基于刚度等效模型的减重孔板结构快速分析方法

为了能够更有效率地对减重孔板结构进行计算分析, 提出一种快速分析方法; 研究了减重孔板结构模型与平面板结构模型间的一般刚度等效关系, 建立了减重孔板孔径、孔距与相应平面板等效杨氏模量、等效板厚间的关系表达式, 以等效平面板结构模型代替原孔板结构模型进行变形分析; 将局部节点位移施加到相应目标孔位模型上, 计算了目标孔位区域的应力分布; 结合试验与仿真验证了方法的准确性; 通过对某实际减重孔板结构施加不同载荷, 对刚度等效关系的稳定性进行了验证; 通过某车体底架带孔板结构实例, 对方法应用于实际工程中的有效性进行了验证。分析结果表明: 与试验结果相比, 快速分析方法仿真变形最大误差约为3%, 应变的最大误差约为5%;不同载荷下的等效杨氏模量偏差约为2.5%, 等效板厚的偏差约为1.3%;快速分析方法对变形与局部应力的平均计算误差小于6.7%, 计算时间缩短了约50%。可见, 快速分析方法可以替代传统方法对减重孔板结构进行性能分析。      

一步成形在汽车覆盖件产品设计中的应用

研究了基于全量理论的板料成形快速有限元分析的方法——一步成形方法，编写计算机程序对某轿车前翼子板进行了计算模拟，并与试验结果和增量模拟结果进行了比较。由于计算速度快，建立分析模型简单，一步成形方法可用于汽车覆盖件产品设计阶段估计零件的可成形性，预示毛坯形状。     

一种客车骨架接头非线性应力快速计算方法

为快速而准确地估算出客车骨架屈服后的结构应力,本文中提出一种基于修正函数的客车骨架接头非线性应力快速计算方法。通过仿真和试验验证了非线性分析方法模拟材料失效的有效性;在3种典型计算工况下分别利用线性和非线性方法对一款典型的客车结构进行分析,用壳单元模拟3种典型接头结构并选取足够采样点,建立线性应力值与比例系数之间的近似函数关系,进而得到非线性应力的修正函数;选取另外一款典型客车进行分析,验证了所提出方法的有效性。     

复合材料粘接结构强度与环境耐久性综述

为深化对复合材料粘接结构环境耐久性的研究,从胶粘剂基础研究和面向工程的粘接结构应用研究两方面综述了国内外研究现状,探讨了粘接结构老化、疲劳及其耦合作用对强度的影响,总结了单因素和多因素耦合作用下的老化机理,根据基础研究归纳了粘接结构强度预测方法和疲劳寿命预测方法,并对未来研究重点及方向进行展望。分析结果表明:温度和湿度对粘接结构力学性能影响最为显著,多因素耦合作用下的老化更具破坏性,随温度产生的固化收缩、热膨胀系数的差异以及随湿度产生的水解和增塑作用均会使粘接剂老化,且载荷能够加速吸湿对粘接界面造成损伤,从而引发结构过早失效;老化与疲劳之间存在双向耦合作用,随时间变化的交变载荷不仅会影响粘接结构的疲劳寿命,同时还会加速粘接结构老化,而粘接结构在长期服役过程中的老化又会降低结构的疲劳性能;目前尚缺乏对湿热环境与交变载荷耦合作用下老化机理的深入研究,工程应用中的内聚力模型对延展性胶粘剂和厚胶层的预测效果欠佳,应进一步提高内聚力模型在复杂应力状态下的使用精度;损伤力学模型应考虑车辆实际服役工况并加入湿热耦合因素影响以提高使用精度;粘接结构疲劳寿命预测大多基于半经验模型,且对接头疲劳行为的预测局限于特定环境条件;随着粘接技术的进一步发展,对复杂应力状态下粘接结构服役性能的有效评估与建立准静态、疲劳和环境退化综合影响的渐进损伤模型将是未来研究的重点。      

温度对钢/铝粘接接头失效强度影响的研究

为给钢/铝粘接结构在车辆中的实际应用提供参考和指导,本文中选取了3种处于不同应力状态下的接头,包括厚基底剪切接头、45°嵌接接头和对接接头,选取-40,-10,25,50和80℃5个温度点进行测试,以研究温度变化对Plexus MA832钢/铝粘接接头失效载荷、失效形式和失效准则的影响。研究结果表明:随着温度的升高,3种应力状态接头的失效强度均呈三次多项式的下降趋势,但下降幅度与接头的应力状态有关。其中,厚基底剪切接头的强度下降最为明显,80比25℃时下降约56%;但温度变化并未引起粘接接头失效形式的变化,均表现为内聚力破坏。此外,通过接头胶层应力曲线的拟合,建立了不同温度下Plexus MA832粘接胶层的二次应力失效准则,并在此基础上,最终建立了钢/铝粘接接头在任意温度下的失效准则表达式。     

某客车前桥过桥梁结构改进分析

在进行某客车有限元结构分析时,发现其前桥过桥梁的部分应力偏大且分布不够合理。本文结合结构力学的相关理论,对此结构进行分析并提出改进意见,并通过计算得到验证。     

GFRP/铝合金和铝合金/铝合金粘接接头失效对比研究

为揭示玻璃纤维增强复合材料(GFRP)/铝合金和铝合金/铝合金粘接接头在不同温度和受力形式下的失效规律,加工了处于拉应力、剪应力和拉剪组合应力状态的粘接接头,分别在-40℃(低温)、25℃(常温)和80℃(高温)下进行了测试,结合胶粘剂的玻璃化转变温度(T_g),分析温度和应力状态对接头的失效强度、失效模式和失效准则的影响。结果表明:温度对GFRP/铝合金接头失效强度的影响与应力状态有关,但影响程度低于铝合金/铝合金接头;铝合金/铝合金接头大都是胶层内聚失效,但是GFRP/铝合金接头随着温度的降低和拉应力比例的升高,更容易发生纤维撕裂或分层失效,因而降低失效准则的拟合优度。因此在复合材料粘接结构设计中应尽量降低拉应力的比例,以减小纤维撕裂的倾向,同时在失效预测时须考虑纤维撕裂的影响。     

