复合材料胶接工艺和胶接接头内应力分析
厚复合材料层压板胶粘接头疲劳性能及局部应力研究
厚复合材料层压板胶粘接头疲劳性能及局部应力研究郭岗，王佳茜，李沙（中联重科股份有限公司，湖南长沙410205）［摘要］针对不同胶粘长度、不同形状、不同材料的胶粘接头进行疲劳试验，得到最大施加载荷和疲劳循环次数的曲线。
运用有限元法研究胶粘层的最大施加载荷与疲劳寿命，发现所有复合材料接头破坏的疲劳次数与最大载荷密切相关。
研究表明所有测点的最大剪应力和破坏疲劳次数都分布在一个小范围内，具有较低的分散度，而与接头的形状和粘胶长度无关。
表明可以把胶粘层的最大弹性应力作为一种设计准则。
［关键字］复合材料；胶粘接头；疲劳；局部应力［中图分类号］TB333 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2015）03-0067-05Local stress analysis of fatigue performance of adhesively bondedthick composite laminatesGUO Gang，WANG Jia-qian，LI Sha工程机械臂式结构中厚碳纤维复合材料层压板得到了广泛应用。
在实际设计制造时，为了实现模块化生产，通过将较小的结构件胶粘，得到比较复杂的结构。
模块化生产方式提高了复合材料层压板结构的生产效率，降低了生产成本，但也产生了大量胶粘接头。
因此，研究厚复合材料层压板胶粘接头的疲劳性能非常重要。
众所周知，不能简单依靠标准试件的加载-寿命曲线进行复合材料胶粘接头的疲劳设计。
文献［1］表明胶粘接头的承载能力不能用平均应力衡量，也即不能用施加载荷除以接头的面积［2，3］。
层合板胶粘的案例中，重叠部分的边缘经常会产生应力集中，胶粘界面内也会产生应力奇点，而这些点的应力与平均应力并不呈比例关系［4］。
因此，将标准件的疲劳试验结果应用到实际结构时，需要具体问题具体分析。
目前常用的方法可以分成三大类：基于局部应力分布的方法［5］；基于断裂力学的方法［6-8］；采用广义应力强度因子概念的方法［9，10］。
复合材料对称层压板螺栓连接孔边应力分析和接头承载能力预测
１张志民，复合材料结构力学．北京航空航天大学出版社，１９９３。９。
２ｃ｝阻碍，ＦＫ．．１＇把ｅｆｆｅｃｔｄ＃ｎｌｏａｄｄｌｓｔｆｉｌｍｆｉｏｎｏｎｔｈｅ且ｈ＿ｅｎｓｔｈ ２０（１９８６），４０１．－．４０６。 ３李顺林．复合材料工作手册．航空工业出版社，１９９８。
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ｐｉｎｈｄｅｄｈｏｌｅ．ｉｎｌ姗ｉＩ删ｃ讲“ｐ∞ｉ妇，ＪＣ的载荷或位移分布必须知道．一般假设为余
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２５８
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２经典层合板理论
以经典层合板理论为基础．层压板合力、合力矩与中面应变和中面曲率的关
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Ａ１６ Ａ２６ Ａ“ Ｂ１６ Ｂ２６ Ｂ６６
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３单层破坏准则
正交各向异性单层板破坏理论有许多．如最大应力理论、最大应变理论、 Ｔｓａｉ一３Ｈｉｌｌ理论、Ｈｏｆｆｍａｎ理论、Ｔｓａｉ—Ｗｕ理论等等。本文采用的Ｔｓａｉ—Ｈｉｌｌ理论应 用普遍、简单且较为精确。 平面应力状态下的Ｔｓａｉ—Ｈｉｌｌ强度理论表达式为：
㈡２＋２－。０删＂１０＂２＋㈤＝・
Ｙａｍａｄａ—Ｓｕｎ准则表示为：
（孙㈤∥雠磐
板轨道剪切试验时的剪切强度。 Ｃｈａｎｇ提出的特征曲线为：
㈨）
Ｓ为１０／９０１，
其巾ｏ．，ｏ ６为轴向正应力和剪应力，ｘ为纤维方向的拉伸和压缩强度，
，（日）＝ＤＩＭ／２＋ＲＩ＋（Ｒ。一Ｒ，）ＣＯＳｌ９
（１７）
式巾ＤＩＭ、ｏ为几何参数。Ｒ，＆为拉伸和压缩特征长度，可由试验测定・如图２所示： 在特征曲线上．只要任何一点的ｅ值达到或超过１．则发生破坏。 根据上述理论可以编制程序来预测单个螺栓连接接头的极限承载能力．但有 几点值得进一步研究。探讨和完善： １）通过对孔边的实际位移分析得知紧固件与孔边的实际接触角８；是小于９００ 的．冈此对孔边载荷分布的更准确的描述应当使。的取值范围为－０ ｔ《０≤ｅ。．而 不是．９００《ｏ≤９００。实际接触角０。可由算得的沿接触表面的正应力通过反复计 算，直到接触面积上的正应力都为压力以及除去接触面积以外的孔边界的位移指 向外为止。这样得到的接触角就可当作实际的接触角０。。
复合材料胶接搭接接头应力分析方法研究
复合材料胶接搭接接头应力分析方法研究张阿盈【摘要】胶接是复合材料结构主要连接方法之一，对胶接接头进行应力分析是保证复合材料安全性、耐久性的关键。
在初步设计阶段，一般采用解析方法对胶接接头进行应力分析及参数研究。
