基于内聚力模型的CFRP层合板胶接结构力学行为研究

玻璃钢/复合材料 ›› 2019, Vol. 0 ›› Issue (8): 5-10.

• 基础研究 • 下一篇

基于内聚力模型的CFRP层合板胶接结构力学行为研究

朱兆一^1,2,李晓文^1,2*,李妍^1,2,熊云峰^1,2

1.集美大学轮机工程学院,厦门361021;
2.福建省船舶与海洋工程重点实验室,厦门361021

收稿日期:2018-11-21 出版日期:2019-08-28 发布日期:2019-08-28
通讯作者: 李晓文(1986-),女,工学博士,讲师,主要从事船舶轻量化方面的研究,lxwaza@163.com。
作者简介:朱兆一(1987-),男,工学硕士,实验师,主要从事船用复合材料结构设计优化方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金(51609101);福建省自然科学基金(2018J05090,2017J01487,2016J01249,2018J01493);福建省教育厅中青年教师教育科研项目(JAT170315,JAT170314)

MECHANICAL BEHAVIOR OF ADHESIVELY BONDED CFRP LAMINATES BASED ON COHESIVE ZONE MODEL

ZHU Zhao-yi^1,2, LI Xiao-wen^1,2*, LI Yan^1,2, XIONG Yun-feng^1,2

1.School of Marine Engineering, Jimei University, Xiamen 361021, China;
2.Fujian Provincial Key Laboratory for Naval Architecture and Ocean Engineering, Xiamen 361021, China

Received:2018-11-21 Online:2019-08-28 Published:2019-08-28

摘要/Abstract

摘要： 面对船舶轻量化的发展需求,碳纤维增强复合材料和胶接技术受到了船舶行业的广泛关注。CFRP层合板胶接结构是融合碳纤维增强复合材料和胶接技术的一种典型结构形式,其力学行为与船体结构的安全性密切相关。采用力学实验和有限元仿真相结合的方法,通过建立复合材料胶接结构的几何模型、理论模型和有限元模型,研究了CFRP层合板胶接结构的极限承载能力和损伤失效行为。结果表明:基于内聚力模型的数值模拟结果与力学实验的吻合度较高,能够有效区分线性段和非线性段;复合材料结构的胶接区域是CFRP层合板单搭接结构的薄弱环节;CFRP层合板胶接结构的损伤破坏形式较多,在胶接区同时存在被粘物损伤、胶层失效和界面失效;本文工作为复杂形式的FRP胶接结构的力学特性研究提供了一种参考。

关键词: 内聚力模型, CFRP, 力学行为, 失效模式

Abstract: Since light weight is desirable for the development of ships, carbon fiber reinforced composite materials and bonding technology have received widespread attention from the shipbuilding industry. The CFRP laminate bonding structure combining carbon fiber reinforced plastic and bonding technology is a typical form, and its mechanical behavior is vital to the safety of ship structure. Based on the mechanical experiments and finite element simulation, the geometrical model, theoretical model and finite element model of the CFRP laminate bonding structure were built, and its ultimate bearing capacity and damage behavior were investigated. The results show that the numerical simulation results using the cohesive zone model are in good agreement with the mechanical tests, which can effectively distinguish the linear segment from the nonlinear one. The bonding region is the weak link of the CFRP laminate single-lap structure. The failure behavior of CFRP laminated adhesive plate is complicated, and there are various failure modes such as cohesive failure, adhesion failure and adherence failure in the bonding area. This work is useful for the study of the mechanical properties of complex FRP bonded structures.

Key words: cohesive zone model, CFRP, mechanical behavior, failure mode

中图分类号:

TB332

朱兆一,李晓文,李妍,熊云峰. 基于内聚力模型的CFRP层合板胶接结构力学行为研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2019, 0(8): 5-10.

ZHU Zhao-yi, LI Xiao-wen, LI Yan, XIONG Yun-feng. MECHANICAL BEHAVIOR OF ADHESIVELY BONDED CFRP LAMINATES BASED ON COHESIVE ZONE MODEL[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites, 2019, 0(8): 5-10.

