复合材料连接（共10篇）
复合材料连接 篇1
Kweon Jin-Hwe的二维数值特征曲线法实际上有一定的应用缺陷, 本文通过对这种特征曲线法进行一定的改进, 使之能够应用于有限三维模型上, 改进后的特征曲线法对于螺栓的拧紧力矩的变化可能影响到螺栓接头强度给予了充分的考虑, 所以测试结果能够更加准确。
1 基于三维数值的特征曲线法分析
1.1 确定特征长度方法
三维数值特征曲线法想要提升测试的准确性, 就应该严格确认特征长度, 因为特征长度的不同会给测试结果带来不同的影响, 甚至影响准确性, 公式 (1) 表明了在螺栓上作用任意挤压负荷的公式。
其中:P1i为接头上施加任意压缩载荷, P1, i则为所承受的挤压载荷, d孔的直径和ti代表该层单向板的厚度代表。
(第i层) 平均拉伸应力的计算定义式如公式 (2) 所示:
P2i, w, d和ti分别为接头拉伸载荷时第i层单向板载荷, 孔直径和该层单向板的厚度及宽度。
复合材料的模型建立的基础就是对于层合板的每层模型建立, 通过各层具体拉伸的长度来计算各层层合板的应力分布及拉伸特征强度这种方式能够避免通过破坏性试验来进行测试。
1.2 考虑螺栓拧紧力矩的特征曲线法
因为螺栓拧紧力矩的影响, 所以在基于单向层确定的各层特征长度上, 如果接头破坏相对延迟, 那么垫圈尺寸也就是挤压破坏区会随着拧紧力矩的增大而破坏区域会增大, 失效负荷也会变大, 达到一定的值, 当这个情况达到最大程度时, 此时再继续扩大拧紧力矩, 失效载荷和破坏区域也不会在发生变化, 但是复合材料的连接强度就会变低, 从这点来说, 破坏区域的大小和垫圈大小及拧紧力矩的关系很密切, 由此改进的特征曲线公式为:
在上面公式中第i层表示的是拉伸特征长度使用Roti表示, 第i层压缩特征长度可以使用Roci代替, 这个范围-π/2≤θ≤π/2是θ的界限, d为孔直径。D为垫圈外径 (一般D=2d) , S为螺母内接圆直径 (一般取S=d) 。
2 算例
2.1 模型建立
三维特征曲线法经过改进后, 开始对一个具体的复合材料接头进行分析计算, 具体尺寸表1如下所示, T300/1034-C的测试侧料的单向板性能为:E1=147GPa, E2=E2=1138GPa, 泊松比:V12=V13=V23=0.3, 面内剪切模量:G12=G13=6.185GPa, G23=5.78GPa, 纵向拉伸强度:Xt=1.7 29 GP a, 纵向压缩强度Xc=1.3 7 8 G P a, 横向拉伸强度:Yt=Zt=00665GPa, 横向压缩强度:Yc=Zc=0.268GPa面内剪切强度:S12=S13=0.1338GPa, S23=00899GPa;层合板采用对称铺层, 螺栓采用30GrMnSiA材料, 弹性模量:E3=200GPa, 泊松比:V=0.3。
采用ANSYS大型有限元软件对这种三维有限元模型进行分析, 因为这个模型是堆成的, 所以可以使用接头的一半来进行研究, 如图1所示, 就是接头有限元模型示意图。
本文所使用的算例中三种试件的螺栓直径分别为6mm, 8mm, 10mm, 每个螺栓分别施加6N·m, 12N·m, 18N·m的拧紧力矩然后在不同拧紧力矩下来对螺栓接头受力进行分析比较, 得出结果。
2.2 特征长度计算方法分析
在对这个测试元件进行分析之后, 发现当使用18N·m螺栓拧紧力矩时, 先对试件1进行应力计算, 将这个元模型固定好然后再施加不同的挤压载荷, 分别为10kN和8kN, 因为这元模型一端已经固定好, 同时对于另一端在施加不同的拉伸载荷, 分为为10kN和15kN, 然后结合螺孔周围的单元应力值, 在使用Matlab计算机辅助计算软件进行插值计算, 通过对试件1的计算, 最终发现其特征长度为1.28mm, 拉伸特征长度为5.74mm。
2.3 失效载荷计算和结果分析
根据所得到的拉伸和压缩特征长度再确定各个试件的特征曲线。然后对接头进行应力分析, 并且使用最新的特征曲线分析法进行相应的计算结果分析, 得出18N·m的拧紧力矩是试件1, 而12N·m的拧紧力矩则是试件2, 试件3在6N·m的拧紧力矩时失效载荷最大。经过计算, 当试件强度最大各试件失效载荷最大时所受拧紧力矩引起的侧压值均为60MPa左右。这说明连接件只有在合适的拧紧力矩下强度才能达到最大, 拧紧力矩过大或过小都会对强度造成影响。由此可见使用特征曲线法计算的特征强度要比实验数据更为精确。
3 结论
通过上面的分析, 可以得出两个结论其一是改进了基于单向层的三维特征曲线法, 提升了特征曲线法的精确度, 目前将最大误差已经控制在了4%一下;其二就是简化了运算模式, 通过建立简单的三维元模型, 在基本数值特征曲线法的基础上来有效的模拟螺栓拧紧力矩的影响, 这种方法被证实简单, 有效, 能够满足大型工程建设的需求。
参考文献
[1]Whitney J M, Nuismer R J.StressFracture Criteria for Laminated Com-posites Containing Stress Concentration[J].J Compos Mater, 1974, 10:253-265.
复合材料连接 篇2
基于易修理性对汽车进行设计优化,不仅可缩短修理周期,减少修理费用,而且对汽车厂家和保险公司也有积极作用.汽车的`材料连接是设计的关键.文章介绍了7种常见的材料连接方法,分析了连接设备和生产工艺的特点,并根据材料连接缺陷找出不同连接方法对维修性能的影响,提出了改进建议,给汽车设计人员和汽车厂家提供借鉴和指导.
作 者：徐枭 周荣 王巧凤 XU Xiao ZHOU Rong WANG Qiaofeng 作者单位：徐枭,王巧凤,XU Xiao,WANG Qiaofeng(河北工业大学机械工程学院)
周荣,ZHOU Rong(中国汽车技术研究中心)
复合材料连接 篇3
关键词：水冷搅拌摩擦焊 超声搅拌摩擦焊 电子束焊接 微观组织 力学性能 作用机理
Abstract：An innovation ideal is put forward in the present project. That is to say， external energy field is introduced into welding process in order to change the thermal-mechanical coupling effect， and thus control joint microstructure and improve welding quality. Underwater friction stir welding process， ultrasonic friction stir welding process and image sensing method for observing electron beam welding process without assistant light source are developed. Correspondingly， underwater friction stir welding system， ultrasonic friction stir welding system and image sensing system for observing electron beam welding process have been established so as to provide hardware guarantee for the accomplishment of project objective. The effect of water medium on microstructures and mechanical properties of friction stir welding joints is studied， and the profile and characterization of welding temperature field are analyzed in different welding environments. The effective law of welding parameters on welding temperature field， microstructures and mechanical properties of joints is studied. The benefit effect and its essential reason of water medium are revealed so as to lay a theoretical foundation for the improvement of microstructures and mechanical properties of joints. Aiming at the welding deformation and defect of aluminum alloy sheet used in the aeronautical structure， the experimental results are compared under the conditions whether the ultrasonic wave is utilized or not. It has been demonstrated that ultrasonic wave can decrease the welding temperature and metal flowing resistance， which is benefit to restrain welding deformation and defect， and thus can improve the microstructures and mechanical properties of joints. The formation law of keyhole and weld is studied in electron welding process， and the position characterization of penetrating spot is analyzed. A method for distinguishing penetrating spot and predicting penetrating depth is put forward on the base of image sensing in the electron beam welding process， and the intrinsic relation of image characteristic parameters to welding technological parameters is established， which provides theoretical and technical basis for the control of electron beam welding quality.
