刚度不平衡对碳纤维传动轴胶接接头失效行为的影响

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胶接具有不破坏纤维连续性和轻量化等诸多优势，已成为碳纤维复合材料零部件的重要连接方式。但由于连接部位结构和材料的不连续，在传递载荷时会导致局部的高应力集中，因此胶接接头通常是结构的薄弱环节。对碳纤维传动轴而言，胶接接头失效行为的研究直接关系到传动轴的安全可靠性。碳纤维传动轴管与金属轴头的胶接是典型的刚度不平衡连接问题，被胶接件刚度不等使得连接两端的受载不一样，两端应力峰值产生明显差异，导致一侧的胶层或被粘物首先失效。针对这类刚度不平衡的碳纤维传动轴胶接接头，通过结构参数的设计削弱其刚度不平衡性，将显著降低接头应力集中程度、提高接头承载效率，对增强碳纤维传动轴的承载性能具有重要意义。
　　本文通过改变金属轴头与碳纤维传动轴管的剪切模量比、壁厚比获得不同的刚度不平衡状态，研究了刚度不平衡对碳纤维传动轴胶接接头应力分布、扭矩承载能力、裂纹产生和扩展规律与失效模式等失效行为的影响，提出了基于胶接接头刚度平衡的碳纤维传动轴结构设计方法。
　　首先，在材料力学的基础上分析了碳纤维传动轴胶接接头的受力状态、失效形式及对应的失效准则，并结合经典层合板理论推导出碳纤维传动轴管刚度计算方法，确定影响传动轴刚度不平衡的主要参数为剪切模量和壁厚，其中剪切模量的变化通过碳纤维传动轴管铺层方式改变而获得。
　　其次在ABAQUS中建立了碳纤维传动轴胶接接头的有限元模型，对胶层的模拟采用双线性内聚力模型，以初始失效指数QUADSCRT监控胶层的初始失效，刚度退化指数SDEG监控胶层的失效扩展，从而查看胶层裂纹产生和扩展规律。掌握了刚度不平衡状态下碳纤维传动轴管与金属轴头的应力分布、胶层初始失效及扩展分布、胶层应力应变分布及其随载荷的变化规律，以及对胶接接头扭转强度和刚度的评价方法。得到结论：碳纤维传动轴管的峰值应力出现在胶接区域端部，金属轴头的峰值应力出现在未胶接区域；胶层应力与应变分布、初始失效与扩展均呈现出不平衡性，被粘物扭转刚度较低一侧的应力、应变峰值与失效程度均高于另一侧。
　　结合有限元仿真与典型静扭实验研究了影响金属轴头与碳纤维传动轴管扭转刚度比的两大参数——两者剪切模量比与壁厚比对胶接接头失效行为的影响，得到结论：两者不同扭转刚度比下，传动轴构件失效模式不同；不同碳纤维传动轴管铺层下，传动轴构件的失效扭矩与两者剪切模量比有关，剪切模量比接近1时，失效扭矩最大；铺层角度对失效行为的影响远大于铺层顺序的影响；两者不同壁厚比下，传动轴构件的失效扭矩与两者扭转刚度比有关，当扭转刚度比从小于1的方向接近1时，失效扭矩逐渐增大，扭转刚度比大于1时，失效扭矩不会随扭转刚度继续增加而有显著变化；胶层应力分布和刚度退化与两者扭转刚度比有关，扭转刚度比为1时，应力分布最为平衡，裂纹在两侧同时产生和扩展；传动轴构件的整体扭转刚度随两者扭转刚度之和的增大而增大。
　　最后，在以上结论基础上，总结了基于胶接接头刚度平衡的碳纤维传动轴结构设计方法，为胶接失效模式下碳纤维传动轴的结构设计奠定了基础。

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作者
刘灿;
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作者单位

武汉理工大学;

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授予单位武汉理工大学;
学科机械工程
授予学位硕士
导师姓名胡业发;
年度 2016
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类轴;
关键词
碳纤维传动轴; 胶接接头; 失效行为; 刚度不平衡;

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