参考文献

[1] 施军, 黄卓. 复合材料在海洋船舶中的应用[J]. 玻璃钢/复合材料, 2012(1): 269-273.
[2] 杜善义. 先进复合材料与航空航天[J]. 复合材料学报, 2007, 24(1): 1-12.
[3] Han G C, Newcomb B A, Gulgunje P V, et al. High strength and high modulus carbon fibers[J]. Carbon, 2015, 93: 81-87.
[4] 李陵, 徐峰, 郑绍文. 复合材料T型接头力学性能分析及优化研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2015(4): 41-46.
[5] 李晓文. 舰船复合材料上层建筑连接结构设计优化研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2015.
[6] 李晓文, 邵菲, 朱兆一, 等. 船舶轻量化T型连接结构设计及强度试验[J]. 船舶力学, 2018, 22(4): 454-463.
[7] 谢鸣九. 复合材料连接[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2011.
[8] 王孝慧, 姚卫星. 复合材料胶接结构有限元分析方法研究进展[J]. 力学进展, 2012, 42(5): 562-571.
[9] 史亚龙, 王志宇, 王清远, 等. 钢-玻璃单端面胶接接头剪切受力的几何参数分析[J]. 中国胶粘剂, 2018, 27(5): 1-6.
[10] 宫占峰. 复合材料结构连接技术研究[J]. 纤维复合材料, 2015, 32(2): 26-29.
[11] 王树鑫, 尚新龙, 鞠苏, 等. 复合材料/金属胶接结构研究进展及发展趋势[J]. 玻璃钢/复合材料, 2017(11): 95-100.
[12] Jiang H. Cohesive zone model for carbon nanotube adhesive simulation and fracture fatigue crack growth[D]. Akron: University of Akron, 2010.
[13] 王晓强. 基于内聚力模型的复合材料拉伸性能细观有限元分析[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2012.
[14] 张军, 贾宏. 内聚力模型的形状对胶接结构断裂过程的影响[J]. 力学学报, 2016, 48(5): 1088-1095.
[15] Chandra A N, Li H A. Some issues in the application of cohesive for metal-ceramic interfaces[J]. International Journal of Solid and Structures, 2002, 39: 2827-2855.
[16] 张东, 黄晓明, 赵永利. 基于内聚力模型的沥青混合料劈裂试验模拟[J]. 东南大学学报, 2010, 40(6): 1277-1281.
[17] Sukumar N, Moes N, Moran B, et al. Extended finite element method for three dimensional crack modelling[J]. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2000, 48(11): 1549-1570.
[18] 黄刘刚. 内聚力模型的分析及有限元子程序开发[D]. 郑州: 郑州大学, 2010.

基于内聚力模型的CFRP层合板胶接结构力学行为研究

MECHANICAL BEHAVIOR OF ADHESIVELY BONDED CFRP LAMINATES BASED ON COHESIVE ZONE MODEL

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	宫唯康, 刘晓阳, 荆玉才, 项俊宁, 李相国, 杨国涛. 预应力CFRP板加固钢-混凝土组合梁受弯性能的有限元分析[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(7): 11-19.
[2]	刘畅, 杨树桐, 杨松, 冯耀东, 徐铭崎. 基于树脂预浸技术的短切Kevlar纤维增强CFRP-混凝土界面力学性能研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(5): 52-60.
[3]	郭峰, 王哲峰, 王共冬, 冯璐, 李桦, 马佳赫, 刘喜亮. 低温条件下含孔碳纤维复合材料层合板拉伸损伤特性研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(4): 56-61.
[4]	周满清, 张智梅, 程雯. 外贴CFRP加固RC连续梁的弯矩重分布性能研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(2): 31-37.
[5]	何振鹏, 邓殿凯, 刘国峰, 孙爱俊, 钱俊泽, 黎柏春, 胡艺馨, 杨帆. 基于内聚力模型的复合材料裂纹扩展研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(1): 5-12.
[6]	邓朗妮, 雷丽贞, 谢宏, 周峥, 廖羚. 疲劳荷载作用下CFRP板底层嵌贴加固RC梁开裂后挠度计算方法[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(1): 62-67.
[7]	胡静, 吴天航, 巩翰林, 李志宝, 李小二, 司晓亮. 雷击后飞机复合材料燃油箱蒙皮电热损伤特性研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(9): 68-73.
[8]	施萌, 汪洋, 吴志斌, 刘富. 民机货舱下部复合材料结构抗坠撞吸能特性试验研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(9): 83-88.
[9]	李桦, 郑晖, 王共冬, 刘月, 要淞洋. 碳纤维复合材料低温下螺栓连接疲劳研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(7): 17-21.
[10]	吴丽丽, 耿大林, 岳岩松, 杨家琦. 体外预应力CFRP筋自密实混凝土梁的预应力损失[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(6): 26-33.
[11]	王作虎, 邵明哲, 刘杜, 杨菊. CFRP筋-高强钢筋增强高强混凝土梁抗弯性能研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(4): 12-17.
[12]	王炳琛, 刘玲. 电热效应对碳纳米管修饰碳纤维复合材料剪切性能的影响[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(3): 82-87.
[13]	陈波, 翁少东, 温卫东, 杨兴林. 单向碳/碳复合材料高温拉伸行为失效机理研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(2): 89-94.
[14]	何建平, 沈锋, 张世海. 基于分布式光纤传感技术的CFRP板变形监测研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(12): 48-52.
[15]	杨钧超, 邹鹏, 邓凡臣, 柴亚南, 熊美蓉. 铺层和尺寸对含孔复材层板拉伸性能的影响[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(11): 5-11.