碳纤维和铝合金构件胶接结构优化设计与分析学习教案

会计学1碳纤维和铝合金构件胶接结构优化设计碳纤维和铝合金构件胶接结构优化设计(shj)与分析与分析第一页，共50页。 随着复合材料在航空结构中日益广泛的使用，复合材料结构件之间、复合材料结构件与金属构件之间连接也越来越普遍。复合材料的胶接与机械连接方式相比有不削弱基体材料、受力时应力分布比较均匀、减轻结构的重量等优点，在飞机的装配中占有非常(fichng)重要的地位。 同时，复合材料和金属构件的胶接也面临许多问题。为了保证复合结构的胶接的安全性和可靠性，可以对胶接工艺参数进行优化设计。可见，对胶接接头结构进行优化设计也是提高复合结构胶接强度的有效措施之一。本文研究碳纤维复合材料构件和铝合金构件胶接结构优化设计与分析是非常(fichng)必要的。3 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程1第2页/共50页第二页，共50页。 胶接过程是一个复杂的物理化学过程，其工艺(gngy)流程如下图所示： 胶接工艺(gngy)流程图 胶接强度取决于胶粘剂的性质和被粘材料表面的胶接特性、前处理工艺(gngy)、胶粘剂的用量、固化工艺(gngy)、接头设计、接头成形工艺(gngy)等因素。而其中许多胶接工艺(gngy)过程很难控制，选择相对容易的接头优化设计是比较可取的方法。4 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程研究(ynji)意义2第3页/共50页第三页，共50页。5 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程二四三五第4页/共50页第四页，共50页。6 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程第5页/共50页第五页，共50页。7 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程 纤维复合材料的性能由纤维铺层方向决定，在不同方向上强度相差很大。因此，胶接接头的承载能力也有方向性差异，接头设计中主要承载方向与材料的主要强度方向一致，才能提高胶接强度。 碳纤维复合材料是多相材料，由增强材料和基体树脂组成。复合材料基体树脂与胶粘剂主体树脂的相容性直接影响胶接的界面结构与性能。所以，也要在复合结构的胶接中选择合适的胶粘剂。第6页/共50页第六页，共50页。8 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程第7页/共50页第七页，共50页。9 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程胶接的破坏形式 胶接接头的能力一般用破坏性试验来评价，根据破坏的位置可分为三种：内聚破坏（图a）、界面破坏（图c）、混合破坏（图d）第8页/共50页第八页，共50页。10 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程胶接的受力分析 这种胶接接头结构如图所示。从应力分析可知，胶缝两端出的剪切应力和拉应力最大，向中间逐渐递减，中央部位最小。其平均剪切强度为： 周祝林,吴妙生.复合材料胶接J.纤维复合材料,1997,3(1):51-55.单搭接单搭接受力模型图单搭接应力分布第9页/共50页第九页，共50页。11 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程 式中,L为搭接长度；t为被胶接件厚度；a，b为常数。 第10页/共50页第十页，共50页。12 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程斜接 斜接头就是将两个被粘物切成同样的斜度，并将切口进行胶接的连接形式。斜接接头受拉（压）力时如图所示： 由应力分析可知，垂直于胶接面的法向应力和平行于胶接面的剪切应力分别为:nn第11页/共50页第十一页，共50页。13 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程 式中， t为板的宽度， 为斜面夹角。 由以上的几个公式可以直观的判断出部分结构参数会对胶接强度产生影响，如搭接长度，被粘接件厚度和宽度。第12页/共50页第十二页，共50页。14 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程第13页/共50页第十三页，共50页。15 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程 由碳纤维复合材料的特点可知，为了提高胶接强度，复合材料胶接不仅仅需要选择匹配的胶粘剂，还要在生产复合材料构件的时候对其正确铺层。下表中为胶接面不同纤维方向胶接时的剪切强度。从试验结果看，复合材料层压板待胶接表面纤维最好与载荷方向一致，不得与载荷方向垂直，以免被接件过早产生层间剥离破坏。复合材料在不同纤维方向的胶接强度第14页/共50页第十四页，共50页。16 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程 由胶接的受力分析可知，胶接接头的接头尺寸，被粘接件的宽度和厚度，都会对胶接强度产生影响。但胶接接头试件一般不能轻易改变其尺寸，只能适当的增加搭接搭接长度来增加胶接强度。 胶接强度随着胶层厚度增加而降低，这是因为厚胶层内部缺陷增多，固化后内应力也大实际上也不是胶层越薄越好，胶层太薄容易造成缺胶，而使粘接强度降低，通常胶层厚0.10.25 mm为宜。