Key Words：Underwater friction stir welding； Ultrasonic friction stir welding； Electron beam welding； Microstructure； Mechanical properties； Effect mechanism
复合材料连接 篇4
为解决桥梁在横向连接缝处开裂的问题,本文提出采用PVA-ECC纤维混凝土连接板替代普通钢筋混凝土连接板或传统伸缩缝连接装置。 聚乙烯醇纤维水泥基复合材料(PVA-ECC)以水泥、矿物掺合料和粒径不大于150μm的石英砂为基体,采用体积掺量不大于2%的PVA纤维作为增强材料[1,2],在直接拉伸试验中试件出现多裂缝开裂与应变硬化现象,且裂缝宽度低于100μm[3,4]。 PVA-ECC纤维混凝土桥面连接板能承受相邻桥梁板由于温度变化、混凝土干缩和荷载作用所引起的变形,可有效解决桥面板渗漏侵蚀问题,极大提高结构的耐久性[5]。
本文通过静力加载试验,对比分析了普通钢筋混凝土连接板和PVA-ECC纤维混凝土连接板在正常使用过程中的抗裂和抗渗性能, 可为PVA-ECC纤维混凝土连接板在桥梁中的应用提供依据。
1试验材料与配合比
1.1纤维
本试验采用聚乙烯醇(PVA)纤维,俗称维纶,该纤维与其它合成纤维的物理性能参数对比见表1。 PVA纤维亲水 、无毒 、环保 ,成本相对较低 , 是制作ECC的理想选择[6]。 试验采用日本产型号为REC15的PVA纤维 , 长度18mm, 密度1.3g/cm3, 直径39μm,抗拉强度1600MPa,弹性模量42GPa,表面经油膜工艺处理,吸水率较低。
1.2配合比
普通钢筋混凝土连接板采用天津某公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥, 细度模数3.0~2.3的天然河砂,粒径10~20mm的石子,饮用自来水。混凝土设计强度等级C30,28d抗压强度平均值38.9MPa, 具体配合比见表2。
kg/m3
PVA-ECC纤维混凝土连接板采用天津某公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥,天津某电厂Ⅰ级粉煤灰,粒径75~147μm的石英砂,减水率约为18% 的聚羧酸系减水剂,饮用自来水。 混凝土设计强度等级C30,28d抗压强度平均值38.4MPa, 具体配合比见表3。
kg/m3
1.3H型钢
采用由马钢集团生产的Q345H型钢, 尺寸为300mm×10mm×15mm。 在靠近支座截面处设置加劲肋来防止梁端扭转。 为保证桥面板和钢梁不产生滑移,在钢梁的上翼缘焊接两排抗剪铆钉,加工好的钢梁如图1所示。
1.4钢筋
采用马钢集团生产的直径10mm的HRB400纵向受力钢筋和直径为6mm的HPB235横向分布钢筋,绑扎好的钢筋如图2所示。
2试验过程
本试验在河北工业大学结构实验室完成,连接板在正常使用过程中控制点为:跨中集中荷载达到450k N, 挠度达到5mm。 试验加载示意图如图3所示,试验过程如图4和图5所示。
3试验结果与分析
3.1最大裂缝宽度对比
对于普通钢筋混凝土连接板, 荷载达到80k N时连接板 跨中位置 出现第一 条裂缝 , 当荷载为250k N时,最大裂缝宽度为0.1mm。 荷载达到450k N( 控制荷载 ) 时 , 最大裂缝 宽度为0.21mm。 荷载为550k N时,裂缝宽度甚至达到了0.3mm,见图6。
PVA-ECC纤维混凝土连接板开裂荷载为200k N,是普通钢筋混凝土连接板的2.5倍。 荷载为280k N时最大裂缝宽度0.01mm, 随着荷载的增加裂缝宽度增长相对较慢,直到荷载为460k N时最大裂缝宽度才达到0.1mm,当荷载达到560k N时,最大裂缝宽度仅为0.13mm,见图7。
3.2裂缝间距对比
对于普通钢筋混凝土连接板, 裂缝间距最大94mm, 最小56mm, 平均裂缝间距为76.8mm。 而PVA-ECC纤维混凝土连接板裂缝间距最大63mm, 最小9mm,平均裂缝间距为22.6mm,前者平均裂缝间距为后者的3.4倍。 普通钢筋混凝土连接板在一条主裂缝处充分发展后才于其它截面发展新裂缝, 因此,其裂缝间距相对较大,PVA-ECC纤维混凝土连接板的混凝土开裂后,拉应力由纤维、未开裂混凝土和钢筋共同承担,而纤维的抗拉能力远大于混凝土的抗拉能力,从而阻止裂缝的发展,导致新裂缝产生。
3.3荷载-应变曲线对比
普通钢筋混凝土连接板跨中位置纵向受力钢筋最大拉应力286MPa, 最小拉应力173.6 MPa,拉应力平均值为241.2MPa。 PVA-ECC纤维混凝土连接板构件跨中位置纵向受力钢筋最大拉应力200.8 MPa, 最小拉应力131MPa, 拉应力平均值为173.5 MPa, 普通钢筋混凝土连接板钢筋拉应力平均值是PVA-ECC纤维混凝土连接板的1.4倍。
相同荷载作用下,普通钢筋混凝土连接板的混凝土应变比PVA-ECC纤维混凝土连接板的混凝土应变大,但钢筋应变却较小,即普通钢筋混凝土连接板开裂严重,钢筋受到的拉应力较大,如图8、图9所示。 PVA-ECC纤维混凝土连接板开裂轻微 ,钢筋受到的拉应力较小, 说明PVA-ECC纤维混凝土连接板抗裂性能好于普通钢筋混凝土连接板的抗裂性能,从而可以有效延长桥梁的使用寿命。
4结论
(1)普通钢筋混凝土连接板最大裂缝宽度大于PVA -ECC纤维混凝 土连接板 , 达到控制 荷载 (450k N)时 ,普通钢筋混凝土连接板最大裂缝宽度为0.21mm, 而PVA-ECC纤维混凝土连接板最大裂缝宽度小于0.1mm。
(2) PVA-ECC纤维混凝土连接板开裂荷载是普通钢筋混凝土连接板的2.5倍; 普通钢筋混凝土连接板裂缝间距大, 平均裂缝间距为PVA-ECC纤维混凝土连接板的3.4倍。
复合材料连接 篇5
及龙门寮山至美卿道路(龙翔路）拓宽改造
及新省道206线部分连接线工程
项
目
投
建
汇
报
福建省建润工程建设有限公司 二○一三年八月二十五日
省道206线安溪官桥至龙门过境二级公路新建工程及龙门寮山至美卿道路(龙翔路）拓宽改造及新省道206线部分连接线工程项目，工程于2012年11月29日由江西省地质工程（集团）公司、福建省鑫宇工程建设有限公司联合中标，在各有关部门和镇村领导的大力支持下，项目经过紧张的施工筹备，于2013年5月8日正式开工。
现将项目建设进展情况汇报如下：
一、工程概况：
1、省道206线安溪官桥至龙门过境二级公路
起点位于起点位于官桥镇莲美村后山顶中桥处，设起点桩号为K3+437.5，沿北向南走向，至K4+500经闽华电池厂旁后，穿过振华第三石材厂，沿山体进行布线，于K5+809.070 建一座2×20m 预应力砼（后张）简支空心板梁忙江中桥，K6+000经马斯特陶瓷厂，K6+200经通泽机械建材厂，沿山体进行布线于K6+814.9建一座4×20m 预应力砼（后张）简支空心板梁坑仔溪中桥，于K7+620顺接至立旺集团厂道路，终点接迎宾大道。
工程范围K3+437.5~K7+958.402，全长4520.902m，全路线采用水泥混凝土路面结构。本次设计为双向6车道，设计时速60km/h，路幅宽度为24m，全线设2座桥梁，其中：
忙江头中桥：采用2×20m 预应力砼（后张）简支空心板结构，桥宽2×1.25m（人行道）+21.5m（行车道），总宽24米,桥梁全长56.39m。
坑仔溪中桥：采用4×20m预应力砼（后张）简支空心板结构，桥宽2×1.25 m（人行道）+21.5 m（行车道），总宽24 m, 桥梁全长97.52 m。
2、龙门寮山至美卿道路(龙翔路）拓宽改造及新省道206线部分连接线工程
1）龙门寮山至美卿道路拓宽改造工程（龙翔路），西起龙门镇主干道迎宾大道，东至美卿村桥头，终点处为与现状水泥路顺接。工程范围K0+383.227~K2+160，全长1.776Km。本次线路路面结构为水泥混凝土路面，为双向4车道，路幅宽度为24m。
2）龙翔路接新省道206连接线，起点K0+000位于新省道206线（新 省道206线桩号K6+881.834），终点K0+147.355接龙翔路（龙翔路桩号K0+813.765）。全长0.147km，全路线采用水泥混凝土路面结构，采用城市支路（匝道）建设标准，双向两车道，路基宽度为10m。
