一种用于CFRP-AL单搭接接头湿热老化性能研究的有限元分析方法技术

一种用于CFRP

【技术实现步骤摘要】
一种用于CFRP
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AL单搭接接头湿热老化性能研究的有限元分析方法


[0001]本专利技术属于粘接结构性能仿真领域，涉及一种用于CFRP
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AL单搭接接头湿热老化性能研究的有限元分析方法。

技术介绍

[0002]有限元分析(Finite Element Analysis，FEA)是一种利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟的一种方法。该方法使用较简单的问题代替复杂问题进行求解，不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法在工程设计和科研领域得到了越来越广泛的重视和应用，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车和科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。目前，使用有限元软件对问题进行数值模拟技术是提升产品质量、缩短设计周期、节约开发成本的一项有效手段。
[0003]随着汽车轻量化的发展，轻质合金和复合材料在汽车上的使用愈加广泛，如何满足工程条件的情况下将复合材料和金属轻质合金异质材料很好的连接起来成为一大难题。传统解决异质材料连接的方法主要有螺栓连接、铆接等，但是这类连接方式需要在被连接材料上面开孔，从而破坏被连接材料造成应力集中的问题。相比传统机械连接方法，粘接技术在解决异质材料连接的问题上具有保持原有形状、连接区域应力分布均匀和连接工艺简单等优点，所以在汽车工业得到广泛应用。
[0004]汽车在服役过程中常常处于恶劣环境(高温、高湿、辐射、盐雾等)，其中湿热老化环境尤为常见，湿热老化环境对于粘接结构的力学性能造成了巨大破坏，为保证车辆在服役过程中的安全性，粘接结构在经历湿热老化之后需保持一定的强度，因此对经历长期湿热老化的复合材料
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轻质合金搭接接头的力学行为进行研究是很关键的。目前已有许多针对各种老化环境对胶粘剂和搭接接头的影响进行的研究，但是由于复合材料结构的复杂性，有关碳纤维复合材料
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铝合金搭接接头在湿热老化环境下的力学行为研究很少。随着碳纤维复合材料和铝质材料的广泛使用，为了缩短设计周期、节约开发成本，对碳纤维复合材料
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铝合金搭接接头在湿热老化环境下的力学行为研究是十分有必要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术主要对于CFRP
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AL单搭接接头在湿热老化环境中性能退化、寿命难以预测等问题，提供一种用于CFRP
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AL单搭接接头湿热老化性能研究的有限元分析方法。通过定义水分扩散系数D，采用数值仿真方法对建立的CFRP
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AL单搭接接头胶层水分扩散有限元模型进行模拟，得到搭接接头胶层水分浓度分布情况。然后根据接头中水分浓度分布对经历不同老化时间的胶层内聚力参数进行退化，得到和吸湿浓度相关的退化内聚力模型。最后利用退化的内聚力模型对经历湿热老化的CFRP
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AL单搭接接头准静态拉伸有限元模型进行断
裂过程的分析，模拟接头的失效过程，实现对粘接结构服役寿命的有效预测。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种用于CFRP
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AL单搭接接头湿热老化性能研究的有限元分析方法，包括以下几个步骤：
[0008]第一步，确定水分扩散系数D。水分在胶粘剂内部的扩散符合Fickian第二定律，Fickian第二定律的表达形式和各向同性材料传热过程的表达式形式一致。Fickian第二定律表达式如式(1)所示：
[0009][0010]式中，D是水分扩散系数，c是水分浓度，t是吸水时间，x是扩散方向的坐标。各向同性材料传热过程的控制方程如式(2)所示：
[0011][0012]式中，T是局部温度，λ是材料的热传递系数，c
v
是比热容，ρ是材料密度。
[0013]通过对比式(1)和式(2)，将局部温度T当作Fickian第二定律中的水分浓度c，λρc
v
当作水分扩散系数D。
[0014]第二步，建立CFRP