在保证不缺胶的情况下，薄而均匀的胶层，会获得较高的粘接强度。第15页/共50页第十五页，共50页。17 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程 对下图中五种接头形式进行拉伸试验，其结果如表所示：单搭接 外侧凹槽 外侧切角 内侧切角 双搭接各种接头形式的破坏载荷与拉伸强度第16页/共50页第十六页，共50页。18 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程四三五第17页/共50页第十七页，共50页。19 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程胶接接头的优化设计过程不改变其余参数情况下使用有限元分析软件验证并总结各参数对胶接强度的影响规律第18页/共50页第十八页，共50页。20 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程搭接(d ji)长度的分析与优化 单搭接的几何模型如下图所示，试件板长100mm，宽25mm，厚2mm，胶层厚0.2mm，在分析过程中使用搭接长度分别为12.5mm，25mm，50mm，施加载荷为P=1000Pa。单搭接几何模型第19页/共50页第十九页，共50页。21 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程第20页/共50页第二十页，共50页。22 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程单搭接接头处网格(wn )划分图单搭接接头处应力云图第21页/共50页第二十一页，共50页。23 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程 使用同样的分析方法，改变搭接长度，分别对搭接长度为12.5mm，30mm，50mm进行(jnxng)分析，得到胶层中部的应力分布图。搭接长度为12.5mm搭接长度为25mm搭接长度为50mm剪切应力第22页/共50页第二十二页，共50页。24 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程搭接(d ji)长度为12.5mm搭接长度为25mm搭接长度为50mmMises等效应力第23页/共50页第二十三页，共50页。25 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程 使用同样模型和分析步骤，在搭接长度同样为12.5mm时使用三个不同的胶层厚度分别为0.1mm，0.15mm，0.2mm进行分析。得到胶层中部的应力分布图。胶层厚度为0.1mm胶层厚度为0.15mm胶层厚度为0.2mmS11X方向正应力第24页/共50页第二十四页，共50页。26 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程胶层厚度(hud)为0.1mm胶层厚度为0.15mm胶层厚度为0.2mmS22Y方向正应力第25页/共50页第二十五页，共50页。27 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程胶层厚度(hud)为0.1mm胶层厚度为0.15mm胶层厚度为0.2mmS33Y方向正应力第26页/共50页第二十六页，共50页。28 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程 使用同样模型和分析步骤，在搭接长度同样为12.5mm时使用三个不同的斜削角度分别为60 ，30 ，10 进行分析。其有限元模型图如下。斜削搭接有限元模型第27页/共50页第二十七页，共50页。29 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程斜削处网格(wn )划分图斜削处应力云图第28页/共50页第二十八页，共50页。30 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程斜削搭接的应力(yngl)分布图如下所示。斜削角度为60 斜削角度为30 斜削角度为10 S11X方向正应力第29页/共50页第二十九页，共50页。31 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程斜削角度(jiod)为60 斜削角度为30 斜削角度为10 Mises等效应力第30页/共50页第三十页，共50页。32 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程l 对搭接长度影响搭接强度的规律分析及有限元仿真验证，为所设计搭接接头的搭接长度选择为30cm。l 对胶层厚度对搭接强度的影响规律的分析及有限元仿真验证，为所设计的搭接接头胶层厚度选择0.15mm。l 对接头形式中斜削的角度对搭接接头胶接强度影响的规律的分析以及用有限元软件进行仿真验证，为所设计的搭接接头斜削厚度选择 。l 在被粘物也就是铝合金和碳纤维复合材料允许的情况下适当的增加厚度，一般由国家标准试件长宽不能任意改变，所以试件厚度仍选择2mm。l 选择适合复合材料和铝合金构件胶接的胶粘剂FM73。第31页/共50页第三十一页，共50页。33 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程四五第32页/共50页第三十二页，共50页。