二、项目建设进展情况：
本工程于2013年5月8日正式动工，截止2013年8月已完成公路工程（含桥梁工程）建安投资费约1000万元。
1、省道206线安溪官桥至龙门过境二级公路
1）清表工作：K3+437.5~K7+958.402，全长4520.902m。截止目前完成清表总量的32%。
2）路基土石方：K3+437.5~K7+958.402，土石方挖方完成18%，土石方回填完成3%。
3）桥梁工程：
①桥梁预制场：已完成桥梁预制场地填筑和平整3000㎡。②忙江中桥：冲孔灌注桩20根于下周全部完成。
③坑仔溪中桥：刚完成变压器的安装，正准备清表和桩机进场。
2、龙门寮山至美卿道路(龙翔路）拓宽改造及新省道206线部分连接线工程
目前为止路段全部未交地，未组织进行施工。
3、投建单位工作：中标至今，项目累计投入各类技术、行政、管理人员30人，土方、桥梁、涵洞、护坡等各类施工班组人员投入约160人，挖机5部，装载机6部，后八轮自卸车13部，20T压路机1部，推土机1台，钻机2台等机械设备。但由于征地拆迁的延误、交地不连续或交地后遗留问题没有彻底解决，造成可供施工的范围少，关键的双道涵和改河项目还不能施工，造成了人员、机械设备不能充分利用，也增加了我司成本。
三、施工质量控制方面：
1、桥梁工程分部：
桥桩分项，本桥梁基础采用冲钻孔灌注桩，已组织有关部门进行验收，砼采用C30水下砼，经检查桩径的轴线、高程、孔径、桩位的偏移均符合设计及规范要求，即将进行桥桩检测。
2、排水工程分部 雨水、污水、涵洞、排水沟工程严格按照设计图纸要求施工，轴线、断面尺寸、基础、高程、砼浇筑、回填材料及回填密实度均符合设计及施工规范要求。
3、路基工程
回填全部按施工规范分层压实、压实度的密实度全部符合要求。
4、路基防护工程
正在进行修坡后的喷播植草的准备。
四、安全控制方面：
本项目实施期间未发生重大及以上安全事故。
①建立本项目安全管理体系，并针对性地编制实施性施工组织设计、编制了土方开挖工程施工方案、施工用电、应急预案、桥梁工程、路基、管道、水泥稳定碎石层、沥青砼施工方案等施工专项方案。
②组织进行新老工人的三级安全入场教育、各班组开展班前班后的安全教育。进场特殊作业人员持证上岗。
③纠正及处罚违章作业人员、奖励在安全生产中的好人好事。④对基坑、临边进行有效的安全防护，并张挂安全警示牌。⑤配备专职安全员，不定时巡检，对存在的安全隐患进行整改。
五、需要协调和解决的工作
1、官桥镇
官桥镇已提供K3+437.5-K4+550段（1.1km）土地，但还存在以下问题： ①K3+600-K4+020段有大量的坟墓未及时迁出；
②K4+080-K4+200段因300户村民和工厂的给水管线改线及改线又与弃土区回填有冲突等情况，造成该段路基回填滞后；
③电力、电讯、移动等的电线杆未迁出，无法大面积开挖及高边坡多台阶的修坡。
2、龙门镇榜寨村
龙门镇榜寨村（K4+550-K5+870）现就K5+060-K5+870段（0.81km）提供土地，但还存在以下问题：
①K4+680-K5+060榜寨村前墘19组虽进行强制清表，但施工人员及机械仍被村民多次阻挠，而无法推进，且该地段还存在大量坟墓未迁移； ②K5+060-K5+200段房屋未拆迁，征地补偿款还有部分农户未领取，路基清表时因农户阻挠致使挖掘机被迫多次退出，导致箱涵，改河无法开工，3#弃土场不能启用；
③全路段电力、广电、移动等电线杆均未移除；K5+870处忙江头山顶路基范围电力铁塔未移除。
3、龙门镇寮山村
①省道206线：龙门镇寮山村（K5+870-K7+956.402）段仅有坑仔溪K6+780-K6+880（0.1km）段提供土地，但仍无法进场清表，且尚有大量电力、广电、移动等的线杆未移除，造成桥梁班组进场施工困难。
②龙门寮山至美卿道路(龙翔路）拓宽改造及新省道206线部分连接线工程全路段未提供交地，房屋拆迁未启动。
六、工作建议
为加快工程施工进度，更好地及时解决施工出现和发生的事情，建议每月召开一次由安溪县人民政府项目分管领导主持、镇村负责协调的干部、业主单位、施工单位等参加的协调会议，并邀请设计代表列席，形成会议纪要，责任和工作都能具体落实。
福建省建润工程建设有限公司
车身轻量化材料及其连接技术分析 篇6
1.1 车身轻量化材料
轿车车身轻量化技术主要包括轻量化材料的使用、结构的轻量化设计及先进成形工艺的应用。轻量化材料使用是车身轻量化的主流, 主要分两类:一类是采用高强度材料, 如高强度钢及高强度不锈钢;另一类是轻质材料, 如铝镁合金、工程塑料、碳纤维、新型玻璃、陶瓷和各种复合材料等。结构的轻量化设计主要是利用有限元法和优化设计等方法, 通过改进汽车零部件结构即薄壁化、中空化、小型化及复合化, 以减轻车身骨架和车身钢板的质量来达到轻量化目的。先进的成形工艺即是应用诸如激光拼焊技术、液压成形技术、热压成形技术、半固态金属加工、注射成型技术及喷射成型技术等实现结构轻量化。实际上三者是紧密相连的, 往往采用轻量化材料结合轻量化结构设计及先进的成形技术, 在性能不降低的前提下获得轿车车身的轻量化。
从国内外主流汽车轻量化材料的应用趋势来看, 高强度钢板是现阶段应用最普遍、最成熟的车身轻量化材料。少数主流车企在车身上应用了铝、镁等轻质合金。
1.2 车身轻量化材料应用现状
目前, 公司内部对钢材强度等级的划分参考大众合资公司的标准进行制订, 其分类见表1。
在公司一代车型中, REIN、C926属于最早开发的车型, 车身材料全部是普通钢板, 未使用高强度钢, 而在A0、A108、B926和BMPV车型上使用了部分高强度钢, 其应用情况见图1。
MPa
从图1可见, 一代车型中有4个车型使用了屈服强度大于180 MPa的高强度钢, 其应用比率约为整车质量的23%~39%。除了高强度钢板在一代车型上的应用, 其它轻量化材料, 如铝镁合金、复合材料等都未曾在车身上使用。
在结构轻量化设计方面, 公司在一代车型开发过程中, 逐步开始使用有限元方法进行CAE结构分析, 但该过程主要着力于分析车身强度、碰撞性能、车身模态、NVH等性能方面, 而对于结构的轻量化设计没有过多地关注。
2 轻量化材料的应用带来连接技术的挑战
车身轻量化材料的应用在达到了减轻车身质量的同时, 也对相应连接技术提出了更高的要求[1]。车身的传统焊接方法一般为点焊及CO2焊, 其中点焊工艺在车身制造中约占75%, 应用较为广泛。上述焊接方法在新材料的应用过程中主要面临如下问题。
a.电阻点焊对于异种金属的焊接质量很难保证, 尤其是铝、镁合金材料的焊接。铝电阻比钢小, 导热系数大, 电阻点焊时需要用到4倍于点焊钢材的电流, 能源消耗较大且焊接质量很难保证。
b.传统的CO2焊接不能很好地解决异种金属的焊接问题, 同时无法保证薄板的焊接质量, 焊后易变形。
综上所述, 传统的连接方法已经不能完全满足新材料对连接技术提出的更高要求, 必须开发和应用更先进的连接工艺技术才能满足汽车车身轻量化发展的需求。
3 车身轻量化连接技术
根据轻量化车身材料及部件选择位置的差异, 相应的连接技术也有所不同, 目前比较常用的轻量化连接技术为激光焊接、铆焊连接、冷金属过渡技术 (CMT) 、特殊点焊技术 (DELTASPOT) 及金属粘结技术。下面就上述连接技术的概念、特点及适用部位进行相关分析。
3.1 搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊接 (FSW) 是基于摩擦连接技术而开发的一种固相连接技术, 最先由英国焊接研究所在1991年发明。目前, 搅拌摩擦焊接在汽车行业的应用主要有发动机、底盘支架、轮毂、车门预成形件、车体框架等。
搅拌摩擦焊的特点如下。
a.固相连接, 焊缝中无气孔缺陷、无合金元素烧损、无热裂纹及无凝固时元素和组织的偏析。
b.焊前处理简单, 不需开坡口和特殊清理。可以直接对剪裁板件进行焊接。对氧化物不敏感 (如阳极氧化层) 。
c.不需要保护气和填充材料, 可在非浸蚀性环境中工作 (如水下焊接) 。无需保护气体, 无需填充材料, 也可获得良好的接头性能和焊缝外观。焊缝上、下表面示意图见图2。
