERTIES POSITE ADHESIVELY
BONDED JOINTS
Candidate: Yinhuan Yang
Supervisor: Prof. Linzhi Wu and Zhengong
Zhou
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Engineering Mechanics
Affiliation: Center posite Materials
Date of Defence: September, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
复合材料胶接接头结构以其诸多的优良性能被广泛地应用于航空、航天等
领域。对复合材料胶接接头力学性能的研究是一个十分重要的问题,直接关系
到工程结构的安全可靠性。由于复合材料结构的损伤破坏机制远比传统金属结
构复杂,目前复合材料胶接结构的力学性能研究还不完善。本文在充分吸收国
内外研究成果的基础上,针对层合板单搭胶接接头、层合板与编织复合材料单
搭胶接接头及 Z-pins 增强复合材料单搭胶接接头,从破坏模式、失效机制、强
度预测、逐渐损伤分析及应力分析等方面对其进行了实验及数值研究。主要研
究内容如下:
第一,对复合材料胶接结构的国内外研究进展进行了综述,介绍了胶接接
头的应力、强度及渐进损伤分析及 Z-pins 增强复合材料接头的力学性能方面的
研究现状及已取得的一些重要结果,并对本文的研究目的及意义进行了阐述。
第二,阐述了各种接头试验件的制备工艺过程,并建立了对各种接头进行
强度预报和逐渐失效分析的数值方法。数值建模的基本思想为:应用界面单元
模拟接头的开裂,三维实体单元模拟胶层、复合材料板及 Z-pins 的应力场;考
虑了基体拉伸破坏、纤维拉伸破坏、基体纤维剪切破坏、剥离分层、编织复合
材料基体拉伸破坏、胶层破坏及界面破坏七种失效模式;采用能量失效准则判
断界面元失效,应用 Shokrieh 等改进的三维 Hashin 失效准则分析层合板破坏,
应用 von Mises 强度失效准则判断三维六向编织复合材料基体失效,用最大应
力准则分析胶层破坏,并采用材料性能突然退化模式。基于有限元软件 ANSYS
来完成数值分析,用 APDL 语言开发了相应的程序。建立的有限元分析模型能
够有效地模拟从初始加载到最终失效过程中复合材料胶接接头的力学响应及损
伤的萌生与扩展。
第三,对层合板与层合板单搭胶接接头在单向拉伸载荷作用下的力学行为
进行了实验和数值研究。首先,实验研究了不同层合板厚度、胶层含缺陷及搭
接区端部有胶溢出接头的失效行为,分析了其破坏模式及失效机理,并比较了
这四种接头的失效强度。然后,对各类接头进行了强度预报及逐渐失效分析,
并将数值与试验结果进行了对比,验证了模型的有效性。最后,分析了胶层中
面及界面的应力分布,研究了参数(层合板厚度、搭接长度、胶层厚度、层合
板铺设方式、缺陷及溢出胶)对沿胶层中面及界面中心线的剪应力及剥离应力
的影响,并模拟了搭接区层合板各层间剪应力及剥离应力的分布。
第四,采用实验和数值方法研究了层合板与编织复