拉伸载荷下碳纤维复合材料T型胶接接头脱粘监测研究

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碳纤维复合材料T型胶接接头(CFRP T-joint)是航空复合材料整体结构的典型型式之一,用于传递垂直方向的载荷,服役过程中受到拉伸载荷的作用,最易界面产生脱粘损伤。本文从拉伸实验、主动Lamb波监测、数值模拟三个方面,研究了拉伸载荷下T型胶接接头(T700/QY8911)的典型损伤(脱粘)产生及扩展过程。主要研究工作和结果如下:(1)在拉伸实验方面,选取了压电传感器,设计了压电传感器布置方案,进行了间断加载和连续加载两步骤拉伸实验。结果表明,以沿脱粘损伤扩展方向布置压电传感器的方案,可较好的为后续脱粘损伤扩展分析打下基础;拉伸载荷12.339kN左右时,T型接头产生目视脱粘损伤的时间间隔小于0.5ms,水平、垂直裂纹尺寸为31.09mm、11.34mm。(2)在主动Lamb波监测方面,分析了不同中心频率的Lamb波激励信号的对监测信号的影响,采用时域信号处理提取方法选取了信号特征参数直达波峰峰值,定义了峰值损伤因子,分析了拉伸过程中的特征参数变化与脱粘损伤、载荷变化的关系。结果表明,试件处于健康状态时,监测信号基本不变;直达波峰峰值的变化可以反映出T型接头最初的健康状态、三角填料区破坏、界面脱粘损伤扩展及完全失效这四个状态;定义的峰值损伤因子,当其首次出现大于等于10时,可用于预警接头的破坏。(3)在数值模拟方面,采用数值计算的方法对碳纤维复合材料T型接头建模,并将数值计算结果与以上两方面的实验结果对比,旁证了实验结果的正确性。采用层合板简化理论,对T型接头L型层和Skin层进行了简化;选取了胶层损伤判据二次名义应力准则;选取了填料区损伤判据Mises强度准则。结果表明,当载荷达到极限时,圆弧区附近的胶层最先发生开裂;填料区失效后,应力集中区向各层合板之间的胶层处转移;仿真结果与实验结果较为接近,变化规律相吻合,三个不同状态下(目视脱粘损伤产生前、后与最终失效)主要参数值(拉伸载荷、拉伸位移)的误差范围为0.48%~7.13%。
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