【摘 要】
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碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer,简称CFRP),因高比强度、比刚度,成为航空航天领域中广泛应用的材料之一。而钛合金铆钉塑性不佳,铆接成形时易出现镦头开裂和干涉不均等问题,针对该问题,本文创新地引入电流辅助方法来提高Ti45Nb铆钉塑性,改善铆接变形过程中钉-孔交互行为引起的损伤现象。设计了电流前处理和同步电流处理两种不同电流辅助铆接工艺,研
【基金项目】
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中央高校基础科研业务费科研项目:复合材料叠层构件电流辅助钛钉铆接成形机理(2017ZE52052); 国家自然科学基金:超声振动辅助的复合材料构件钛钉铆接机理研究(No.51875283);
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碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer,简称CFRP),因高比强度、比刚度,成为航空航天领域中广泛应用的材料之一。而钛合金铆钉塑性不佳,铆接成形时易出现镦头开裂和干涉不均等问题,针对该问题,本文创新地引入电流辅助方法来提高Ti45Nb铆钉塑性,改善铆接变形过程中钉-孔交互行为引起的损伤现象。设计了电流前处理和同步电流处理两种不同电流辅助铆接工艺,研究了电-热-力三场联合作用下的连接域热响应机制、复杂约束下的铆钉压缩行为及其与孔壁界面间物理接触的干涉分布规律,并评估了接头中紧固件与CFRP板的各项宏微观质量及整体性能,为CFRP新型电流辅助铆接工艺的应用与设计奠定理论基础。主要研究内容和创新点如下:1)提出了复杂铆接局部环境下多元热交互与温度场响应的数值求解方法。分析了电热系统中工作电回路组成和组元间热传递流向与空间分布,并基于能量守恒、焦耳热定律、热传导定律,定义了局部复杂环境下稳态热平衡方程,形成静态焦耳热模型,定量揭示了不同径向距离处CFRP温度与中心饱和温度的线性关系。针对同步电流辅助铆接过程,构建瞬时热功率守恒方程,引入时间影响乘式因子并关于时域积分,充分考虑了动态压缩导致电阻/电流改变、焦耳热的钉内非均匀分布、不同电参水平下热交换区域分散性等因素,建立了动态焦耳热模型,定量表征电流激励下的连接域温升过程,试验验证拟合效果较好。2)设计了CFRP电流辅助铆接试验并定量分析了多物理场下钉杆-孔壁交互制衡规律。基于焦耳热模型预选电参数与自搭建电辅助铆接平台,设计并实施了不同电流强度与持续时长的电流前处理/同步处理铆接试验,动态压缩载荷-位移曲线反映了电流导致的高效软化增塑效果,定性分析了不同因素对流动应力下降的显著性,揭示了电致增塑效应影响铆接压缩的机制。统计分析了各参数组下的干涉量水平与分布均匀性,明晰了高温下CFRP区域差异性软化与铆钉非均匀塑性变形区间的接触制衡机制。3)阐明了多场致损机理并评估了铆接接头宏微观质量,给出了CFRP新型铆接方法的工艺控制建议。立体观测了CFRP连接板孔壁和孔周区域损伤状况,确立各因素对CFRP损伤的显著性,揭示了多场作用下的孔壁热-力交互促进致损机理。全面分析了紧固铆钉的微观特性,包括显微硬度、金相组织、物相组成,确定了电流作用对铆钉局部性能和成分组成的影响。开展了整体接头的拉伸测试,判断电流辅助铆接接头的强度及断裂行为,最终考虑各型接头宏微观质量的综合性能,给出了较优的电参数工艺控制建议。
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