文摘
碳纤维增强塑料(CFRP)钢单搭接接头对拉伸加载两个级别的粘合剂和四层重叠长度进行了实验分析和数值模拟。接头强度和破坏机理被认为是高度依赖于胶粘剂类型和重叠长度。与7779年关节结构胶粘剂更有韧性和生产2 - 3 kN破坏载荷高于MA830结构胶粘剂。破坏载荷和两个粘合剂增加约147 N和176 N,分别增加1毫米的重叠长度。凝聚力失败是观察到两种类型的胶粘剂关节。随着重叠长度的增加,界面失败仅仅出现在7779年的边缘重叠胶粘剂关节。有限元分析(FEA)结果显示,皮和剪切应力分布是不均匀的,那么严重的重叠长度增加。严重的应力集中观察重叠边缘,和剪切破坏的胶粘剂是胶粘剂失败的主要原因。
1。介绍
目的是节约能源和减少排放,重量节省交通行业具有十分重要的意义。复合,展品stiffness-to-weight高、强度重量比传统金属同行,为轻量级的结构已经被广泛使用。在实际应用程序中,几乎是不可能制造一个结构作为一个整体的身体。许多结构制造单部分,然后通过关节连接。加入复合材料零件的常用方法是通过机械连接或焊接。机械紧固件包括螺栓、铆钉、销几十年来一直常用的(1- - - - - -3]。易于拆卸的组件和允许可靠的检测一直是一个伟大的利益。然而,关键的问题是,高应力集中在紧固件孔,可以开发和联合可以带到失败比预期低得多的压力(4]。由于其较大的债券区域分配负荷,消除应力集中以及保持结构的完整性,粘合剂更有吸引力比机械紧固连接方法(5]。
广泛的研究已经进行了调查通过分析保税关节,实验和数值方法。以前的研究集中于不同影响因素对接头强度和破坏机理(6- - - - - -10]。发现破坏载荷增加重叠长度和厚度的粘合剂。材料属性和几何尺寸进行了调查,严重影响联合力量和失效模式。由于上述因素的影响,研究人员最近集中在改善关节的力量。联合的力量增加了修改的形状联合(11,12)和添加倒角(13和鱼片14]。保税关节的质量高度取决于生产过程。一些研究人员因此提出了表面处理(15,16]在重叠区域和养护条件如压力和温度。为目的的优化和设计一个高质量的关节,压力分布在胶粘剂层通过数值方法(17- - - - - -19]。这些仿真作品也可以预测接头强度与实验结果相比。后来软熔带的有限元耦合模型对失败进行进化分析(20.,21]。这可以用于模型失败初始化和进一步传播。虽然胶粘剂关节的力学行为进行了调查如上所述,关节的强度和破坏机理的理解仍然是地方和粗糙的机械行为的复杂性,尤其是关节具有复合基板(22]。因此,有必要进行详细研究CFRP-to-steel胶粘剂的关节。
目前的研究主要集中在力学性能和失败的行为CFRP-to-steel胶着地保税单搭接接头。不同关节制造和测试根据八个不同的差异,包括两种类型的粘合剂和四个重叠长度。机械性能是首先显示并与对方。实验和数值结果对联合力量被显示为进一步详细的分析。有限元分析与实验结果进行了比较。详细的应力分布分析各种重叠长度值被展出,后跟一个应力分布比较在拉伸过程中三种典型时刻。故障传播分析进行了详细了解关节的损伤演化。最后,失败关节展出的照片进行失效模式分析。
2。实验
2.1。材料
两个不同的结构胶粘剂被用于这项研究。1型是7779胶粘剂属于双组分聚氨酯结构胶粘剂由亚什兰。2型(MA830)是一种两个液体丙烯酸丛提供的结构胶粘剂。结构胶粘剂都准备和测试比较机械性能。在这项研究中,进行了单轴拉伸试验基于ISO标准527 - 2,这是塑料的拉伸性能测定。T-peel测试采用ISO标准11339,主要申请flexible-to-flexible保税组件。和thick-adherend基于ISO 11003 - 2标准测试方法被用来确定结构胶粘剂的剪切行为。最后总结在表机械性能1。
被粘物的选择本研究纤维增强塑料(CFRP)分层和DC04碳钢常用的汽车。碳纤维增强塑料复合材料是准备使用真空辅助树脂灌注成型的过程。碳纤维(CC-P400-12)采用钢筋,和纬和经平衡编织。每一层的厚度为0.44毫米,4层使用0°、90°厚度方向。环氧树脂(ma - 8931 a / B)被选为这个矩阵。当碳纤维与树脂浸泡在大气压力的影响下,整个标本是搬到一个加热烤箱固化在120°C 6分钟。整个样品然后释放模具被治愈后,切成所需的尺寸。碳纤维增强塑料的力学性能表中列出2。另一个选定的被粘物DC04钢铁,是一种深冲钢的屈服强度较低和高延性。广泛应用于汽车的复杂部分。DC04钢的机械性能表中列出3。
2.2。单搭接接头
几何尺寸的单搭接拉伸试验根据ISO 4587是呈现在图1。各种重叠长度对碳纤维增强塑料层压板和DC04衬底之间的实验要求来标示 。l代表整个试样的长度。补偿板制备具有相同厚度对应特定的被粘物。