针对复合材料双搭接和单搭接胶接接头，在Tsai等人的理论分析方法（TOM方法）基础上，提出了一种改进的搭接接头剪应力分析方法，该方法考虑了被胶接件的剪切变形，认为被胶接件只有在靠近胶层的半个厚度上产生剪切变形，剪应力沿该半厚度呈线性分布。
算例分析结果表明：本文方法比现有的分析方法更接近于有限元模拟结果，可用于估算复合材料胶接接头剪应力分布。
%Adhesively bonding is an important joint method in composite structures. The stress analysis of adhe sively bonded joint is the key to guarantee safety and durability of composites. Currently, in structure initial design stage, joint stress analysis and parametric study are normally performed with analytical methods. Based on the theoretical solution of Tsai, et al （TOM method）, an improved theoretical solution for adhesively bonded single-lap and double-lap joints is proposed, the shear effect in adhesive layer is considered. It is assumed that shear strain only exists in the half thickness of the adhesive layer. The results of improved analytical solution are compared with simulation results of finite element method as well as other existing methods, and show that the improved solutions are more close to numerical results than that of other existing theoretical ones for composite laminates. The proposed method caneffectively estimate shear stress distributions of adhesively bond composite lap joint.【期刊名称】《航空工程进展》【年(卷),期】2012(003)002【总页数】7页(P167-173)【关键词】复合材料;胶接接头;双搭接;单搭接;胶层;剪应力【作者】张阿盈【作者单位】中国飞机强度研究所,西安710065【正文语种】中文【中图分类】V214.80 引言胶接是复合材料结构主要连接方法之一，由于其结构轻、连接效率高、耗时少、成本低、疲劳性、密封性能好等优点，在航空结构上得到了越来越广泛的应用。
复合材料胶接、缝合连接设计研究(全文)
复合材料胶接、缝合连接设计研究XX：1671-7597（20XX）17-0117-011 概述根据复合材料的自身特点及其破坏的机理，存复合材料连接中，胶接、缝合连接、混合连接已被广泛的运用。
合理的胶接、缝合连接、混合连接设计，不但能够满足使用要求，减轻结构重量，提高可靠性，还可以延长结构的使用寿命。
本文针对复合材料的胶接、缝合连接、混合连接方法进行探讨。
2 胶接连接胶接连接是借助胶粘剂将复合材料、金属材料零件连接成不可拆卸整体的连接方法。
2.1 胶接连接优点1）胶接连接受力均衡，接触为面接触，承载能力强，不同于机械连接的点接触。
2）没有钻孔引起的应力集中和分层，连接可靠性好，结构重量轻。
3）胶接连接能获得光滑的气动外形，外形美观。
4）抗疲劳性、密封性、减振性能好。
5）不同材料连接时，有隔离的作用，无电偶腐蚀问题，相容性好。
6）有阻止裂纹扩展的作用。
2.2 胶接连接缺点1）胶接的质量操纵比较困难。
2）胶接强度分散性大，剥离强度低。
3）胶接的工艺要求严格。
4）胶接性能受湿热效应、介质等环境的因素影响大，胶粘剂存在老化的问题。
5）如果需要加温加压就需要专门的设备，成本高。
2.3 胶接连接参数胶接连接主要参数包括胶接件的厚度t、胶层厚度h、胶接件的搭接长度L等（见图1数值为本文推举）。
1）胶接件的厚度t。
胶接件的厚度由其所传递载荷P的大小确定。
图1 胶接连接的参数图2 缝合连接的参数2）胶层厚度h。
胶层厚度h对连接强度有很大影响，增加胶层厚度，可减少应力集中，提高连接强度。
胶层厚度过厚，会产生胶层厚度偏差、气孔等缺陷；胶层厚度过薄，不能满足连接强度的要求。
因此，胶层厚度一般取0.1～0.4 mm。
胶接件的搭接长度L。
胶接件的搭接长度与胶接件的厚度（载荷p的大小）有关，因此，胶接件的搭接长度应尽可能的大，来满足连接的可靠性要求。
胶接件的搭接长度L≥8 mm。
3 缝合连接缝合连接是借助缝合线将复合材料连接在一起，经过固化使缝合线与复合材料成为不可拆卸的整体的连接方法。
