碳纤维管胶接连接设计与工艺简析

  胶接连接是利用胶粘剂将不同的零件连接成不可拆卸的整体。相比机械连接,胶接连接具有耐疲劳、耐腐蚀、质轻及绝缘性能好,容易实现胶接成型一体化等优点,且不会产生因制孔导致的应力集中,因此被广泛应用于各种异形件结构复杂件、薄壁结构等。胶接连接有搭接、对接、角接、销接、键接、楔形连接以及非平面连接等形式。复合材料的胶接结构强度主要取决于胶接参数设计和胶接工艺。因此,胶接参数设计和胶接工艺是研究重点。

  胶接的结构参数有胶层厚度胶接长度、材料铺层方式及应力分布等。针对胶接长度和板材厚度,研究人员提出采用Hashin准则和连续介质损伤力学的三维有限元模型,预测不同搭接长度和胶接件厚度的T300/QY8911飞行器复合材料层合板单搭接胶接接头面内损伤演变过程。得出:①接头的失效模式由胶层失效转变为层合板失效;②接头强度与胶接长度和厚度在一定范围内成正比,超出此范围即趋于固定值;③端部的应力集中和剥离应力最为严重,是失效的起始点。材料铺层角度对胶接面应力分布的影响方面,采用ABAQUS模拟胶接面铺层角度对胶接面和胶层应力的影响,发现铺层角度越高,胶接面应力越大,胶层应力越小,因此,胶接面采用介于中间的±45°铺层可以增加接头强度。

  基于经典有限元法、数学多尺度方法等高效精确地模拟复合材料服役环境,从而为胶接连接不同参数耦合优化设计提供思路。研究人员提出一种分析层压板胶接接头的三维模型,可以精确高效地预测边界应力分布,为实现层合板胶接接头非线性问题提供参考;运用非线性有限元软件,研究复合材料各向异性对单搭接胶接接头胶层失效的影响,结果表明胶层层间应力随各向异性程度的增加而增大,由于结构偏心负载导致胶层边缘层间应力增大,更易出现分层传播。胶接接头适宜的长度和胶层厚度均可以平衡接头复杂工况承载应力,减缓接头负载附加弯矩,降低接头剪切失效或纤维剥离等混合失效模式的概率。

  碳纤维增强环氧树脂复合材料板断裂韧性和破坏模式对于胶粘剂的固化程度具有显著依赖性,在固化度为70%-80%时表现出稳定的裂纹扩展及波纹状界面形态。针对韧性好、中低温固化温度的胶粘体系的研究,表面渗透力技术的提高使得胶接结构充分发挥减重、耐腐蚀优势,获得光滑的外形,以实现结构一体化,保证构件完整性和稳定性。通过试验发现,表面处理剂SY-D15可以显著提高胶粘剂在预浸料表面的“渗透增强作用”,从而使得胶接试样的剪切强度和胶接体系剥离性能明显提高。

  此外,不同的工作环境与接头设计将影响疲劳强度。采用静态和冲击载荷试验,考察温度和应变率对丙烯酸胶粘剂连接单向碳纤维预浸料单搭接胶接接头的影响,发现最大破坏载荷对应的应变率随温度的升高而增加。考虑到胶粘剂中水分的增塑作用,对复合材料胶接接头负载位移-应变能曲线进行了研究,发现水的增塑作用对胶接强度影响显著;将复合材料与钢板的胶接结构放置于湿热环境、循环载荷下,发现接头水分侵入降低了层间粘合能力,得出胶粘剂的玻璃化转变温度应该比实际最高使用温度高出30℃,且使用防水硅胶密封剂对接头进行密封。在实际工程应用中,必须根据接头结构设计、载荷需求、服役环境等合理选用胶粘剂类型及固化循环过程中的质量控制。

  为了提高胶接结构的强度和抗疲劳性能,学者们研究了新的接头结构。采用碳纤维增强复合材料的阶梯式胶接接头,发现改进的接头拉伸载荷随层合板纤维铺层的增加而增加;采用ABAQUS软件对复合材料单搭接胶接接头单轴拉伸工况进行模拟研究,发现对胶粘剂和板材连接时,板材斜切角度取15°,可以解决单搭接负载偏心率和剥离应力。通过薄金属预埋件的加强销(CMT销)来增强胶接接头,并研究销钉类型和销钉对准对单搭接剪切胶接接头损伤容限的影响,分析应力应变行为和拉伸负载期间加强销的能量吸收,发现加强销的使用可以提高破坏应力和改变损伤容限。复合材料胶接多从胶层控制、接头承载力及接头结构形式研究连接效率的提升,针对胶粘剂与胶接长度、表面渗透处理的研究可以提升胶层粘合能力和体系抗剥离性能;在性能提升上,未来胶接配合机械连接的连接方式将具有显著优势。