根据文献综述(14),粒度1000的砂纸是用于波兰基质,和丙酮是用于消除衬底表面的杂质。补偿板首先结合相应的被粘物,和线在两个被粘物被吸引到主导重叠长度。胶粘剂是均匀分布的重叠区域DC04基质。四个小钢丝被控制在这一过程中胶厚度。这两个基板使用夹一起去骨,最后整个标本放入烤箱的温度下治疗2.5 h 80°C。
full-factorial实验设计采用两个级别的胶粘剂和四个级别的重叠长度为8测试的总数。相对应的详细试验因素和水平表中列出4。一个准静态加载与2毫米/分钟的速度应用于拉伸试验。为提高实验精度,进行了三个复制为每个审判,规范化的高峰负荷和位移记录失败。
3所示。有限元分析
数值模型是实现和使用商业软件开发的有限元分析。有限元分析(FEA)的目标是开发一个模型,该模型能准确地预测实验结果和现在的一个详细的应力分布和失败的进化分析关节。单搭接测试数值建在一个三维模型的几何形状和边界条件表现出图2(一个)。碳纤维增强塑料衬底的结束是彻底固定夹,而另一端DC04衬底只能加载方向移动。加载位移达到设定值时终止关于实验加载情况。
(一)
(b)
元素类型选择网格COH2D4胶粘剂,而碳纤维增强塑料和DC04黏剂与C3H20网状。网格是精炼有更多元素的浓度在被粘物附近的粘合剂进行应力分析。被粘物的属性主要是基于实验的结果(表2和3)。
繁殖行为的胶粘剂,双线性牵引单独的法律是用来模拟弹性行为的峰值和随后的降解材料属性失败。在拉伸试验过程中,损害发生复杂载荷作用下(模型,模型2和模型3)图2 (b)显示了双线性牵引单独的法律在一个加载模式。将应力与位移曲线连接同源的凝聚力元素节点。最初的线性弹性对应于第一部分,直到压力达到最大值,之后胶粘剂刚度退化。内聚破坏主要包含两个阶段,包括损伤萌生和裂纹扩展。在第一阶段,二次名义应力判据用于决定损伤起始,如下表示: 在哪里和加载下的凝聚力和界面强度模型,模型II, III和模型,分别。当方程左边之和小于1,没有初始伤害。否则,初始伤害将开发在粘性层。常数断裂准则应用于主导裂纹演化在第二个阶段,如下考虑: 在哪里 , ,和分别代表断裂能量三个方向 。 临界应变能量释放率下各自的模型,然后呢共有三个。是一个常数,与材料的性质有关。当方程左边的达到的价值 ,初始裂纹开始繁殖,最后导致脱胶。
为了执行进一步的故障演化分析、参数定义为标量刚度退化(SDEG)是用来表示胶粘剂的退化程度。这个参数可以是任何值在0和1之间。当胶粘剂在初始弹性加载的代码的一部分,胶元素没有损害任何程度和SDEG被设置为0。,胶元素完全失败,SDEG集等于1,元素被删除。
4所示。结果与讨论
4.1。机械性能
拉伸试验的荷载位移曲线呈现在图3,包括粘合剂与各种重叠长度。关节使用7779胶粘剂的拉伸过程可以分为三个阶段,如图3(一个)。曲线的斜坡在第一阶段保持不变。当负载到达2.5 kN,进入第二阶段,曲线的斜率出现轻微下降。这主要是由于7779胶的强韧性。胶粘剂在力量和开始软化,关节的刚度下降。负载时在6.5和7.5之间kN在第三阶段,斜率明显下降,这主要是由于DC04基质达到屈服强度,并发生塑性变形。继续加载,联合最后失败当负载超过了力量。由于破坏载荷的最大力量共同遭受失败时,发现关节的破坏载荷与重叠长度增加。关节使用MA830胶粘剂,破坏载荷也增加重叠长度增加,而曲线的趋势是不同于使用7779胶粘剂。重叠长度12.5和20毫米时,曲线的斜率不变直到彻底失败的关节。 The maximum load was less than 6 kN, and thus there was no plastic deformation for the DC04 adherend. However, for the lap length of 30 and 40 mm, the maximum load was higher than 7 kN, and the slope of the curves appeared an obvious decrease. All the four curves showed no decrease when the load reaching 2.5 kN. This was mainly due to the fact that MA830 adhesive was more brittle, and there was no plastic deformation for MA830 adhesive.