航空器复合材料胶接接头设计(ABAQUS-XFEM)
摘要复合材料结构的连接形式主要分为胶接和机械连接，随着复合材料在航空航天领域的广泛应用，胶接因其在复合材料结构连接中的优良特性日益受到结构设计人员的青睐，具有连接效率高、结构轻、抗疲劳、密封性好等优点。
然而胶接设计也具有很大的挑战性，在结构强度计算中，胶接连接接头部位一般为危险部位，需要重点校核。
所以，对复合材料胶接接头的设计分析是十分必要的。
本选题利用成熟的有限元商用软件ABAQUS，使用XFEM（扩展有限元法）对胶层和复合材料层的应力场等进行分析。
通过分析计算这些应力，同时应用相应的失效准则，进而可预测初始裂纹的扩展与否及扩展的长度，为胶接接头设计的选择提供必要的依据。
在文章中，讨论了胶接长度、胶层厚度和初始裂纹的位置对裂纹扩展的影响。
通过对仿真结果的分析，提出了减小胶接长度和胶层厚度的观点，指出裂纹易于产生及扩展的区域，对胶接接头的设计进行了优化。
胶接接头的优化设计对拓宽复合材料在飞机结构上的应用范围，进一步减轻结构重量、提高疲劳性能和降低制造成本具有重要的工程使用价值。
关键词:复合材料板胶接接头扩展有限元裂纹扩展AbstractThe joint methods of composite structure contain cementing and mechanical connection.. With the use of composite in the field of aviation increased a lot in recent years for its high strength and lightness, the cementing is increasingly favored by the structure design staff for its excellent characteristics in the connection field of composite structure. The characteristics are high ligation efficiency, light structure, antifatigue and good sealing. However, glued design also has a great challenge. In the structural strength calculations, glued joints are generally connected to dangerous parts and need to focus on checking. Therefore, the design and analysis of composite bonded joint is very necessary.The topic use the sophisticated and commercial software -ABAQUS, in the field of finite element, and use XFEM ( extended finite element method ) as the foundation to analysis the stress field of bonding layers and composite layers. By analyzing and calculating these stresses, while applying the appropriate failure criterion, we can predict the initial crack extension and the length of the expansion. In this way, it can provide the necessary basis for the design of bonding joints. In the article, we discussed the impact of the bonding length, layer thickness and initial crack location on crack propagation. Through the analysis of simulation results, we presented two standpoints of reducing the length of bonding joint and the thickness of adhesive. Besides, we pointed the areas where cracks are easy to generate and expand. Optimal design of adhesive joints in composite materials has important engineering value to broaden the scope of application of the aircraft structure and