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复合材料层合板斜面胶接结构的强度研究

复合材料层合板斜面胶接结构的强度研究

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作者：杨金诺北方工业大学

学位级别：硕士

复合材料具有高强度、良好的耐腐蚀性以及抗疲劳性等显著优点,在土木工程领域得到了广泛的应用,在结构加固中不可避免会存在复合材料间的连接与修复问题。不同于金属之间的连接,斜面胶接是最常见的复合材料连接方式之一,胶接结构的强度... 详细信息

复合材料具有高强度、良好的耐腐蚀性以及抗疲劳性等显著优点,在土木工程领域得到了广泛的应用,在结构加固中不可避免会存在复合材料间的连接与修复问题。不同于金属之间的连接,斜面胶接是最常见的复合材料连接方式之一,胶接结构的强度与胶接角度、胶层厚度以及复合材料板的铺层角度等参数相关,本文针对复合材料斜面胶接结构的强度展开以下研究:首先,以复合材料层合板斜面胶接结构为研究对象,基于经典层压板及基尔霍夫板理论,建立了复合材料层合板斜面胶接结构的平衡方程组,采用多段积分法对该平衡方程组进行求解,获得了母板、补片及胶层的唯一解,为分析复合材料斜面胶接结构的强度奠定了基础。然后,采用平面应变的方法建立二维模型来对复合材料层合板的连接与修复结构进行对比分析,结果表明:可以采用二维模型分析复合材料层合板连接与修复结构的强度问题与破坏过程,相对于三维模型不仅降低了计算成本,而且误差仅有2%,并且验证出采用cohesive单元对胶层模型进行建模,不仅准确性更强,还大大减少计算成本。其次,采用平面应变法建立复合材料层合板斜面胶接结构的二维数值模型,分析胶接角度、胶层厚度、层合板铺设夹角等参数对胶接结构强度的影响。结果表明:在胶接角度2.15°-8.53°范围内,胶接角度越小,构件整体的承载能力越强,在2.15°时其承载能力达到最大,为272N,相比于8.53°时承载力提升了147%。并且改变每层的挖补角度,使中间区域挖补角度大,两端挖补角度小,能有效地提高构件整体的承载能力;在胶层厚度0.05mm-0.1mm范围内,胶层加厚,构件整体承载力可以得到小幅度提升,在0.1mm时其承载能力达到最大,为283N,相比于0.05mm时承载力提升了8%;在层合板铺设夹角30°-45°范围内,层合板铺设夹角增大,胶接结构整体承载力会小幅度降低,在铺设角度为30°时其承载能力达到最小,为253N,相比于45°时承载力降低了3.6%。最后,采用平面应变法建立复合材料层合板胶接结构脱胶缺陷的二维数值模型,并从脱胶长度、脱胶位置以及脱胶宽度等因素对脱胶胶接结构的强度进行参数影响分析。结果表明:在脱胶长度2mm-8mm范围内,脱胶缺陷的长度越长,复合材料斜面式胶接结构的强度越低,脱胶长度8mm时其承载能力达到最小,为68N,相比于2mm时承载力降低了43%;在脱胶宽度1mm-2mm范围内,脱胶缺陷的宽度越宽,复合材料斜面式胶接结构的强度越低,脱胶宽度2mm时其承载能力达到最小,相比于1mm时承载力降低了15%;脱胶缺陷的位置越靠近层合板粘结层两端处,复合材料斜面式胶接结构的强度越低,脱胶位置为两端位置时其承载能力达到最小,相比于脱胶位置为中间部分时承载力降低了29%。

关键词：复合材料斜面式胶接二维模型三维模型强度影响因素脱胶缺陷

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