表面凹槽对CFRP-钢管类接头胶接强度的影响

杨宏城，张锦光，马泽超

(武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)

碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced plastic，CFRP)因其轻质高强、临界转速高、抗疲劳性能强等突出优势逐渐替代传统金属。CFRP与金属的胶接连接因其效率高、结构轻、应力分布均匀、制造工艺经济简便等特点已广泛用于汽车、航空航天等工程领域，因而复合材料胶接方面的研究十分重要。

国内外学者对复合材料与金属管类胶接接头的研究主要通过解析法、有限元法和试验法。Adams等[1]最早得出了扭转载荷下胶层剪切应力的数值表达；关志东[2]和Je Hoon Oh等[3]验证了扭转载荷下胶层应力分布的简化公式，建立了复合材料管类接头的平衡方程，并对胶层进行了非线性分析；赵宁[4]和杨小辉[5]等在有限元中使用Tsai-Wu准则判定复合材料的纤维和基体破坏，使用内聚力界面单元模拟胶接界面层，以胶接接头应力云图、界面层失效参数SDEG( stiffness degradation)分布图表征接头的受力和损伤过程；在试验方面，众多学者对温度、塔接长度、复合材料铺层、湿热老化等因素对接头力学性能进行过研究[6-8]。

笔者研究金属表面不同半径凹槽对CFRP-钢管类接头胶接强度的影响，在金属表面挖去不同半径凹槽，一方面改变了胶接面积，根据Adams等的理论，扭转载荷下胶接面积/胶接长度与胶层剪切应力的表达式为：

cosh(αz)φsinh(αz)

(1)

由式(1)可知，在其它条件不变的前提下，胶接面积/胶接长度是引起胶层剪切应力分布规律变化进而改变接头胶接强度的一个重要因素，随着胶接面积的增大，剪切应力峰值分布区域越来越广，导致接头的承载能力变强[9]。……