d.焊接变形小, 焊接过程没有凝固收缩。与熔焊比, 搅拌摩擦焊变形很小。
e.接头性能优异, 接头静态性能超过熔焊接头。搅拌摩擦焊接头性能数据分散性小。与熔焊接头相比, 搅拌摩擦焊接头具有优异的抗疲劳性能。对于某些材料其焊缝的断裂韧性超过母材。
3.2 自冲铆接技术
自冲铆接 (SPR) 技术是用于两种或两种以上金属板材的冷连接技术。铆钉在外力作用下, 通过穿透第一层材料和中间层材料, 并在底层材料中进行流动延展, 形成相互镶嵌的永久塑性变形的铆钉连接过程。连接后一侧较为平整, 另一侧凸起一个圆柱。
目前, 采用自冲铆接工艺连接车身的内外覆盖件以替代点焊 (图3) , 越来越受到重视和青睐。自冲铆接工艺相对于其它连接技术具有如下特点[2]。
a.可以连接不同材质、不同厚度、不同强度的两层或多层板材组合, 是不同种类轻量化材料之间连接的最佳连接工艺之一。
b.无热效应, 可以用于涂层或镀层板材连接而不会破坏其涂镀层。
c.与传统铆接工艺相比, 其生产效率高、设备投资少、能耗成本低。
d.安全环保, 铆接时无热量、无烟、无火花、无粉尘或碎屑等产生。
e.铆接质量持续稳定, 重复性高, 铆接点质量可通过目视进行检查。
f.可与胶粘工艺组合使用。
自冲铆接工艺按其铆钉类型可分为实心、半空心铆钉自冲铆接工艺。在汽车车身制造中, 考虑到具体的生产环境、自冲铆接工艺的特点、连接强度及所应用材料的力学性能等要求, 因实心铆钉的铆接工艺有很多自身的局限性, 所以在汽车轻量化生产中主要应用半空心铆钉的自冲铆接工艺。
半空心铆钉的自冲铆接工艺为压边圈首先向下运动对铆接材料进行预压紧, 防止铆接材料在铆钉的作用力下向凹模内流动, 而后冲头向下运动推动铆钉刺穿上层材料。在凹模与冲头的共同作用下铆钉尾部在下层金属中张开形成喇叭口形状以便锁止铆接材料, 达到连接目的。半空心铆接工艺铆接相同金属材料时将较厚的材料放在下层;铆接两层不同金属材料时将塑性好的材料放在下层;铆接金属与非金属材料时将金属材料放在下层。铝制发动机罩盖自冲铆接技术见图3。
3.3 冷金属过渡技术
冷金属过渡 (CMT) 技术是全新的MIG/MAG焊接工艺, 焊接热输入极低, 可以焊接薄至0.3 mm的板材, 并可以实现钢与铝的异种连接。
CMT是基于短路过渡方式发展而成的, CMT是通过焊丝机械回抽方式来帮助熔滴过渡, 工艺过程可以被精确控制, 短路过渡周期恒定, 不受随机变量影响。因CMT熔滴过渡时电流几乎为零, 所以减少了飞溅, 其焊接质量高。CMT技术工艺原理见图4。
钢与铝连接的主要问题是接头处容易形成脆性相, 脆性相越少接头性能越好[1]。决定脆性相的主要因素是焊接时的热输入量, 热输入量越低, 脆性相产生的越少。所以CMT工艺可以很好地实现钢与铝的焊接。其原理为铝一侧为熔接, 钢一侧为钎焊连接, 母材未熔化。要求镀锌板镀锌层的厚度>10�m。焊缝外观及焊接接头的放大示意图见图5。
3.4 带极点焊技术
带极点焊 (Delta Spot) 技术是电阻点焊的新技术, 其原理为在电极与工件之间增加一条电极带, 焊接时电极压住电极带接触工件进行焊接, 当一个焊点完成后, 电极带自动转到下一个位置, 以电极带来保证工艺的稳定性, Delta Spot技术工艺原理见图6。Delta Spot可焊接任何类型的焊接接头, 如超高强钢、铝与铝、铝与钢等异种材料的焊接[1]。
电极带的使用不仅可用来保护电极, 还可以根据不同的材料选用不同电阻性能的电极带, 以增加焊缝热量的输入, 从而达到增加核心直径或者达到节能的目的。上、下电极选用不同的电极带, 可以实现电极两端的热平衡, 可应用于厚薄不均的多层板, 钢和铝异种材料的连接等。采用电极带后, 铜电极置于冷却循环水中并直接接触母材, 避免了焊后强冷导致超高强度钢、铝合金产生裂纹。
Delta Spot技术的特点是焊后没有电极压痕、电极带增加的电阻可减少热输入量、电极的磨损和消耗达到了最小化。
3.5 激光焊接技术
激光焊接是以激光作为能量载体的高能量密度焊接方法, 是将高强度的激光束辐射至金属表面, 通过激光与金属的相互作用, 使金属熔化形成焊接。目前, 在汽车工业应用越来越广泛。
3.5.1 激光焊接技术的特点
a.激光光束能量密度高, 热影响区域小, 焊缝深宽比大, 焊接变形小。
b.焊接速度快, 生产效率高, 可沿任意轨迹进行焊接。
c.焊接质量好, 焊缝强度等于或超过母材强度。
d.可实现不同型号、异种金属之间的焊接, 尤其适用于 (超) 高强度钢板及铝合金。
e.搭接边较传统点焊缩短, 有利于车身轻量化及降成本。
3.5.2 两种车身常用激光焊方法介绍
激光钎焊即以激光为热源, 利用熔点比母材低的材料作填充金属 (称为钎料) , 经加热熔化后液态钎料润湿母材、填充接头间隙并与母材相互扩散以实现连接的焊接方法, 是目前汽车车身焊接应用广泛的一种焊接工艺, 多用于轿车顶盖及行李箱等处的焊接。激光钎焊见图7。
激光填丝熔焊是利用激光为热源, 在两板件角接处, 各熔化两板件部分母材 (同时熔化附件焊丝填充两板件角接处) , 使其形成液态金属, 待其冷却后, 形成可靠连接的一种焊接方法。激光填丝熔焊见图8。
上述两种激光焊接方法都是汽车车身顶盖与侧围常用的焊接方法。汽车轻量化材料的应用, 尤其是优质高强度钢在车身上的普遍应用, 给焊接带来了极大的困难。高强度钢的屈服强度约为普通钢板的3~4倍, 采用传统的点焊已经不能实现优质连接, 采用激光焊连接技术可解决上述问题。
3.5.3 应用现状
为满足公司十二五战略规划要求, 推进车身轻量化的进程, M209项目侧围与顶盖的焊接采用了激光填丝熔化焊, 在满足了车身焊接品质要求的同时提升了品牌形象。激光焊接房见图9。
4 结束语
要实现车身轻量化, 必须在车身设计结构优化、新材料研究应用的前提下解决新材料的连接技术问题, 为新材料的应用提供可能性并创造更大的空间, 同时为汽车的创新设计提供更大的可行性。
参考文献
[1]杨修荣.轻量化汽车的焊接[J].汽车与配件.2011, (46) :22-25.
复合材料连接 篇7
近年来, 已经有众多学者对复合材料接头强度进行了研究, 采用的方法主要有实验法和数值分析方法。特征曲线法由于其计算简单, 所需费用较少的优点而逐步引起工程人员的关注。特征曲线法由Whitney和Nuismer[1]提出, Chang F K[2,3]把该方法应用到复合材料机械连接接头强度分析方面。Hamada 和Maekawa[4]提出了用钉孔挤压实验替代含圆孔板的压缩实验方法确定压缩特征长度。Kweon Jin-Hwe[5]等人又在此基础上提出了一种数值特征曲线法, 该方法完全使用数值计算来确定拉伸和压缩特征长度, 真正脱离了实验, 减少了费用。陈鹏飞[6]在Kweon Jin-Hwe[5]的基础上提出了一种在二维有限元模型上考虑螺栓拧紧力矩及侧压对螺栓接头强度的影响的特征曲线法。
基于二维有限元模型的特征曲线法由于无法完全考虑螺栓拧紧力矩的影响, 所以在二维模型基础上, 特征曲线法不是很适合用于计算复合材料层合板螺栓连接接头强度。本文在Kweon Jin-Hwe[5]的数值特征曲线法基础上提出了改进, 改进后的特征曲线法可在三维有限元模型上考虑螺栓拧紧力矩及侧压对螺栓接头强度的影响。
1三维数值特征曲线法
采用特征曲线法进行强度分析的过程主要如下, 首先对结构进行应力分析, 确定拉伸和压缩特征长度, 其次依据特征长度确定特征曲线, 对在特征曲线上的单元进行失效分析, 当特征曲线上的单元刚好发生失效时所对应的外载荷就是结构的失效载荷。本文中主要使用数值特征曲线法[5]来确定特征长度, 该方法不需要通过实验确定含孔板的拉伸破坏载荷和含孔板承压破坏载荷, 对模型上施加任意载荷通过数值计算就可以确定拉伸和压缩特征长度, 载荷大小对特征长度没有影响, 在各个载荷下所得到的拉伸特征长度/压缩特征长度相同。基于单向层的特征曲线方法, 由于各单向层材料或铺向角不同, 其承载能力有一定的不同。根据各层承载能力的不同分别计算特征长度, 根据各铺层的特征长度确定各层的特征曲线, 对各层由特征长度确定的特征曲线上的单元进行失效判断, 最后确定层合板接头的破坏载荷。
