【摘 要】
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在直升机蜂窝面板的束口区,存在金属-金属胶接的区域,如尾翼、门窗等必须封边的部位,其连接部位载荷分布情况十分复杂,使胶接部位在较低的剥离强度下产生裂纹,甚至发生裂纹不断扩展的现象,严重降低了胶接构件的使用性能和承载能力。因此,在不改变基体材料以及不增加多少工艺的情况下通过设计合适的层间结构达到较大程度的抑制复合材料发生分层损伤,提高其断裂韧性成为复合材料设计与分析研究的热点。实验证明,在胶膜层内部
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在直升机蜂窝面板的束口区,存在金属-金属胶接的区域,如尾翼、门窗等必须封边的部位,其连接部位载荷分布情况十分复杂,使胶接部位在较低的剥离强度下产生裂纹,甚至发生裂纹不断扩展的现象,严重降低了胶接构件的使用性能和承载能力。因此,在不改变基体材料以及不增加多少工艺的情况下通过设计合适的层间结构达到较大程度的抑制复合材料发生分层损伤,提高其断裂韧性成为复合材料设计与分析研究的热点。实验证明,在胶膜层内部植入尼龙网增韧层能在保证良好工艺性能的前提下,显著提高复合材料的断裂韧性。然而,当前对于胶膜尼龙网层间增韧机理方面的研究较少,可供参考的实验数据和文献资料不多,因此通过试验以及建立尼龙网层间增韧复合材料层间分层破坏的数值分析模型研究其增韧机理,具有重要应用价值和理论意义。本文通过双悬臂梁(DCB)试验和端部缺口弯曲(ENF)试验,测试了含增韧胶膜和不含增韧胶膜铝-铝粘接件的断裂韧性,分析了尼龙网增韧胶膜对粘结件I型和II型层间断裂韧性的影响。结果表明:在胶膜中植入尼龙网增韧层之后,复合材料I型分层时的峰值载荷、扩展阻力以及G(40)C得到显著提高,初始裂纹长度为50mm时,G(40)C由0.211N·mm-1提高到0.386N·mm-1,相比层间无尼龙网增韧层,其能量释放率提升了45%。断面分析发现:引入增韧层后裂纹出现偏折,进入尼龙网增韧区,发生尼龙网与胶膜界面脱粘以及尼龙网格区域胶膜内聚破坏,导致胶接复合材料的层间力学性能有所提高。II型裂纹能量释放率由0.667N·mm-1提高到1.168N·mm-1,相比层间无尼龙网增韧层,其能量释放率提升了42%。证明在胶膜层中植入尼龙网增韧层后,复合材料的层间抗分层能力得到显著提升。已有的研究表明,G(40)(40)c与层合板的冲击后压缩强度(Compression after impact)是相关的,即G(40)(40)c高,冲击后压缩强度也会相应地高。利用MMB混合型加载方案进行了I/II混合型四种不同比例的试验,得到了各比例下分量值G(40)m、G(40)(40)m,并结合纯I型与纯II型试验结果建立了混合型分层失效判据,为金属-金属胶接复合材料的结构设计提供基础。对尼龙网层间增韧胶膜进行了多尺度分析,通过数值算例验证了本文采用的多尺度分析模型方法的正确性,之后通过三维单胞模型对尼龙网增韧胶膜进行了细观-宏观力学性能预测,得其整体的宏观性能参数,然后建立尼龙网增韧胶膜双悬臂梁有限元分析模型与试验结果进行了验证。同时,计算了未增韧与增韧后有限元模型裂纹尖端的J积分,对比未增韧有限元模型,在发生层间分层时裂纹在增韧区扩展的裂纹尖端J积分降低明显,而在增韧胶膜-铝板界面处则差别不大,同时裂纹尖端Y向法向应力sy及层间切应力tyz在加入尼龙网增韧层之后显著降低,裂纹尖端应力集中得到有效改善。
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