further reduce the structural weight, improve the performance of fatigue and reduce manufacturing costs.Keywords:Composite plates, Adhesive joints, XFEM, Crack extension目录摘要 (I)Abstract ....................................................... I I 目录.......................................................... I II 第一章引言.. (1)1.1导言 (1)1.2胶接连接 (2)1.2.1 简介 (2)1.2.2胶接连接应当注意的问题 (3)1.2.3胶接连接研究现状 (3)1.3 胶接接头 (4)1.3.1胶接接头简介 (4)1.3.2胶接接头的基本形式 (5)1.3.3胶接接头的破坏模式 (6)1.3.4胶接接头处可能出现的裂纹及其影响 (7)第二章复合材料损伤和胶接连接的力学模型 (8)2.1导言 (8)2.2复合材料层板强度预测 (8)2.3复合材料和胶层断裂准则 (10)第三章利用ABAQUS建立复合材料胶接接的有限元模型 (13)3.1扩展有限元方法和工程软件ABAQUS简介 (13)3.1.1传统有限元方法 (13)3.1.2扩展有限元方法及基本原理 (14)3.1.3ABAQUS简介 (15)3.2利用ABAQUS建立复合材料板胶接模型的过程 (16)3.2.1几何模型的建立和约束条件 (16)3.2.2材料属性 (17)3.2.3定义接触 (19)3.2.4 对于XFEM定义 (19)第四章基于裂纹扩展分析的单面搭接接头设计 (21)4.1复合材料胶接接头在纵向载荷下的受力分析 (21)4.2不同搭接长度下胶接接头的裂纹扩展情况 (23)4.2.1搭接长度为15mm的情况 (23)4.2.2搭接长度为10mm的情况 (25)4.2.3搭接长度为20mm的情况 (26)4.2.4不同搭接长度下裂纹情况的对比及结论 (28)4.3不同胶层厚度下胶接接头的裂纹扩展情况 (29)4.3.1胶层厚度为0.1mm的情况 (29)4.3.2胶层厚度为0.2mm的情况 (31)4.3.3胶层厚度为0.3mm的情况 (33)4.3.4不同胶层厚度下裂纹情况的对比及结论 (34)带五章基于裂纹扩展的斜面搭接接头设计 (37)5.1斜面搭接接头在纵向载荷下的受力分析 (37)5.2不同裂纹位置下胶接接头的裂纹扩展情况 (38)5.2.1选取的三种不同裂纹位置 (39)5.2.2裂纹的扩展情况 (40)5.2.3三种情况对比及结论 (42)5.3单面搭接和斜面搭接情况的对比 (43)第六章全文总结及展望 (46)6.1全文总结 (46)6.2展望 (47)致谢辞 (49)参考文献 (50)第一章引言1.1导言复合材料作为一种新材料，在最近的半个多世纪中飞速发展，由于复合材料采用纤维加强结构，使得复合材料具有比重小、比强度和比模量大的特点，并且由于采用的是铺层结构，制造过程简单，容易成型。
铝合金胶接对接接头应力分布的数值分析
情况． 胶层 应力在 两端 部分 波 动较大 ， 中 间应 力分布 比较 有规 则 ， Ｙ 与 第 一主应 力 与胶 结长 度 在 Ｘ、
几 乎成线 性分布 ， 而胶层 的平均 应 力 关于 胶 层 的 中 点位 置 几 乎 呈现 对称 的抛 物 线 分 布． 于 以上 基 规律 可 以为铝合 金在 受到 载荷 时对 接头 的设 计提供 一定 的方 法和建 议． 关键词 ： 铝合金 ； 胶 接接 头 ； 应 力分布 ； 有 限元
Ｔａ ｏ ｇ ｉ Ｌ ｎ ａ Ｙｏ ｉ ＹｅＨ ｉ ｎ ｎＺ ｎ ｑ ｉ Ｃａ ｃｎ ｕＭ ｎ ｕｊ ｕ
（ ｌ ｇ ｆＭ ｅ ｈ ｎ ｃ ｌ＆ Ｍａ ｅｉｌＥｎ ｉｅ ｒｎ Ｃｏ ｌ ｅ ｏ ｃ ａ ｉａ ｅ ｔｒａ ｇ ｎ ｅｉ ｇ，Ｃｈｎ ｒｅＧｏ ｇ ｓＵｎｖ ｉａＴｈ ｅ ｒ ｅ ｉ．，Ｙｉｈ ｎ ４ ０ ２，Ｃｈ ｎ ） ｃ ａ ｇ４ ３ ０ ｉａ
谭 宗 柒 李灿 灿 游 敏 叶 惠 军
（ 三峡 大学 机械 与材料 学院 ，湖北 宜昌 ４ ３０ ） ４ ０ ２
摘要 ： 铝合 金在 采用 对接接 头胶 接 时能保 证连 接 强度 ， 但其 应 力分 布 不容 易分 析． 通过 数 值 分析 方
法 ， ＡＮＳ 在 ＹＳ软件平 台中通过搭 建 两种不 同形 式 的铝合金 对接 接 头， 究模 型 弯 曲时其应 力分 布 研
复合材料连接
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5.3.2 机械连接设计
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5.3.2 机械连接设计
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(a)搭接 (b)偏位搭接 (c)变厚度搭接 (d)单盖板对接 (e)双盖板对接 (f)变厚度盖板对接