陈鹏飞[6]提出的特征曲线法表达式如式 (1) 所示。
式 (1) 中:Dw为垫圈外径 (依标准可取Dw=2d, d为孔直径) , Rot为拉伸特征长度, Roc为压缩特征长度, ( 取值范围为- (/2≤ (≤ (/2。λ为侧压系数, 取值范围为d/Dw≤λ≤1。式 (1) 中λ值是根据已知经验拟合出的一个值, 在其文章中是适用的, 但若垫圈尺寸或拧紧力矩发生变化, 则λ需要重新拟合, 在实际应用中带来不便。
在本文三维特征曲线法中, 模型采用三维有限元模型, 各层可划分为独立体单元建模, 可对各层分别分析。这样拧紧力矩和侧压可以直接加载在模型上, 省去了对λ的拟合, 对各种连接情况均适用, 因此在实际应用中比较方便。
1.1特征长度的确定方法
基于单向层的数值特征曲线法压缩特征长度定义为从孔前缘到沿载荷方向某点的距离, 当螺栓上作用任意大小的挤压载荷时, 任意一层 (第i层) 在该点位置上的局部压缩应力等于该层平均挤压应力, 该层平均挤压应力的计算定义式如式 (2) 所示。
式 (2) 中P1i 为接头上施加任意压缩载荷P1时, i层所承受的挤压载荷, d和ti分别对应孔的直径和该层单向板的厚度。
拉伸特征长度定义为从孔侧边到垂直载荷方向某点的距离, 当含孔层合板上作用任意大小的拉伸载荷时, 任意一层 (第i层) 在该点上的局部拉伸应力等于该层平均拉伸应力, 该层平均拉伸应力的计算定义式如式 (3) 所示。
式 (3) 中P2i, w, d和ti分别是接头施加的P2拉伸载荷时第i层单向板所承受的载荷, 单向板宽度, 孔直径和该层单向板厚度。
通过对复合材料层合板建立有限元计算模型, 分别对带孔板按拉伸特征长度定义计算出各层应力分布及各层的拉伸特征长度, 对带钉板按压缩特征长度定义计算出各层压缩特征长度, 将各层特征长度带入式 (4) 得出各层特征曲线。
1.2考虑螺栓拧紧力矩的特征曲线法
根据复合材料层合板特征曲线的表达式及基于单向层确定的各铺向层特征长度, 由于存在螺栓拧紧力矩作用的影响, 螺栓连接接头较难发生孔边分层等沿厚度方向的损伤, 接头破坏相对延迟。当垫圈尺寸一定时, 当螺栓拧紧力矩较小时, 挤压破坏区域随着螺栓拧紧力矩的增大而增大, 接头的失效载荷也随着增大, 当施加的螺栓拧紧力矩达到一定值 (最佳拧紧力矩) 以后, 接头的失效载荷达到最大值, 继续增大螺栓拧紧力矩, 失效载荷和破坏区域不会继续增大, 连接强度反而会降低。所以破坏区域跟垫圈大小和螺栓拧紧力矩作用有很大关系, 改进的特征曲线为:
rc (θ) = (D+S) /2+Roti+ (Roci-Roti) cos θ (4)
式 (4) 中Roti为第i层拉伸特征长度, Roci为第i层压缩特征长度, ( 取值范围为- (/2≤ (≤ (/2, d为孔直径。D为垫圈外径 (一般D=2d) , S为螺母内接圆直径 (一般取S=d) 。
1.3失效判据
采用三维模型验证特征曲线法, 故采用三维Tsai-Wu失效准则对接头进行失效分析, 该失效准则为二次多项式, 表达式如式 (5) 所示:
式中σij (i, j=1, 2, 3) 分别为六个方向应力, X, Y表示单向板1, 2方向的挤压强度, 下标T表示拉, C表示压。
将特征曲线上各单元的应力值带入公式 (5) 中的失效判据进行计算, 当任何一层在特征曲线上的任一单元的L值大于或等于1, 即在该层此单元发生破坏, 就认为接头发生失效破坏。计算得出各层的失效载荷, 比较各层失效载荷大小, 当某层失效载荷最小即该层失效载荷为整个模型的失效载荷。
2算例
为了验证改进后的考虑了螺栓拧紧力矩影响的特征曲线法正确性与有效性, 利用本文所改进的方法对不同几何尺寸的单螺栓复合材料层合板连接接头强度进行分析预测, 所计算结果与参考文献[6]中的实验结果和计算结果进行了比较分析。
2.1模型建立
采用本文提出的改进的特征曲线法计算了复合材料层合板螺栓连接接头强度, 接头的几何尺寸如表1中所示, 材料为T300/1034—C, 其单向板性能为:E1=147 GPa, E2=E2=11.38 GPa, 泊松比:ν12=ν13=ν23=0.3, 面内剪切模量:G12=G13=6.185 GPa, G23=5.78 GPa, 纵向拉伸强度:Xt=1.729 GPa, 纵向压缩强度:Xc=1.378 GPa, 横向拉伸强度:Yt=Zt =0.0665 GPa, 横向压缩强度:Yc=Zc =0.268 GPa, 面内剪切强度:
采用Ansys大型有限元软件对复合材料螺栓连接接头建立基于间隙接触单元的三维有限元模型, 由于螺栓连接接头几何和外载荷形式的对称性, 为了简便计算, 取接头的一半为研究对象, 所建螺栓连接接头的有限元模型如图1所示。
本算例中三种试件的螺栓直径分别为6 mm, 8 mm, 10 mm, 每个螺栓分别施加6 N·m, 11 N·m, 18 N·m的拧紧力矩, 对不同拧紧力矩下的螺栓接头受力进行分析比较, 得出结果。
2.2特征长度计算
以试件1为例, 螺栓拧紧力矩取18 N·m时, 先对试件1进行应力计算, 对承压实验有限元模型端部固定, 在螺栓上分别施加10 kN和8 kN的挤压载荷, 对拉伸实验有限元模型一端固定, 在另一端分别施加10 kN和15 kN的拉伸载荷, 根据螺孔周围单元应力值, 使用Matlab软件进行插值, 得出试件1各层的特征长度如下表:
通过各层的特征长度进而确定模型特征长度, 试件1经过计算所得到的压缩特征长度为1.26 mm, 拉伸特征长度为5.76 mm。
根据同样的方法, 对各试件在不同螺栓拧紧力矩下的特征长度进行计算。各试件在不同螺栓拧紧力矩下的特征长度如下表:
2.3失效载荷计算及结果分析
根据所得到的拉伸和压缩特征长度, 确定各个试件的特征曲线。对接头进行应力分析, 采用三维Tsai-Wu失效判据对所确定的特征曲线上的单元进行失效判断, 确定失效载荷, 通过计算, 得到采用本文改进的特征曲线法计算的各试件的失效载荷如表4所示, 各试件在不同拧紧力矩下的失效载荷比较如图2所示。
通过图2可知试件1在18 N·m的拧紧力矩, 试件2在11 N·m的拧紧力矩, 试件3在6 N·m的拧紧力矩时失效载荷最大。经过计算各试件失效载荷最大时所受拧紧力矩引起的侧压值均为60 MPa左右, 此时各试件强度最大。说明连接件只有在合适的拧紧力矩下强度才能达到最大, 拧紧力矩过大或过小都会对强度造成影响。
本文计算结果与实验值及文献[6]结果比较如表 (5) 。
注:表5中各试件失效载荷的实验结果和二维特征曲线法计算结果来自文献[6]。
本文所计算的失效载荷与文献中的实验值及前人所用二维特征曲线法所得结果进行比较, 如表5所示, 采用本文所述方法所计算的螺栓连接接头的失效载荷跟实验值吻合的较好, 误差在4.12%以内;与文献中的实验值及前人所用二维特征曲线法所得的结果相比, 误差更小, 更适合工程使用。由于使用三维模型进行计算, 本文方法适用与各种尺寸的螺栓连接, 计算之前不需要对λ估算拟合, 在实际工程应用中比较方便。
由此可知, 建立三维有限元模型, 采用本文所述的特征曲线法计算和预测复合材料层合板螺栓连接接头的失效载荷是可行的, 计算精度是满足工程需要的。
3结论
(1) 本文采用改进的基于单向层的三维特征曲线法对螺栓连接接头承载能力进行了计算分析, 通过与实验结果及前人所用二维特征曲线法的结果比较, 最大误差在4.12%以内, 满足工程精度要求。
(2) 建立简单的三维有限元模型, 在数值特征曲线法基础上能够有效地模拟螺栓拧紧力矩的影响, 方法简单, 适合工程应用。
摘要：提出一种基于复合材料三维应力分析的特征曲线法, 用于计算复合材料螺栓连接件的连接强度, 该方法与基于二维应力分析的特征曲线法相比, 可以考虑螺栓拧紧力矩对接头强度的影响。通过对算例的分析及与试验结果的对比, 证明提出的三维特征曲线法是可用于复合材料螺栓连接强度分析, 是一种适合工程计算的有效方法。
关键词：复合材料,特征曲线法,强度,三维
参考文献