(一)
(b)
4.2。破坏载荷
接头的详细分析,图4总结了破坏载荷和归一化值。误差也补充道。实验过程的偏差造成的偏差应和色散特性的材料,尤其是胶粘剂和碳纤维增强塑料。发现数值结果与实验结果吻合较好,相对误差在5%以内。与7779年发现关节保税胶粘剂在更高的负载(2 - 3 kN)受损的关节使用MA830胶粘剂和重叠长度相同。这主要是由于7779年的结构胶粘剂更韧性和灵活,可以容忍负荷高于MA830结构胶粘剂。破坏载荷图4(一),粘合剂和重叠长度几乎线性增加。重叠长度增加1毫米,7779的破坏载荷结构胶粘剂关节平均增加了约147 N和MA830结构性粘合接头增加平均约为176 N。此外,标准化的破坏载荷,即破坏载荷除以长度的重叠,定义和绘制在图4 (b)。规范化的破坏载荷与重叠长度的增加急剧减少,表明增加重叠长度只能加强联合与极限程度。
(一)
(b)
4.3。应力分布
果皮和剪切在粘合剂层应力分布比较中间的宽度为各种重叠长度。所有上面提到的压力下得到6 kN负载。胶粘剂层中的应力分布的三种典型时刻在整个拉伸试验过程中展出并与对方。关节与MA830胶没有考虑在这一节中类似的结果。
在胶粘剂层果皮和剪切应力分布不同的重叠长度呈现在图5。剥离应力如图5(一个),压力峰值位于重叠区域的边缘。和压力值左边边缘略高。这主要是因为这两种类型的黏剂与不同的刚度。因此,不同程度的被粘物弯曲出现在边缘重叠。左边边缘重叠,更高程度的弯曲的DC04黏剂生产高剥离应力峰值。随着重叠长度的增加,皮边缘应力峰值降低,和压力分布相对更均匀。剪切应力表现出图5 (b)左边,最大应力值比这高出2 - 6 MPa在右边,这主要是由于这一事实被粘物的两种类型不同的拉伸模量。此外,压力峰值的几种类型的关节附近的边缘重叠而不是边缘。随着重叠长度的增加,峰值应力出现的位置接近边缘。这主要是由于6 kN拉伸载荷作用下,粘在边缘出现不同程度的退化。左边的这个变性略更严重的地区。随着重叠长度增加,分布相对均匀的皮可以被发现。所有前分析表明,搭接长度的增加可以减少应力集中,从而导致破坏载荷的提高。然而,这两种类型的重叠区域的边缘附近的应力分布。大部分中部地区的压力相对较小。分布特征表明,增加重叠长度只能加强联合限制程度。
(一)
(b)
为了研究应力分布与拉伸加载过程,不同时刻代表不同阶段选择的应力状态进行了分析。压力分布如图6对三个不同的时刻,包括t= 6年代,t= 49 st= 110年代,指没有DC04基体的塑性变形,大塑性变形DC04衬底,分别和接近破坏载荷。目前的t= 6年代,拉伸位移约0.2毫米,在初始加载阶段。胶的最大剥离应力为14.92 MPa,最大剪应力是大约13.95 MPa。同时,这两个压力是远离他们的限制。目前的t= 49 s,位移是1.64毫米,这主要是由于碳纤维增强塑料由于碳纤维增强塑料的变形产生较大的变形比DC04黏剂。被粘物的不对称刚度的影响可以看到在应力分布剪切和剥离应力的不均匀分布。右边的胶粘层,剪切应力急剧下降;然而,左边的下降趋势是慢得多。这主要是由于DC04黏剂此刻产生了塑性变形,拉伸力没有传染给右边的胶粘剂。最大剥离应力达到19.16 MPa,远离压力的限制(29.43 MPa)。然而,最高的剪切应力约为20.27 MPa和接近剪切应力极限(20.4 MPa)。当时间是t= 110年代,一些凝聚力元素成为无效和被删除,这意味着彻底失败出现在粘合层。几乎整个关节假定为最大负荷。皮的压力为12.55 MPa,还远没有达到极限应力。最大剪应力为20.32 MPa,非常接近的应力极限,这暗示合资失败的原因是剪切应力达到胶粘剂的剪切极限。
