非平衡刚度胶-铆混合连接接头特性及失效机制

为解决汽车轻量化中混合材料车身的异质材料连接问题,研究了碳纤维增强环氧树脂复合材料（carbon fiber reinforced polymer,CFRP）与铝合金非平衡刚度四钉压铆-胶接混合连接接头力学性能及失效机制.基于重导入和预定义场技术,建立了CFRP/Al非平衡刚度混合连接接头的非线性有限元分析模型,据此对混合连接压铆、回弹及拉伸载荷渐进失效机制进行仿真;对混合连接与单一连接力学性能和失效形式进行了对比分析.结果表明,所提出的建模方法能够同时考虑铆接成型过程和混合连接工艺顺序对混合接头连接特性的影响,混合连接最大载荷及能量吸收预测误差分别为2.3%、5.2%,具有较高的性能预测精度;铆接在失效初期对胶接具有加强作用,失效形式为先胶层失效后铝板拉伸失效,仿真与试验结果较为一致.      

碳纤维复合材料胶铆接头静态拉伸和循环拉伸失效行为

对碳纤维复合材料(CFRP)的胶接、铆接、胶铆混合接头进行静态拉伸和循环拉伸疲劳实验,对3类接头的连接强度及失效行为进行分析,预测该接头达到106循环次数时的载荷水平。对胶铆接头中胶接和铆接的贡献进行讨论,分析拉-拉疲劳失效过程中CFRP层合板、胶层、铆钉的相互作用。对3类接头在静态拉伸和循环拉伸下的失效机制进行了总结,提出3种改善铆接强度的方案。结果表明：胶接对胶铆混合接头强度起决定性作用,铆接对接头起到“二次保护”的作用;所研究的CFRP胶铆混合接头,在80%、65%、55%、45%静态最大载荷水平下的疲劳寿命分别为8 174、22 568、95 014、331 916次。在37.1%的载荷水平下该接头的拉-拉疲劳寿命可达10⁶次;铆钉孔的开裂是CFRP铆接及胶铆混合接头的主要失效形式,在铆出侧增加垫片与在铆钉孔表面涂敷结构胶2种方法可提高铆接强度30%左右。     

基于DEFORM-3D的干涉配合铆接仿真研究

通过借助有限元仿真软件DEFORM-3D建立平锥头铆钉的沉墩头型干涉配合铆接模型,模拟单个铆钉的干涉配合铆接动态过程,测量在不同钉孔工艺参数下沿钉孔轴向方向上各测量点的径向位移,计算出铆钉与钉孔之间的相对干涉量.通过分析干涉量对铆接件疲劳寿命性能的影响,得到合理的干涉配合铆接钉孔工艺参数,并得到直径为5mm的平锥头铆钉干涉配合所需要的精确铆接力,为实际的工艺试验验证和生产工作提供可靠的理论数据.     

异种材料单搭接接头力学性能

为研究异种材料在不同连接方式下的失效特点并促进胶铆接头在工程中的应用普及,以碳纤维/铝合金单搭接接头为研究对象,对胶接、铆接和胶铆混合连接接头的静态拉伸力学性能开展了试验研究。以胶黏剂材料和铆钉材料为研究变量,讨论了单搭接胶接接头和铆接接头的拉伸力学行为,并从中分别选择了两种胶黏剂和铆钉材料进行组合,重点研究了胶铆接头的交互作用,同时也探讨了铆接方向对接头的影响。研究结果表明,从载荷-位移曲线上看,胶接接头呈现脆性的断裂特点,铆接接头呈现韧性的断裂特点,胶铆接头综合了胶接和铆接的断裂特点,且胶黏剂先断裂失效。另外,铆接方向对铆接和胶铆接头的力学性能有重要影响;当铆钉从碳板侧插入时,其力学性能会优于铆钉从铝板侧插入制备的连接接头。强胶弱铆组合制备的胶铆接头表现出最强的正交互作用,因此其材料的利用率最高。该研究为工程实际中复合材料与金属材料间的连接提供了设计依据和指导方法。     