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[3]Chang F K, Scott R A, Springer G S.Failure Strength of nonlinearly elastic composite laminates containing a pin Loaded Hole.J Compos Mater, 1984;18:464—477
[4]Hamada H, Maekawa Z I.Strength prediction of mechanically fas-tened quasi-Isotropic carbon/epoxy joints.J Compos Mater, 1996;30:1596—612
[5]Kweon Jin-hwe, Ahn Hyon-Su, Choi Jin-Ho.A new method to de-termine the characteristic lengths of composite joints without testing.Composite Structures, 2004;66:305—315
复合材料连接 篇8
1 疲劳中复合材料层合板材料力学性能退化模型
从Yang J N等人的无缺口试样剩余刚度退化公式[6]出发,推导建立疲劳中复合材料层合板剩余刚度退化模型,并进而建立了剩余强度退化模型。
Yang J N等人提出的剩余刚度退化公式为
式( 1) 中n为载荷加载循环次数; E( 0) 为初始刚度; Q和v是随机变量,其值取决于施加的应力水平σ、加载频率 ω、应力比R以及环境,Q是v的线性函数,而v的值则是由大量的试验数据,根据置信度,由概率统计得到。因为E( n) 是减函数,由式( 1) 可以看出: Qv > 0。
从n1到n2对式( 1) 进行积分,当n1= 0,n2= n时:
当n = N时,N为疲劳寿命,将式( 2) 转变为
由式( 3) 可以得到变量Q表达式:
由式( 4) 可以看出,变量Q必大于0,因此,可得知v也必大于0。将式( 4) 代入式( 3) ,可得:
引入Lee在层合板疲劳研究中建立的剩余刚度与强度关系式:
式( 6) 中 σU为结构静强度; c1及c2为试验常数。将式( 6) 转化为
将式( 7) 代入式( 5) ,得到疲劳加载过程剩余刚度退化模型为
应用Yang研究中经疲劳试验分析得出的: v是所施加应力水平的线性函数,其表达式为
式( 9) 中a1和b1为试验参数。
对于剩余强度退化方法,将式( 8) 左边分子分母同时乘以应变,同时为确保循环次数n达到最终疲劳寿命N时,左右式相等,不考虑c1及c2。可得疲劳加载过程剩余强度退化模型为
对于式( 10) 中w,本文假设其同样可以表示为所施加应力水平 σ 的函数:
式( 11) 中a2和b2为试验参数。
2 复合材料层合板单钉连接件疲劳后剩余强度公式
2. 1 疲劳载荷下单钉连接件细观机理分析
在拉-拉疲劳载荷作用下,复合材料层合板单钉连接件因为传力路线的不连续而发生应力集中现象; 并在缺口根部发生各类相应损伤形式;但疲劳载荷是循环载荷,不随加载次数增加而单调增加,因而在寿命前期内,缺口根部塑性区的基体内不会形成大的裂纹,而是产生众多的微小裂纹,且直至密度达到饱和后才发生大的裂纹[9]。因众多微小裂纹的产生,导致缺口根部塑性区内的裂纹形状发生变化,原本尖锐的裂纹因众多微小裂纹相互作用而趋向于平滑,裂纹尖端曲率变小,整个根部区域内的裂纹被钝化,此时塑性区内的应力集中程度被缓和,应力最大值以及应力梯度均较变化前降低了; 但塑性区外的层合板几乎无损伤,其承载能力没有改变,故而寿命前期内层合板单钉连接件整体上的应力集中程度随加载次数增加而下降,宏观上表现为承载能力增加,即其剩余强度大于静强度。当剩余强度增加至最大值后,随加载次数增加,层合板单钉连接件所有区域内均产生大量损伤,较多纤维发生断裂,层合板力学性能退化,其承载能力下降,此时层合板单钉连接件剩余强度随加载次数增加而下降,至其降至最大外加载荷时层合板单钉连接件断裂失效。故而,在复合材料单钉连接件的整个疲劳寿命区域内,其剩余强度随加载次数的变化规律是先单调增加,当增至最大值后再单调递减,降至最大外加载荷时单钉连接件断裂失效。
2. 2 疲劳载荷后单钉连接件剩余强度公式
基于上述分析,到达试验中确定的疲劳循环次数( 106) 时,基体内裂纹密度达到饱和状态后,材料内部失效形式以界面脱胶、分层,以及少量纤维断裂等形式为主; 此时产生失效所需的能量较之基体开裂所需的能量要大得多,而外载在单个循环内对材料所做功近似相等,因此相应的在疲劳载荷作用下其强度衰减速率也变小,因此本文建立模型时主要考虑以反映少量的纤维断裂为主。
复合材料单钉连接拉-拉疲劳过程中,诸多因素会影响着其剩余挤压强度变化规律; 而且还需要大量试验做支持,不同因素造成的交叉影响也极为复杂。因此,要描述所有因素造成的影响难以实现。鉴于此,本文分析复合材料单钉连接疲劳后剩余强度随加载次数增加而变化的规律,考虑了包括最大疲劳应力水平、单钉连接件静强度、疲劳寿命、单钉连接件的宽度、端径、厚度、孔径等主要因素,提出一个宏观唯象模型,表达式如下。
式( 12) 中 σ( n) 是疲劳加载n次后复合材料单钉连接件的剩余强度; σmax是复合材料单钉连接件最大疲劳应力水平; σult是复合材料单钉连接件静强度; N是最大疲劳应力水平 σmax下单钉连接件所对应的疲劳寿命; n是加载次数; W是单钉连接件的宽度; E是单钉连接件的端距; d是单钉连接件的孔径; k是与各铺层角度所占比例有关,通过计算获得。其中,a和b为试验参数,通过试验获得。
式( 12) 满足如下边界条件。
(1)静态断裂时,n=1,σ(n)=σult。
(2)疲劳断裂时,n=N,σ(n)=σmax。
3 试验研究
为获得复合材料单钉连接件拉-拉疲劳剩余强度规律,以40% 极限破坏载荷作为疲劳载荷峰值,应力比R = 0. 1,开展了CCF300 /BA9916-ⅡS复合材料单钉连接疲劳试验,所有试样均在室温条件下进行疲劳试验,到达确定的疲劳循环次数106时,对该试样进行静力拉伸试验,因此得到试样在单一疲劳条件后的P-δ 曲线,见图1。
4 结果对比
由最小二乘法得到的剩余强度退化系数为:a = 0. 39,b = 5. 68 × 10-6; A铺层的k为: 0. 405,B铺层的k为: 0. 394,C铺层的k为: 0. 387。在对该复合材料机械连接件纵向拉-拉疲劳剩余强度退化曲线拟合时,增加初始条件:
最终绘成复合材料单钉连接件纵向拉-拉疲劳后正则化剩余强度退化曲线如图2。
复合材料单剪单钉连接件试验值与本文公式预测值比较结果见表1。表1 中每组试样编号为5件,试验结果为同一组中5 个有效试样挤压强度的平均值,图3 给出了单剪单钉连接件试验值与公式预测值比较图。从表1 和图3 可以看出,本文公式预测值与试验值比较吻合,误差都小于3. 68 % ,满足工程精度要求。
5 结论
以刚度退化模型为基础,推导出复合材料层合板剩余强度退化模型,并结合复合材料疲劳损伤机理和疲劳试验结果统计分析研究剩余强度退化,推导建立出复合材料单钉连接剩余强度预测公式。通过与试验结果进行对比分析,可以得到以下结论。
( 1) 本预测公式结果与试验结果吻合极好,最大误差在3. 68 % 以内,满足工程精度要求。
( 2) 应用该公式估算复合材料单钉连接疲劳后剩余强度时,能考虑到影响疲劳剩余强度的主要因素,而且通用性强,能较好的预测出疲劳强度,适合于工程应用。
参考文献
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[8]齐红宇,温卫东.先进纤维增强复合材料疲劳寿命的预测.纤维复合材料,2001;2(3):3-6Qi Hongyu,Wen Weidong.Fatigue life prediction of fiber-reinforced composite materials.Fiber Reinforced Plastics/Composites,2001;2(3):3-6
系留光电复合旋转连接器的研制 篇9