湿热老化对BFRP粘接接头横向冲击力学性能的影响

为了给车辆粘接结构的碰撞安全提供参考, 选取玄武岩纤维复合材料(BFRP)制作了单搭接接头; 根据车辆服役环境, 选取温度/湿度为80℃/30%和80℃/95%两种环境(GWCS和GWGS), 对接头分别进行了0、5、10和15 d的老化, 通过准静态拉伸测试了失效载荷和失效形式随时间的变化规律; 利用差示扫描量热法分析了BFRP和粘接剂在老化前、后的玻璃态转变温度; 对未老化和老化15 d后的接头进行了冲击能量为0、20、40和60 J的横向冲击试验, 分析了能量吸收、最大冲击载荷和最大变形随冲击能量的变化规律, 同时测试了接头失效载荷和失效形式的变化规律。分析结果表明: GWCS环境下, 老化后接头失效载荷下降比较小, 粘接剂发生后固化反应, BFRP发生分子链断裂, 接头更容易发生基体开裂或者纤维撕裂; GWGS环境下, 老化能明显加速接头性能的退化, 容易造成粘接剂与BFRP界面发生水解和膨胀, 老化15 d后失效载荷下降了54.99%, 失效断面为界面与内聚为主的混合失效; GWCS环境下, 老化后接头具有较好的承受冲击载荷和抵抗变形的能力, 冲击后失效载荷变化不大; GWGS环境下, 老化后接头受横向冲击影响明显, 承受冲击载荷和抵抗变形的能力较差, 在60 J冲击后接头表面损伤严重, 失效载荷下降明显, 下降幅度为58.71%, 失效断面为界面与内聚为主的混合失效, 损伤裂纹较为明显。可见, 车辆服役过程中, 粘接结构需尽量避免受高温高湿环境的作用, 尤其注意横向冲击对老化后粘接结构的影响。      

车身粘接结构断裂失效准则改进

为了解决现有失效准则无法满足粘接结构真实失效预测的问题, 利用试验测试与仿真分析相结合的方法建立一种基于应力的断裂失效准则; 设计了5组典型拉剪比的ISR-7008/铝合金粘接接头, 并对5组不同拉剪比的粘接接头进行准静态拉伸试验, 获得了初始断裂载荷与最大断裂载荷, 确定了胶层断裂失效点的起始位置; 建立了粘接接头的仿真模型并在仿真模型中施加初始断裂载荷, 提取出5组典型拉剪比的接头失效区域内初始断裂点的各种应力; 通过对失效点的各种应力进行比值和线性组合处理, 得出等效应力计算公式, 基于该等效应力计算公式建立适用于粘接结构的初始失效和后续失效统一的失效准则; 设计了验证试验方案, 通过对比试验结果和仿真结果, 分析了失效准则的有效性。分析结果表明: 在75°嵌接接头中, 仿真分析获得的失效载荷为1 717.6 N, 试验测试获得的失效载荷为1 936.4 N, 试验和仿真的相对误差为11.3%;仿真结果与试验测试的胶层失效过程基本吻合, 验证了本文建立的失效准则的有效性。建立的基于应力的失效准则实现了粘接结构初始失效准则和后续失效准则的统一, 可以较为准确地预测复杂应力状态下粘接接头的失效过程, 并且该失效准则解决了弹性粘接剂厚胶层的仿真问题, 为工程实际应用中的粘接结构强度设计提供了一定参考。      

服役温度对BFRP/铝合金粘接接头静态失效的影响

在车辆轻量化设计过程中, 为了预测BFRP/铝合金粘接接头在服役温度下的静态失效行为, 加工了处于拉应力、剪应力与拉剪组合应力状态的粘接接头, 根据车辆服役温度特点, 选取-40℃、-10℃、20℃、50℃、80℃五个温度测点, 通过准静态拉伸试验, 得到不同应力状态下接头失效强度随温度的变化规律, 分析了粘接接头失效形式和失效准则; 基于粘接接头在不同温度下的拉、剪应力, 建立了接头的二次应力失效准则方程, 对不同温度下的接头强度进行失效预测。分析结果表明: 粘接接头的失效强度受温度的影响明显, 随温度升高, 失效强度减小; 粘接接头中剪应力和拉应力的不同占比也会对接头失效强度造成一定的影响, 随着剪应力比例增大, 温度升高使接头失效强度下降更明显; 相比于低温-40℃, 高温80℃时的拉伸接头与剪切接头失效强度的下降幅度分别为47.77%与61.49%;随着温度升高, 粘接剂的失效应力和杨氏模量逐渐减小, 而失效应变逐渐增大, 说明温度很大程度上影响了粘接剂的力学性能; 粘接接头失效形式为内聚和纤维撕裂的混合失效, 拉应力作用下接头更容易发生纤维撕裂, 并且随温度升高, 纤维撕裂面积减小, 因此, 为了防止纤维撕裂, 需要避免粘接接头受拉应力作用; 粘接接头在不同温度下的二次应力失效准则曲线拟合精度均在0.957以上, 并绘制了失效准则响应曲面, 直观反映了粘接接头失效强度在车辆服役温度下的变化规律。