5.3.1 机械连接接头的分析
步骤： 1. 对结构部件进行内力和变形分析，确定接头
的外载荷； 2. 对接头内力和变形进行分析，给出各紧固件
载荷和作用于每个紧固件孔的旁路载荷； 3. 紧固件的应力分析； 4. 有载孔和无载孔板的应力、应变分析； 5. 接头的破坏分析
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这时λ也可简化为：
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最大剪应力发生在
处：
(5-14)
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5.2.1 胶接连接接头的分析
则无量纲的剪应力为：
而无量纲化的最大剪应力为：
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(5-15) (5-16)
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环境的影响较大 • 胶接质量的检验较困难 • 多数情况下胶接具有不可拆卸性
Байду номын сангаас
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5.1.1 胶接与机械连接的比较
优点
机 械 连 接 缺点
• 表面无须仔细清理即可获得较大的 连接强度
• 强度分散性小 • 抗剥离能力大 • 易于拆卸
• 开孔须削弱构件截面，且引起应力 集中等
521胶接连接接头的分析20191027weizhoucugeducn20设计原则使胶层在受力方向有足够的强度尽量减少应力集中防止接头端部层合板发生层间拉伸破坏胶粘剂的选择要有较好的综合力学性能有较好的粘接强度工艺性好使用方便522胶接连接设计20191027weizhoucugeducn21试验基本性能试验设计接头的验证试验接头的疲劳寿命试验522胶接连接设计20191027weizhoucugeducn22胶接接头几何参数的选择522胶接连接设计20191027weizhoucugeducn2353机械连接521机械连接接头的分析522机械连接设计一般来说对于受力大的结构连接构件较厚多采用螺栓或铆接等机械连接机械连接的主要形式有搭接和对接两种
材料特性对胶接接头应力分布和弯矩因子的有限元分析
材料特性对胶接接头应力分布和弯矩因子的有限元分析1. 引言1.1 背景介绍胶接接头是工程中常见的连接方式，通过使用胶粘剂将材料粘结在一起，可以实现高强度的连接。
胶接接头的性能受到材料特性的影响，不同的材料具有不同的力学性质，会影响胶接接头的应力分布和弯矩因子。
研究材料特性对胶接接头的影响具有重要意义。
胶接接头的设计和优化需要考虑材料的性质，通过有限元分析方法可以模拟胶接接头在受力情况下的应力分布和弯矩因子。
了解材料特性与胶接接头性能之间的关系，有助于指导工程实践中胶接接头的设计和应用。
1.2 研究目的胶接接头是工程结构中常用的连接方式，其弯矩和应力分布对结构的稳定性和强度有着重要影响。
材料特性对胶接接头的应力分布和弯矩因子的影响却鲜有深入研究。
本研究旨在通过有限元分析，探讨不同材料特性对胶接接头的应力分布和弯矩因子的影响规律，为工程结构设计提供更加精准的参考依据。
具体目的包括：1. 分析不同材料特性对胶接接头应力分布的影响规律，寻找最优材料组合以获得最小的应力集中区域；2. 探讨材料特性对胶接接头弯矩因子的影响机制，为提高接头的抗弯强度提供理论依据；3. 确定影响应力分布和弯矩因子的关键参数，为工程实践中的胶接接头设计提供可靠的参考指导。
本研究旨在深化对胶接接头力学行为的认识，为提高工程结构的可靠性和安全性提供新的思路和方法。
1.3 研究意义胶接接头在工程实践中被广泛应用，而材料特性对胶接接头的性能起着至关重要的作用。
通过有限元分析研究材料特性对胶接接头的应力分布和弯矩因子的影响，不仅可以深入了解胶接接头的力学性能，还可以为工程设计提供重要参考依据。
2. 正文2.1 胶接接头的特性胶接接头是一种常见的连接方式，通过将两个或多个材料通过胶水进行粘接，形成一个整体结构。
胶接接头具有以下特点：第一，胶接接头可以连接不同种类的材料，如金属、塑料、玻璃等，具有很好的通用性和适用性。
第二，胶接接头可以实现无孔隙、无融合、无位移等优点，具有优良的密封性和耐腐蚀性。
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复合材料胶接工艺和胶接接头内应力分析
作者：沃西源， 涂彬， 夏英伟， 房海军， Wo Xiyuan， Tu Bin， Xia Yingwei， Fang Haijun 作者单位：北京空间机电研究所,北京,100076
刊名：
航天返回与遥感
英文刊名：SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING
年，卷(期)：2008,29(1)
被引用次数：4次
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