20世纪80年代国外率先发展了光纤旋转连接技术,光滑环与电滑环集成为光电复合旋转连接器,用于动态传输光电信号与电能,可广泛应用于雷达天线系统、石油钻探和速率台等系统。随着装备技术的不断提高,人们对光电复合旋转连接器的要求也越来越高,相应提出了大拉力、水密等要求。
我们所研制的系留光电复合旋转连接器应用于系留转动系统中,用以实现在承受拉力的转动状态下光电信号和电能的不间断传输。该系留光电复合旋转连接器的光学性能为:2路双波长1310nm、1550nm单模光纤,光插入损耗≤3.0dB(包含转动附加损耗),光串音≥65dB,光回波损耗≥60dB。电气性能为:绝缘电阻≥1000 MΩ,接触电阻≤5mΩ,传输10A直流的2芯间的耐压为10kV,传输75A交流大电流的4芯间的耐压为500V。该系留光电复合旋转连接器整体外径不大于120mm,长度不大于500mm(包含拉力件),抗拉强度不小于80kN,工作温度范围为-40～70℃。该系留光电复合旋转连接器由2芯单模光转动部件、6芯电转动部件、拉力部件、整体外围部件及其它辅助件组成。
2 系留光电复合旋转连接器的研制
系留光电复合旋转连接器的设计和研制分为各个部件和总体的设计和研制。光转动部件决定光学性能,电转动部件决定电气性能,拉力部件和总体设计决定抗拉强度和外形结构。
2.1 光转动部件的设计及研制
在旋转过程中,光转动部件转动端光纤准直器出射的光通过一系列光学元件(包括各种棱镜、反射镜及波片等)后始终与静止端准直器保持耦合,从而达到转动过程中光信号的不间断传输。但由于机械加工精度、调试精度和光学加工精度等限制,转动端准直器形成的光学轨迹只能是一个无限小的圆,而最终的光学性能就取决于这个圆与静止端准直器的耦合效果。光转动部件设计和制作的主要难点在于如何尽量减小这个无限小圆的直径,而这个目标又可细分为以下几个小目标:a.使转动端与静止端光路的光轴与机械转动轴平行;b.减小转动过程中的机械偏移;c.使光学元件中心轴与输入和输出的光保持平行。
目前,多芯(2芯以上)光转动部件的实现一般采用道威棱镜结构,其难点在于如何使道威棱镜的中心轴线与转动部件的物理转动中心线重合,且其重合度决定了最终光转动部件的光学性能。一方面,转动部件的物理转动中心线本身存在跳动,无法与棱镜中心轴线良好重合;另一方面,将两者调试重合的效果也不理想。此结构制作的光转动部件插入损耗控制在3dB以内的合格率很低。因此我们决定放弃这种结构,为此我们设计了一种一体化棱镜结构制作2芯单模光转动部件,其结构如图1所示。
在图1所示结构中,转动轴和联动轴压入轴承后再一体压入基体外壳中。这样只要保证基体外壳内圆孔在整个长度上直径的一致性,就能确保在转动过程中转动轴和联动轴的轴线误差在设计值范围内,从而使得联动轴内光学元件出射的光斑在转动过程中的轨迹趋向于一个更小直径的圆周。这种结构相对于道威棱镜结构的好处在于联动轴内的棱镜不必与转动中心线重合,即可实现输出光与静止端光路的良好耦合,从而大大降低了光学元件的安装精度要求。2芯单模光转动部件的光路如图2所示。
根据对单模光纤准直器的损耗分析,要达到插入损耗不超过3dB,转动端准直器的转动轨迹须满足最大横向偏移不大于0.15mm,最大角向偏移不大于0.1°。为此我们采用了图3所示的以端面为基准的反射法进行光路的调试,其原理是当准直器的出射光与反射镜面垂直时,功率计中的光功率最大,反之亦然。因此在调试过程中,当功率计中的光功率最大时,可以认为转动端准直器的转动轨迹达到了最小偏移,此时可用环氧胶粘结或激光焊接的方法将准直器固定在转动轴内。
通过这种调试法将2芯光转动部件转动端的准直器固定后,静止端准直器的调试只需在光转动部件旋转过程中,使静止端准直器与转动端准直器耦合损耗最小,同时其转动附加损耗也相应最小。
利用上述结构和调试方法,我们制作的2芯光转动部件损耗可以控制在2.3dB以下,转动附加损耗不大于0.8dB,合格率在90%以上。
2.2 电转动部件的设计及研制
电转动部件由2芯10A和4芯75A共6芯电路构成,其主要元件包括芯轴、电刷、绝缘环和导电环。转动端电线与导电环焊接为一体随芯轴转动,静止端电线与电刷焊接为一体固定在安装板上,通过电刷与导电环的摩擦达到转动导电的目的。在电转动部件设计时,首先根据每个接触件(包括导电环、电刷等)承受的电流和接触电阻及介质的耐压、绝缘电阻等其它电气性能,进行各元件的材料选择。
为了满足长寿命、可靠接触等要求,导电环和电刷一般都采用贵金属材料。导电环材料可分为:a.贵金属及其合金,如银、银铜、银铜钒、金银、铂铱、金银铜、金铜等;b.电镀贵金属及其合金的复合材料(基底多为铜合金)。这两种材料都具备良好的化学稳定性和抗电侵蚀性,且摩擦因数低,加工性能良好。但由于以金、铂、钯为基体的合金材料价格高,而导电环的材料用量较大,会导致投资成本剧增。因此,我们采用的是以低锌白铜作为加工材料,在其上镀涂10μm厚硬金的方法制作导电环,这样既保证了导电环良好的电接触性能,又确保了耐磨性能。
目前较通用的电刷形式有活塞型电刷、片状弹簧电刷和丝状弹性电刷,其性能如表1所示。基于本项目尺寸要求的限制,我们最终选择了体电阻和体积都较小的丝状弹性电刷。
电刷材料的选择应确保具有较低的电阻率、较大的弹性模量、尽可能小的弹性迟滞、良好的化学稳定性和抗电侵蚀性、良好的加工性能。最重要的一点是电刷材料必须具有超高的耐磨性能。表2列出了几种主要的可选用的电刷材料。基于硬度和价格的考虑,我们采用了主要成分是金、银、铜和镍的合金材料制作的丝状弹性电刷。
因为要承受10A或75A的大电流,所以必须知道采用的电刷在最高允许工作温度下长期连续工作时允许通过的电流,即载流量,并以此来选择相应直径的合金丝。根据运行经验,在正常最大负荷下接触件的最高允许工作温度应不超过80℃,允许温升应不超过50℃,最高温度下使用的合金丝的最大允许电流计算公式为:
式中ρ为电阻率,ρ=2.35×10-8Ω·m;d为合金丝直径;n为固定系数,取n=0.38;α为电阻率ρ的温度系数,α=0.0043℃-1;T为最高温度,T=80℃+50℃=130℃。
由于我们设计的电转动部件的每一根承受10A电流的导线将接一个滑环2对电刷,即每一根电刷的合金丝上分担的电流量为2.5A,考虑200%的安全系数,则合金丝上的电流为5A;每一根承受75A电流的导线将接三个滑环,每个滑环上接4对电刷,即三个滑环上总共接12对电刷,每一根电刷的合金丝上分担的电流量约为3.2A,考虑200%的安全系数,则合金丝上的电流分别为6.4A。因此合金丝上最大允许电流I=6.4A,将其代入式(1),可计算出合金丝直径d=4.9×10-4 m=0.49 mm。根据合金丝的常用规格,我们最终将该合金丝直径定为0.6mm。图4为电转动部件的结构图。
2.3 拉力部件和总体设计及研制
系留平台收放及高空系留时,由于平台本身的浮力以及气流的作用,系留光电复合旋转连接器须承受80kN的最大拉力,因此需要对连接器的拉力部件和总体进行承力设计,以满足使用要求。拉力结构部件主要由端接外套、拉力件和光电复合缆等组成。由于作用于光电复合缆绳的拉力是通过与缆绳固结的拉力件传递到旋转连接器的外壳,因此必须选用恰当的旋转连接器外壳材料及其厚度。旋转连接器的尺寸限制了其外壳壁厚不能大于10mm。我们利用Solidworks Simulation的有限元分析法对10mm壁厚的旋转连接器在80kN拉力下的整体受力情况进行模拟,并计算出其最大应力为163 MPa。根据常用金属材料的抗拉强度,可以选择不锈钢(包括304、316L等)和钛合金。考虑到盐雾(排除304)、重量(排除316L),最终选择TC4钛合金作为外壳材料,并计算出壁厚为7mm时,在80kN拉力下的最大应力为235MPa,加上200%安全系数,最大应力为705MPa,低于TC4材料能承受的795MPa的强度,因此证明了选材和设计的合理性。
3 试验验证及结果
我们对该系留光电复合旋转连接器进行了试验验证,测试结果如表3所示。
可见该系留光电复合旋转连接器在80kN拉力下,具有良好的光学性能、电气性能和抗拉性能,满足了使用要求,达到了国外同类产品的水平。通过对其水密性能的再设计后能应用于拖曳阵列系统或声纳监视系统中。
摘要：利用光电复合旋转连接器可以实现在转动状态下光电信号和电源动力的传输。介绍了系留光电复合旋转连接器各个部件的设计,并对其整体性能进行了分析。