34 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程 由上一章优化搭接模型，施加P=1000Pa的力，几何模型如图，进行有限元仿真分析。优化搭接模型，施加P=1000Pa的力，几何模型如图4-1。优化搭接模型，施加P=1000Pa的力，几何模型如图4-1。优化接头的几何模型第33页/共50页第三十三页，共50页。35 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程胶接件图胶接装配(zhungpi)实体第34页/共50页第三十四页，共50页。36 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程胶接件网格(wn )划分图胶接部分应力云图第35页/共50页第三十五页，共50页。37 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程优化接头的应力(yngl)分布S13剪切应力(yngl)，SMisesMises等效应力(yngl) 优化接头的应力分布如下图，其单元节点应力值（节选）如表中所示。第36页/共50页第三十六页，共50页。38 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程优化接头(ji tu)单元节点应力值（节选）第37页/共50页第三十七页，共50页。39 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程 分别对单搭接、斜接、单搭板对接进行有限元分析，在施加同样载荷P=1000Pa的条件下进行对比。因为已经对单搭接分析过，其中，斜接和单搭板对接的模型如下图。第38页/共50页第三十八页，共50页。40 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程斜接有限元模型(mxng)单搭板对接有限元模型第39页/共50页第三十九页，共50页。41 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程单搭接(d ji)的应力分布S13剪切应力，SMisesMises等效应力第40页/共50页第四十页，共50页。42 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程 单搭接单元节点应力(yngl)值（节选）第41页/共50页第四十一页，共50页。43 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程 对典型(dinxng)接头进行有限元分析得出的结果如下。斜接的应力分布S13剪切应力，SMisesMises等效应力第42页/共50页第四十二页，共50页。44 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程 斜接单元节点应力(yngl)值（节选）第43页/共50页第四十三页，共50页。45 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程搭板对接的应力(yngl)分布S13剪切应力(yngl)，SMisesMises等效应力(yngl)第44页/共50页第四十四页，共50页。46 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程搭板对接单元节点(ji din)应力值（节选）第45页/共50页第四十五页，共50页。47 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程 经过分析得到几种典型搭接接头在胶层中部的应力分布图，可见优化接头的胶层中部应力峰值相比这三种接头的应力峰值都比较小，优化后的接头应力峰值有所下降，应力集中得到了明显的缓解，由此可以证明优化胶接接头的接头强度较之典型接头有所提高。第46页/共50页第四十六页，共50页。48 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程五l 分析国内外对复合结构胶接技术连接强度的研究现状，查阅复合材料胶接的有关资料，了解复合材料胶接的主要工艺流程。l 针对典型胶接接头进行受力分析，综合考虑加温加压等对胶接工艺流程中胶接性能的影响，比较分析其优缺点。之后建立结构参数及力学模型进行分析，以增强连接强度为目标，根据胶接接头的各项设计准则，设计一种优化的胶接接头结构形式。l 用ABAQUS对比分析优化设计的胶接接头结构与典型胶接接头结构参数和连接强度，验证所设计的胶接接头确实优于典型胶接接头。第47页/共50页第四十七页，共50页。49 飞行器制造飞行器制造(zhzo)工程工程五l 动态分析。本文中主要是对模型进行初步的静态应力/位移分析，因为笔者知识有限而没有进行动态分析，如果静态和动态分析相结合会使模型的分析更加接近真实情况；l 定义分析步。在分析部功能模块中可以定义一系列的分析步，还可以设定自适应网格、控制求解过程，提高工作效率；l 进行有限元仿真计算时，通过控制单元形状及网格划分算法，优化网格，使计算更加精确，同时还可以改变单元类型的选取进一步精确计算结果。第48页/共50页第四十八页，共50页。49第49页/共50页第四十九页，共50页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)！第50页/共50页第五十页，共50页。