电磁铆接钉杆长度对连接的影响

在铆钉不同高径比情况下,采用试验方法从铆钉宏观变形和微观连接方面分析铆钉钉杆长度对连接的影响.结果表明:放电电压升高,铆钉钉头变形量增加.电磁铆接对夹层材料厚度不敏感,对于不同钉杆长度的铆钉,铆钉钉杆变形均匀.随着铆钉钉杆长度增加,钉杆均匀性略有下降.在铆钉成形钉头处,有明显的剪切带生成.在铆钉钉杆与铝合金板连接处,铆钉与铝合金板紧密连接.在铆钉钉杆与复合材料连接处,铆钉与复合材料形成良好连接,对复合材料的挤压程度小,未出现复合材料分层和开裂.     

2A10铝合金气动锤铆机理与试验研究

为提高铆接工艺质量,通过自主搭建的气动锤铆试验平台,以2A10铝合金半圆头铆钉为研究对象,探究气动锤铆动态塑性变形的铆接干涉量和铆接头剪切强度随铆接时间的变化规律,进一步分析铆钉镦头的微观组织结构(变形纹理、晶粒晶界).研究结果表明:铆钉镦粗变形后,干涉量沿着铆钉钉杆呈现不均匀分布,本次试验得到的干涉量的合理范围是5%～7%,铆接试样均是铆钉在两连接板处被剪切破坏;镦头的主要变形都集中在主次剪切带上,剪切带宽度约200μm,剪切带附近的晶粒被拉伸成细条状.     

CFRP-AA5052铝合金三层板自冲铆接性能研究

本文旨在研究碳纤维增强聚合物(CFRP)-AA5052铝合金三层板自冲铆接的可行性,评估板材搭接顺序对接头截面形状的影响,探究接头成形的机理;通过拉伸-剪切试验研究试样配置及承载形式对接头机械性能的影响。结果表明：板材搭接配置会影响接头内部材料的流动趋势,从而影响接头的成形质量,CFRP板作为中间层时接头可获得良好的机械内锁成形;CFRP板作为中间层并单独作为接头的一端承受拉剪载荷时,接头的失效位移达9.5mm,同时接头可获得较优的刚度和抗剪强度。     

碳纤维复合材料与高强度钢板螺栓连接拉伸性能

以单螺栓单剪连接[0°/90°]4s环氧树脂基碳纤维增强复合材料(CFRP)/高强度钢板(DP980)为研究对象,对接头宽度和端距进行了匹配设计,用试验和仿真手段,分析连接结构在承受拉伸载荷作用时的失效过程和破坏模式.结果表明:接头宽度和端距对接头破坏模式影响很大,接头宽度对接头刚度影响较大,端距对接头刚度影响较小,一定范围内接头宽度和端距对接头强度影响均较大;接头宽度与螺栓孔径的比值≥6、端距与螺栓孔径的比值≥3时,接头强度趋于最大值,并且破坏模式以挤压破坏为主;二次弯曲对CFRP/DP980接头强度影响很大.     

碳纤维复合材料/钢的胶铆连接失效机理和选材方法

为了揭示碳纤维复合材料(CFRP)与钢板连接设计中，母材厚度和强度对接头失效的影响规律，对CFRP层合板与DC05、HC260Y、DP590、DP780、DP1180、PHS1500钢板组成的胶接、铆接和胶铆混合接头进行单向和正向拉伸试验，分析各接头连接强度和失效模式，提出CFRP/钢接头母材厚度比和强度比的推荐范围.结果表明：CFRP/钢接头失效模式由较弱一侧母材强度和刚度决定，在连接设计中，应尽可能使两母材的强度和刚度相近；CFRP零件与相邻钢件厚度比的推荐范围为1.37～1.91,母材极限承载比的推荐范围为0.9～1.52.     

