复合材料T型接头拉脱性能研究

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复合材料轻质高强广泛应用于航空航天领域。复合材料结构的一体化设计,可以减少连接部件数及过渡地带的附加质量,是降低结构重量、节约装配的成本的有效的技术途径。一体化设计大大减少了飞行器的结构和工艺分离面,同时也对分离面的连接提出了更为严苛的要求,再者连接接头又是整个结构中最薄弱的环节。胶接是飞行器分离面连接的主要手段,所以胶接接头设计是结构设计的关键。飞行器蒙皮加筋结构是一种典型的T型胶接接头,是飞行器整体化结构的重要组成部分其拉脱性能是这种胶接接头的关键性能之一。所以本文以此为背景开展T型胶接接头的拉脱性能研究。针对影响胶接接头的因素本文开展了T700/TDE-85复合材料性能及胶黏剂选择和工艺性能研究。得到T700/TDE-85复合材料体系单向板的拉伸强度为1890.80MPa、拉伸模量为139.78GPa、泊松比为0.3、断裂延伸率为1.37%、层间剪切强度为78.67MPa。根据复合材料的层合板的各向异性、低的层间剪切强度、以及与复合材料的相容性选择J-133胶黏剂。为保证接头足够的强度,表面处理的方式为表面除脂结合机械打磨的方法,纤维方向可以为0°和45°方向,胶层厚度为0.2-0.3mm,室温固化时间不少于7天。利用优选的成型工艺参数,按典型尺寸加工T型胶接接头并测得其拉脱载荷为963.45N。T型胶接接头在拉脱载荷作用下依次会出现初次响声、初次载荷降低、可见开裂出现、拉脱极限载荷出现,一般初次响声出现在初次载荷降低之前。分析了两种不同的模型对复合材料T型胶接接头进行有限元计算结果。使用壳单元模型分析发现,T型接头的应力集中区在腹板和蒙皮连接的中心区处,随着轴向位移增大,应力集中区的范围变小但应力值变大。对三角形填充区进行定义并带入等效的复合材料工程弹性常数建立实体模型,分析得到三角填充区的应力集中明显,会成为裂纹起始。半筋条与蒙皮进行了脱胶分析,发现应力集中区出现在单元边界上,脱胶扩展方向与连续的应力集中区的方向垂直。引入内聚力单元的实体模型可直观的反映T型胶接接头拉脱过程中力学性能的变化,可以在接头设计及接头渐进失效过程中起到良好的效果。
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