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AL单搭接接头胶层水分扩散有限元模型，得到搭接接头胶层水分浓度分布情况。
[0015]本专利技术利用有限元仿真软件ABAQUS建立CFPR
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AL单搭接接头胶层的有限元模型。该单搭接接头由铝合金(6061A)、碳纤维、2015环氧树脂胶粘剂组成，其中铝合金(6061A)和碳纤维作为被粘基底，2015作为粘接基底的胶粘剂。在定义材料属性时将比热容c
v
和密度ρ的乘积设置为1。基于CFPR
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AL单搭接接头胶层的有限元模型，建立水分扩散有限元模型。
[0016]由于是对接头胶层水分扩散进行模拟，碳纤维板和铝合金板不做网格划分，只对胶层区域进行网格划分，网格大小为0.25
×
0.25
×
0.25mm，网格单元采用八结点线性传热六面体单元(DC3D8)。
[0017]通过ABAQUS的Heat Transfer模块对该有限元模型进行仿真模拟，得到搭接接头胶层水分浓度分布情况。
[0018]第三步，根据得到的接头中水分浓度分布对经历不同老化时间的胶层内聚力参数进行退化，得到和吸湿浓度相关的退化内聚力模型。
[0019]采用双线性内聚力模型对单搭接接头胶层建模，双线性内聚力模型的3个关键参数是初始刚度E0、临界牵引力σ
i,c
和断裂能G
i,c
，其中σ
i,c
(i＝I,II,III)代表不同加载模式下的临界牵引力，G
i,c
为胶层的断裂能。混合加载模式下模态混合比例是通过三种加载模式下的断裂能定义的。
[0020]本模型采用式(3)所示的最大名义应力准则确定胶层的断裂初始：
[0021][0022]其中，σ代表牵引力。
[0023]胶层的裂纹扩展由式(4)所示的二阶幂次准则决定：
[0024][0025]其中，G
I
、G
II
、G
III
分别代表I型加载法向力、II型加载剪切力、III型加载剪切力做功释放的能量。
[0026]胶层吸湿后，将内聚力模型关键参数根据胶层吸湿量不同做出相应退化，得到退化内聚力模型。
[0027]第四步，利用得到的退化内聚力模型对经历湿热老化的CFRP
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AL单搭接接头准静态拉伸有限元模型进行断裂过程的分析，模拟接头的失效过程。
[0028]该过程需要建立CFRP
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AL单搭接接头准静态拉伸有限元模型。与第二步的建模过程相似，碳纤维板、铝合金板和胶粘区域的尺寸和材料属性设置相同，不同的是该部分需要对碳纤维板、铝合金板和胶粘区域都进行网格的划分，并进行约束的定义。具体如下：
[0029]首先，由ABAQU本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于CFRP
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AL单搭接接头湿热老化性能研究的有限元分析方法，其特征在于，包括以下几个步骤：第一步，根据Fickian第二定律和各向同性材料传热过程确定水分扩散系数D；第二步，建立CFRP
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AL单搭接接头胶层水分扩散有限元模型，得到搭接接头胶层水分浓度分布情况；采用有限元仿真方法建立CFPR
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AL单搭接接头胶层的有限元模型；该单搭接接头由铝合金、碳纤维、环氧树脂胶粘剂组成，其中铝合金和碳纤维作为被粘基底，作为粘接基底的胶粘剂；在定义材料属性时将比热容c
v
和密度ρ的乘积设置为1；基于CFPR
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AL单搭接接头胶层的有限元模型，建立水分扩散有限元模型；由于是对接头胶层水分扩散进行模拟，碳纤维板和铝合金板不做网格划分，只对胶层区域进行网格划分，网格单元采用八结点线性传热六面体单元；对水分扩散有限元模型进行仿真模拟，得到搭接接头胶层水分浓度分布情况；第三步，根据得到的接头中水分浓度分布对经历不同老化时间的胶层内聚力参数进行退化，得到和吸湿浓度相关的退化内聚力模型；采用双线性内聚力模型对单搭接接头胶层建模，双线性内聚力模型的3个关键参数是初始刚度E0、临界牵引力σ
i,c
和断裂能G
i,c
，其中σ
i,c
(i＝I,II,III)代表不同加载模式下的临界牵引力，G
i,c
为胶层的断裂能；混合加载模式下模态混合比例是通过三种加载模式下的断裂能定义的；胶层吸湿后，将内聚力模型关键参数根据胶层吸湿量不同做出相应退...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟东，李丽丽，邵新愿，郑国君，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：