(一)
(b)
(c)
4.4。故障传播
联合使用7779结构胶粘剂30 mm重叠长度选择故障传播的分析。节中描述3SDEG是一个参数,代表的退化程度胶粘剂。图7(一)显示,左边的胶粘剂最初退化。这是有关相对更高的皮和剪切应力分析的部分4所示。2。随着拉伸加载持续,胶粘剂右边所示图7 (b)也开始退化,退化比左边的更加严重。此外,SDEG胶粘剂右边首先达到1的值,和失败的元素被删除,可以看到图7 (c)。这种现象主要是由于这两种不同的材料被用作黏剂。胶固定在两个基板各种刚度。特定的加载,碳纤维增强塑料产生更大的变形比DC04黏剂。因此,胶粘剂的右边缘变形更严重,和失败出现在这个地区在早期阶段。在图7 (d),所有胶元素在失败和删除,以及DC04黏剂产生永久塑性变形的联合区域。的不对称变性粘合剂层可以很容易地从失败的过程,这种不对称分布主要源于两种不同的被粘物。
(一)
(b)
(c)
(d)
4.5。失效模式
两种胶粘剂的失效模式与各种重叠长度如图8。7779年结构胶粘剂,有两个主要失效模式包括凝聚力失败和接口。重叠长度12.5毫米时,它只是提出了凝聚力失败,如图8(一个)。随着重叠长度的增加,引起的弯矩荷载偏心率变得更加严重。果皮压力重叠的边缘产生更高的价值,达成胶粘剂的剥离应力极限。因此,接口故障发生和成为一个失效模式见图8。此外,粘结界面的失败只发生在胶粘剂层和DC04衬底之间的结合面。这表明,7779胶有一个更好的连接采用碳纤维布黏剂比DC04黏剂。至于关节MA830结构胶粘剂,如图8,只有凝聚力失败不同的重叠长度。这主要是由于这样的事实:关节MA830胶粘剂的失败在一个相对低的负载。因此,皮压力重叠的边缘是粘合的压力限制,也没有失败界面。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
制作详细的形态学观察的表面进行了通过数码显微镜(日本基恩士vhx - 5000)。制作表面的形态呈现在图9。如图9(一个)7779年联合胶粘剂,碳纤维增强塑料胶完全剥落,在这个标本和碳纤维增强塑料显然可见。因此,这个观察证实了界面失效模型。相反,如图9 (b)剩余MA830胶粘剂可以清楚地发现,碳纤维增强塑料,展示了凝聚力失败发生在胶粘剂。
(一)
(b)
5。结论
目前的研究调查的影响胶粘剂类型和重叠长度的力学行为和失效模式保税单搭接接头通过实验和数值研究。可以得出主要结论如下:(1)接头强度被发现高度依赖胶粘剂类型和重叠长度。关节使用7779结构胶粘剂提供2 - 3 kN破坏载荷高于使用MA830结构胶粘剂。和破坏载荷两种胶粘剂增加约147∼176 N的增加1毫米长度重叠。(2)建立了有限元分析模型,数值结果在5%的相对误差预测破坏载荷和关节强度与实验结果相比。有严重的关节边缘的应力集中。和重叠区域的应力分布是不均匀的。皮应力负责接口失败,失败和凝聚力主要是由大型剪切应力引起的。胶粘剂的剪切应力达到极限应力的主要原因是失败的粘合层。(3)粘合层的不对称变性可以很容易地从失败的过程分析,这主要是由于不对称被粘物的刚性。(4)胶的类型和级别的重叠长度影响显著失效模式。7779年的关节结构胶粘剂的失效模式提出了凝聚力和接口失败。,MA830胶着地保税关节仅仅显示接口失败无论重叠长度。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者感谢中国国家自然科学基金的支持下批准号。11602081和11602081。这项工作还支持由湖南省自然科学基金批准号2017 jj3031,基础研究基金批准号下的中央大学531107040934。