热-力载荷下复合材料与金属结构连接的失效机理及连接设计

One of the most efficient way to fulfill weight saving of liquid rocket engine structure is employing lightweight materials. At present, most of the liquid rocket engine thrust truss is metal welding structure. Weight saving can be achieved obviously by replacing the metal pipe of thrust truss with carbon fiber reinforced polymer composite (CFRP ) or section bar connected by metal joints. CFRP components are connected with metal structure by glue joint or glue and mechanical joint. The interface between the CFRP and metal is the weakest area of the structure. The fundamental problem of the connection between composite component and metal structure under high stress level, high temperature and high frequency vibration conditions will be studied in this research. Finite element analysis and experimental study will be employed to investigate the relationship between the loading conditions of stress, temperature, vibration fatigue and the strength, reliability of joints. Failure mechanism of joints between the composite and metal materials under these loading conditions will be obtained by this way. Based on that, optimization design on joints and processing procedure will be carried out to promote the connection efficiency and to reduce the redundant weight. Matching problem of thermal properties, structural stiffness between the composite part and the metal structure will also be taken into account in this process.

实现液体火箭发动机结构轻量化的重要途径之一是材料的轻量化。目前液体火箭发动机机架主要为金属结构。采用轻质高性能碳纤维复合材料代替机架金属杆架部件，可以显著减轻发动机重量。但复合材料构件与金属结构间的连接主要采用胶接或者“胶接+机械连接”的混合连接方式，连接界面成为最薄弱的部位，损害了复合材料的减重效果。本项目将针对液体火箭发动机推力支架大推力、高温、高频振动服役条件下复合材料构件与金属结构连接装配的相互作用开展研究，拟采用有限元分析和实验研究相结合的方法，研究高应力水平、热环境及振动疲劳载荷共同作用对复合材料-金属连接强度和可靠性的影响规律及失效机理；在此基础上从热匹配、刚度匹配、结构减重等角度开展复合材料-金属连接件及连接方案的优化设计研究，以减少连接赘重，提高连接效率和减重效果。

结构轻量化的重要途径之一是材料的轻量化。采用轻质高性能碳纤维复合材料代替金属，可以显著减轻结构重量。复合材料构件与金属结构间的连接主要采用胶接或者“胶接+机械连接”的混合连接方式，连接界面成为最薄弱的部位，损害了复合材料的减重效果。.本项目采用有限元分析和实验研究相结合的方法，研究了复合材料与金属胶接接头的应力分布及失效机理。.通过有限元方法研究了金属胶接接头模量和搭接区端部局部形貌对胶层中应力分布的影响，结果表明：被粘接物的模量越高，胶粘剂的模量越低，胶层中的应力集中程度越低；被粘接物端部形貌变化越平缓，胶层中的应力集中程度越低。.率先指出被粘接物弯曲刚度对胶接接头应力分布具有显著影响，系统研究了不同拉伸刚度比和弯曲刚度比下，金属与复合材料胶接接头中胶层和被粘接物中的最大应力。为复合材料与金属胶接接头的强度设计以及胶层应力分析理论研究提供了实验和有限元分析的数据支撑。.通过实验手段研究了复合材料胶接接头的破坏机制，指出搭接区端部裂纹的产生和扩展是接头破坏的主要因素，为研究含复合材料的胶接接头的破坏机制提供了新思路。.建立了复合材料胶接接头的渐进损伤模型，通过实验测定了损伤模型所需的性能参数，并得到了与实验结果相符合的破坏模式和破坏载荷，为理解胶接接头的破坏机理以及预测胶接接头破坏载荷提供了研究方法。