连接条件对GFRTP自冲铆接性能影响的数值研究

采用LS-DYNA软件建立玻璃纤维增强热塑性复合材料(GFRTP)的自冲铆接(SPR)有限元模型,对SPR过程进行数值模拟和实验验证。通过比较应力分布、钉腿张开度及接头强度,分析底座几何形状及铆钉材料对GFRTP工件SPR过程及接头强度的影响。研究结果表明:与金属SPR接头钉腿被下工件完全包裹而形成自锁结构不同,GFRTP工件SPR接头的形成机理是钉腿穿透下工件而向外翻卷,与钉头一起形成机械锁。连接条件对GFRTP工件SPR性能有显著影响。在一定范围内,增大底座凸台倾角有助于提高SPR的自锁性能;增加铆钉材料强度,可有效提升SPR接头的强度。     

异种材料胶铆混合接头力学性能与耐蚀性研究

为研究异种材料在不同连接方式下的失效特点和耐蚀性能,以碳纤维增强复合材料(carbon fibre reinforced plastics, CFRP)/铝合金/钢为基板的单搭接接头为研究对象,对胶接、铆接和胶铆混合连接接头腐蚀前后的静态拉伸力学性能开展试验研究,揭示了胶铆接头的交互作用。对比分析了氯化钠浸泡前后接头的抗老化性能及胶黏剂的增强作用。结果表明：胶黏剂对铆接接头具有增强作用,且能够有效保护基板免受腐蚀,延缓混合接头力学性能衰退。     

不同铆接速度下板材搭接顺序对钢/铝异种金属铆接接头性能的影响

采用自冲铆接实现了钢/铝异种金属的有效连接。通过改变铆接速度,对比研究了钢上铝下和铝上钢下两种搭接顺序下的接头的成形性能、断裂力和断裂方式。研究结果显示,随着铆接速度的增大,接头头高和底切量不断减小,互锁值不断增大。钢上铝下搭接顺序下的接头的成形情况较为稳定,缺陷较少。钢上铝下搭接顺序下的拉剪接头的断裂力明显高于铝上钢下搭接顺序下的拉剪接头的,而铝上钢下搭接顺序下的十字拉伸接头的断裂力明显高于钢上铝下搭接顺序下的十字拉伸接头的。铆钉变形时受力方向的不同导致拉剪接头的断裂力明显高于十字拉伸接头的。铆接速度为250～325 mm/s时,可以实现两种搭接顺序下的接头成形性能和断裂力的良好匹配。     

铆接效应耦合的搭接接头受载应力与变形

为有效改进航空搭接接头制造工艺,通过建立次弯曲效应下的中心线模型及采用ABAQUS/Explicit与ABAQUS/Standard相结合的仿真方法,研究了飞机蒙皮上的多排铆钉搭接接头的铆接工艺及其影响下的结构受载内应力与变形。结果表明：采用适当的铆接参数可以极大地改善连接孔应力集中及结构疲劳特性。在疲劳载荷作用下,结构失效更容易发生在外排铆钉连接板的贴合面与孔表相交的位置,特别是靠镦粗钉头的连接板内。次弯曲会对结构受载后内部应力分布产生显著影响,但在孔的附近钉头覆盖下的区域应力特征受弯曲效应影响较小,铆接残余应力的影响仍然占主导地位。可见工程应用中,更应该从连接孔周围挤压应力改善的角度寻求结构疲劳寿命增益。     

输电铁塔主材节点滞回性能研究

针对输电铁塔主材双肢搭接节点,分别建立了单一剪切面连接与双剪切面连接的螺栓连接节点有限元仿真模型,通过施加低周循环载荷获得了节点的滞回曲线,给出了骨架曲线分析,耗能能力分析以及刚度退化分析,研究了输电铁塔螺栓连接节点在低周循环载荷作用下的耗能能力与力学性能,结果表明：单剪连接与双剪连接的节点线弹性变形过程基本一致,此后两种节点都出现滑移现象,双剪连接节点经历两次滑移过程;螺栓滑移过程中,节点耗能能力最强;双剪连接节点极限承载能力更强,刚度保持特性更佳,耗能能力更强。     

