【摘 要】
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为提高金属与复合材料混合连接结构的力学性能,本文提出一种金属与复合材料之间的新型连接方法,并对这种连接方法在航空航天结构上的应用问题进行了研究。该新型连接方法通过
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为提高金属与复合材料混合连接结构的力学性能,本文提出一种金属与复合材料之间的新型连接方法,并对这种连接方法在航空航天结构上的应用问题进行了研究。该新型连接方法通过在金属与复合材料搭接区铺设胶膜并同时嵌入若干贯穿被连接件的金属细针,从而使被连接件通过贴合面的胶层和贯穿被连接件的细针粘接为一体,形成连接结构。为探明和揭示该新型连接方法的优越性,制作了相应的试验件并开展了准静态和疲劳力学性能测试。通过分析试验过程中的载荷-位移关系以及试验件破坏模式,发现新型连接方法显著提高了金属与复合材料连接结构的破坏载荷,破坏应变以及能量吸收能力,并改变了连接结构的破坏形式和过程。贯穿连接件的细针与被连接件之间具有桥联作用力,从而使得细针不但抑制胶层开裂和层压板面外分层,而且与贴合面上的胶层一同传递被连接件之间的载荷,提高复合材料与金属连接结构的承载能力和可靠性,并降低连接结构破坏的突发性,从而有利于结构破坏的可检性。除了在室温下进行实验外,为了对不同温度环境下连接结构的力学性能进行研究,还对两种试样在不同温度环境下的性能进行测试。进一步研究了新型连接结构的环境适应性。此外,本文构建了细观有限元模型,对传统和新型连接结构的力学响应进行了模拟分析。通过与试验结果进行对比,发现有限元模拟结果与实验结果具有较好的一致性。然后通过分析有限元分析结果,对新型接头的增强机理进行了研究。研究发现金属细针的存在不仅抑制了界面胶层的剥离,而且在界面胶层破坏后,还在连接部分与其表面的胶层一起传递载荷,使连接结构的承载能力不会快速下降,从而使得复合材料部件和金属部件之间的机械性能得到较大的改善。在有限元模型的基础上,通过考虑不同温度下连接结构各组分的弹性模量以及热膨胀系数的变化,并对模型应用顺序热力耦合方式建立了热力耦合有限元模型,发展了一套考虑环境效应的复合材料与金属胶-多细针连接结构优化设计和分析方法。
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