关键词：光电复合,连接器,系留旋转连接器
参考文献
复合材料连接 篇10
1 玻璃特性简介
玻璃是由石英砂、纯碱、石灰石等主要原料与某些辅助性材料在1 550℃~1 600℃高温下熔融后, 成型并经急冷而得到的固体物质。玻璃具有透光、透视、隔声、隔热、保温以及降低建筑结构自重的性能。
根据种类不同, 玻璃有不同的特性。按照建筑中的用途与功能, 玻璃可分为:净片玻璃、装饰玻璃、安全玻璃、节能玻璃及防火玻璃, 根据每种玻璃所要发挥的作用及产生的功能而具有不同的特性。
1.1 净片玻璃特性
1) 良好的透视、透光性能, 3 mm, 5 mm厚的净片玻璃的可见光透射比分别为87%和84%。对太阳光中近红外热射线的透过率较高, 但对可见光折射至室内墙顶地面和家具、织物而反射产生的远红外长波热射线却有效阻挡, 故可产生明显的“暖房效应”。净片玻璃对太阳光中紫外线的透过率较低;2) 隔声、有一定的保温性能;3) 抗拉强度远小于抗压强度, 是典型的脆性材料;4) 有较高的化学稳定性, 通常情况下, 对酸碱盐及化学试剂和气体都有较强的抵抗能力, 但长期遭受侵蚀性介质的作用也能导致变质和破坏, 如玻璃的风化和发霉都会导致外观破坏和透光性能降低;5) 热稳定性较差, 急冷急热易发生炸裂。
1.2 装饰玻璃特性
1) 彩色平板玻璃可以拼成各类团, 并有耐腐蚀抗冲刷、易清洗等特点;2) 釉面玻璃具有良好的化学稳定性和装饰性;3) 压花玻璃、喷花玻璃、乳花玻璃、刻花玻璃、冰花玻璃根据各自制作花纹的工艺不同, 有各种色彩、观感、光泽效果, 富有装饰性。
1.3 安全玻璃特性
1) 钢化玻璃:机械强度高、弹性好、热稳定性好、碎后不易伤人、可发生自爆;2) 夹层玻璃:透明度好、抗冲击性能高、夹层PVB胶片粘合作用保护碎片不散落伤人, 耐久、耐热、耐湿、耐寒性高;3) 钢化玻璃或夹层玻璃组合加工而成的其他玻璃制品:如安全中空玻璃等。单片半钢化玻璃 (热增强玻璃) , 单片夹丝玻璃不属于安全玻璃。
1.4 节能装饰性玻璃
1) 着色玻璃有效吸收太阳辐射热, 达到蔽热节能效果;吸收较多可见光, 使透过的光线柔和;较强吸收紫外线, 防止紫外线对室内影响;色泽艳丽耐久, 增加建筑物外形美观;2) 镀膜玻璃保温隔热效果较好, 易对外面环境产生光污染;3) 中空玻璃光学性能良好、保温隔热性能好、防结露、具有良好的隔声性能。
1.5 防火玻璃
防火玻璃作为一种新的建筑防火材料, 既能保证建筑师关于立面的创新又能满足消防的要求, 正被越来越多的使用。按照不同的方法分类也不同, 单纯按照结构可分为:1) 单片防火玻璃。一种单层玻璃构造的防火玻璃, 在一定的时间内保持耐火完整性, 阻断迎火面的明火及有毒, 有害气体, 但不具备隔温绝热功效。2) 复合防火玻璃。由两层或多层玻璃原片附之一层或多层水溶性无机防火胶夹层复合而成。能有效阻断火焰, 隔绝高温及有害气体。
2 玻璃及其与其他材料的构造连接方法
2.1 玻璃之间的构造连接方法
2.1.1 玻璃与玻璃之间进行粘结
1) 夹层玻璃。在两片或多个平板玻璃之间粘夹柔韧的中间透明膜。由于两层玻璃间有强聚乙烯化合物, 因而受地震、震动荷载和强风荷重时不会让碎片散开和落下。常用于高层建筑门窗, 天窗, 鱼缸等, 还可作为航空用的安全玻璃。2) 带玻璃肋的墙面。玻璃幕墙的一种, 施工简单, 安装快捷。肋的方向有三种:双肋布置、单肋布置、通肋布置。现在很多建筑的墙面采用全部是玻璃的外观, 立面豪华, 安装快捷。如北京三里屯village苹果专卖店, 是一个玻璃的房子, 其立面就采用这种带玻璃肋的墙面, 为了解决大片玻璃的稳定性问题, 相当于墙体中的壁柱。玻璃面及加肋玻璃要求是整块的, 玻璃尺寸较大, 运输、安装、保管均要格外小心。当它高度在4.5 m以上安装时, 必须在吊顶内设有悬挂吊架。
2.1.2 玻璃之间采用结构构件进行连接
1) 带钢构件的全玻璃幕墙。其特点是把玻璃的重量通过钢构件传递给后面的钢架。2) 点支式玻璃幕墙。点支式玻璃幕墙, 是近年来新出现的一种支承方式。它由玻璃、固定螺栓及钢爪、支承结构组成。
2.1.3 通过刚性材料连接
1) 玻璃墙面。
选用普通平板玻璃及其他特制玻璃, 如磨砂玻璃、彩色玻璃等做的墙面。玻璃墙面的构造是先立筋, 让其纵横成网格形, 其间距根据玻璃尺寸而定, 然后将玻璃固定在上面。
2) 玻璃砖隔墙。
玻璃砖也叫玻璃半透花砖, 是较新颖的装饰材料。玻璃砖可以用于墙面砌筑, 也可直接作为砌筑材料砌隔墙。除可自然采光外, 还具有良好的隔热、隔声和装饰功能。它的砌筑采用上下层对缝的方式, 自下而上砌筑。上下层之间可以用木垫块, 木垫块的底面涂少许万能胶, 然后铺浆砌筑。采用水泥砂浆, 按白水泥∶细沙=1∶1调制或按白水泥∶107胶=100∶7调制。
3) 玻璃砖采光顶。
玻璃砖用于采光顶, 光线经过折射和反射后会比较柔和。另外, 玻璃砖是中空的, 对于保温、隔热都有较好的效果。玻璃砖在采光顶上呈拱形拼装。
2.2 玻璃与金属的连接
2.2.1 局部镶嵌连接
1) 在金属框中安装玻璃。在金属框中放置橡胶垫或涂玻璃胶, 然后将玻璃装入, 最后安装封边压条。玻璃栏板与不锈钢管或全铜管的连接, 第一种是在金属管下部开槽, 厚玻璃插入槽内;第二种是在管子下部安装卡槽, 厚玻璃卡在槽中。
2) 门窗定位安装。在玻璃与金属上下横挡内的两侧空隙处, 两边同时插入小木条并且轻轻敲入其中, 然后再往缝隙内注入玻璃胶。
2.2.2粘结
1) 玻璃栏板与金属扶手的连接。
用玻璃胶直接将厚玻璃粘结在管子下部。
2) 全隐型玻璃幕墙。
此类幕墙的玻璃四边均用结构硅酮胶粘合在型材上, 型材完全不外露。
3) 加肋幕墙拐角做法。
对于高度在4 m~4.5 m以下的加肋幕墙, 上下左右 (靠墙处) 均为不锈钢压型凹槽。将玻璃用填充物 (橡胶、泡沫等材料) 填实后, 再用硅酮耐候胶封口。但有时候幕墙是四面的或异形平面的, 这种情况下带有拐角, 在拐角处最好不要设计成加肋玻璃, 因为在拐角处容易被碰撞, 肋易碰坏。这时可以采用不锈钢无缝管与不锈钢板用不锈钢焊条组焊而成, 焊缝抛光用布轮打光, 这样既增加视觉的豪华感, 又增大了拐角的强度而不怕碰撞。
2.2.3 依靠玻璃自重, 直接进行搁置
玻璃家具的制作, 主要在于玻璃板的加工处理和金属构件的组合。有时可以靠玻璃的自重, 直接将厚重的玻璃板搁置在支架上。
3 建筑构造连接方法的评价
3.1 美学角度
从美观的角度来说, 建筑各构件之间的连接可以对建筑的立面效果产生影响, 如在建筑的材料已经确定的情况下, 同样是玻璃幕墙, 全隐和半隐的连接方式会产生不同的建筑立面效果。
3.2 实用性
每种构件都会有很多不同的连接方式, 采用不同的方法, 所耗费的材料, 施工的难度等都会不同。因而要根据具体的要求选择适合的连接构造方式, 达到最经济的效果。充分发挥各材料的性能, 相互连接的材料之间在化学性质上要能相容。符合所在场所要求的材料性能应能充分发挥而不遭破坏, 达到最经济的效果。如中国古代屋顶的装饰中经常根据它所处位置的重要性采用明柎和草柎两种不同的装饰。
3.3 坚固性
从坚固的角度, 构件间的连接是否牢固直接关系到整个建筑物的命运。符合力的传递规律, 从整体到局部满足结构的传力要求, 做到安全可靠。改善受力状态, 符合抗拉、抗弯及抗剪强度要求, 以及支撑, 稳定, 模数, 结构等方面要求, 都要均衡考虑, 从而保证整体的稳定性和局部的结构要求。无论多么美观的建筑, 如果不能满足建筑的要求, 那它就失去了存在的价值。建筑的坚固程度决定了它的使用寿命, 因此应该分析不同建筑及其各个部位的受力情况, 采用合理的构造连接方式达到坚固的目的。
摘要：针对建筑施工中大量采用建筑材料玻璃的现状, 阐述了建筑施工中净片玻璃、装饰玻璃、安全玻璃等具有不同功能的玻璃的特性, 对玻璃与玻璃之间、玻璃与金属之间的构造连接方法进行了分析, 并对不同的连接方法进行了评价, 为今后玻璃与其他材料的连接提供了参考依据。
关键词：玻璃,构造,连接方法
参考文献
[1]蒋泽汉.玻璃、金属板材及其装饰施工技术[M].成都:四川科学技术出版社, 1998.