加载速率对动车组Huck铆钉剪切性能影响的研究

针对动车组速度不断提高而造成的Huck铆钉在运行中频繁断裂的问题,应用万能材料力学试验机对Huck铆钉铆接件在不同的加载速率下进行铆钉剪切试验,研究加载速率对其剪切力学性能的影响。通过对比3组不同加载速率下的Huck铆钉的剪切试验数据以及铆接件载荷 位移曲线,得出随着加载速率的增加,Huck铆钉的弹性起点平均载荷值、塑性起点平均载荷值以及弹性区间均减小而刚度有所增加等规律。试验结果表明,当采用的Cr12MoV冷作模具钢洛氏硬度值HRC范围在40~50之间时,铆钉孔几乎不变形且铆接试件在动态载荷下不易断裂。本文获取的相关结论对Huck铆钉在动车组上的设计与改进将起到重要的参考作用。     

CFRP约束圆钢管高强混凝土短柱轴压试验研究

为研究混凝土强度、径厚比、CFRP(碳纤维增强复合材料)层数及CFRP包裹方式等参数对CFRP约束圆钢管混凝土轴压静力性能的影响,进行了6个圆钢管混凝土短柱和18个CFRP-钢管混凝土短柱的轴压对比试验.研究发现CFRP的约束对圆钢管混凝土承载力有较显著的提升,且承载力的提高幅度随着CFRP的增加而增加.钢管高强、超高强混凝土短柱的破坏形态呈现为剪切破坏,延性较差,CFRP的约束可以改善其延性,且CFRP层数越多延性越好.半包CFRP试件性能接近于全包CFRP试件性能.随径厚比增大,CFRP约束效果下降.若黏结良好,试件失效前,CFRP与钢管能保持协同工作;最后选取了3个经典的CFRP约束钢管混凝土轴压承载力公式进行验算,发现基于CFRP和钢管双重约束的公式能较好地预测其承载力.     

冲压连接接头拉剪强度的有限元分析

本文针对冲压连接接头拉剪强度的数值模拟方法进行研究。对0.7 mm低碳钢 0.7 mm低碳钢以及 1 mm低碳钢 1 mm低碳钢板冲压连接接头的剪切拉伸过程建立有限元模型,采用数值模拟的方法分析了冲压连接接头的拉剪强度及失效形式。并且通过试验过程验证有限元模拟结果的可靠性。在确定有限元模型可靠的情况下,分析了冲压连接接头处的网格尺寸以及冲压连接接头的嵌入值对冲压连接接头的影响。研究结果表明：有限元模拟结果与试验结果吻合良好;合适的网格尺寸能够在优化计算时间的同时得到可靠的计算结果;冲压连接接头的拉剪强度受上板嵌入值影响。     

裂纹长度对裂隙岩体力学特性及破坏模式的影响

采用伺服控制岩石力学试验机对水泥砂浆材料制备的类岩石试件进行单轴加载,利用颗粒流离散元软件对岩体进行单轴加载数值模拟试验,研究不同预制裂纹长度下裂隙试件的力学特征及破坏规律.结果表明:随着裂纹长度的增加,裂隙试件的峰值强度、峰值应变和弹性模量均减小,裂隙模型脆性减弱,延性增强,且随着裂纹长度的增加,弹性模量的降幅逐渐增大,敏感度增强;引入强度劣化系数来定量分析裂隙试件的劣化特征,当裂纹长度从10 mm增加到15 mm时,劣化系数增长迅速,试件强度下跌明显,强度敏感度最大;裂纹长度影响裂隙试件的最终破坏模式,在0°原生裂纹下,随着裂纹长度的增加,裂隙试件的破坏模式由剪切破坏为主变为剪切、张拉复合破坏再转化为出现宏观裂纹的张拉破坏.