毛化連接的細(xì)觀力學(xué)分析

劉湘云，陳普會(huì)，馬 維，王西昌

(1.南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210016)(2.沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧沈陽(yáng) 110035)(3.北京航空制造工程研究所，北京 100024)

復(fù)合材料-金屬毛化連接與傳統(tǒng)的連接不同，它采用電子束毛化技術(shù)進(jìn)行連接［1-2］，既能夠充分發(fā)揮復(fù)合材料的整體性能，避免開孔引起的應(yīng)力集中問題，又能夠傳遞較大的載荷。

電子束毛化技術(shù)可以根據(jù)需要在金屬材料表面定制不同形貌(如幾何形狀、尺寸大小、傾斜角度、分布密度等)的毛刺。毛化連接是利用電子束毛化技術(shù)對(duì)金屬件進(jìn)行表面處理，毛化成所需要的表面形貌，然后將金屬件與復(fù)合材料件通過加溫加壓共固化得到接頭。

英國(guó)焊接研究所進(jìn)行了毛化接頭與傳統(tǒng)膠接接頭的對(duì)比試驗(yàn)［3］，試驗(yàn)結(jié)果表明，毛化接頭能夠承受更大的載荷，且在接頭失效之前能夠吸收更多的能量。Guild、Tu等采用二維代表體積元(RVE)［4］和三維子模型分析了毛刺高度、形狀以及毛刺密度、分布對(duì)復(fù)合材料區(qū)域應(yīng)力集中大小及位置的影響［5］。曹正華等將電子束毛化表面處理與傳統(tǒng)表面處理進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，分析了毛化接頭的失效機(jī)理［6］?？傮w來說，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于毛化接頭的研究非常少，仍處于探索階段。

本文采用細(xì)觀力學(xué)分析方法，通過建立毛化接頭毛化區(qū)域周期性單胞的三維有限元分析模型，提出一種預(yù)測(cè)單胞彈性模量的方法，用于分析毛化參數(shù)對(duì)毛化區(qū)域單胞彈性力學(xué)性能的影響，為毛化參數(shù)的選取提供依據(jù)。

1 毛化連接細(xì)觀有限元分析

1.1 細(xì)觀有限元建模

毛化接頭包括1～3號(hào)共3個(gè)組件，如圖1所示，圖中單位為mm。毛化接頭是在1號(hào)金屬件的搭接面上制出毛刺，與2號(hào)復(fù)合材料件鋪層壓實(shí)后加溫加壓共固化成形。毛刺為底邊長(zhǎng)約1mm、厚度約為0.2mm的直角三角形，相鄰兩列毛刺交錯(cuò)排列。金屬表面形貌及毛化區(qū)域剖面如圖2，3所示。

圖1 毛化接頭的幾何構(gòu)型與尺寸

圖2 金屬表面電子束毛化

圖3 毛化接頭剖面

1號(hào)件材料為TC4鍛件，2號(hào)件、3號(hào)件材料為T300/BA9916復(fù)合材料，單層厚度為0.125mm。接頭毛化參數(shù)見表1，TC4鍛件基本性能見表2，復(fù)合材料單層性能見表3，2號(hào)件鋪層順序見表4。

表1 接頭毛化參數(shù)

表2 TC4材料基本性能

表3 T300/BA9916復(fù)合材料的基本性能

表4 復(fù)合材料件鋪層順序

由于金屬表面的毛刺近似呈周期性分布，因此毛刺層可以看成是由許多細(xì)觀結(jié)構(gòu)相同的單胞按照周期排布堆砌而成。單胞的選取需滿足細(xì)觀結(jié)構(gòu)上的周期性和連續(xù)性，邊界要滿足位移和應(yīng)力的周期性和連續(xù)性。單胞中的細(xì)觀位移和細(xì)觀應(yīng)力都是類似的，可以用一個(gè)單胞的平均性質(zhì)代表整塊毛刺層的宏觀性質(zhì)，將毛刺層等效成一種均勻材料［7］。

單胞周期性邊界條件［8-9］的統(tǒng)一寫法如式(1)，表示單胞相對(duì)的平行表面在變形之后仍然保持平行。

式中:指數(shù)j+表示沿著xj軸正向;j－表示沿著xj軸負(fù)向。

上述邊界條件所包含的應(yīng)變可認(rèn)為是單胞的獨(dú)立自由度，集中力可以加在這些自由度上，由能量等效得到應(yīng)力。假設(shè)單胞x方向長(zhǎng)為L(zhǎng)，如果集中力Fx加在單胞自由度上，同時(shí)其他自由度無約束，那么該力所做的功為:

單胞的應(yīng)變能可用宏觀應(yīng)力和應(yīng)變來表示:

式中:V為單胞體積。由外力功與應(yīng)變能相等可得到Fx與的關(guān)系，從而得到等效材料參數(shù)。對(duì)于 I號(hào)接頭，其單胞模型取 4.10mm×2.05mm×1.50mm的六面體，包含2個(gè)毛刺，如圖4所示。假設(shè)毛刺與復(fù)合材料之間的界面為理想界面，即在受力過程中，界面不發(fā)生分離、嵌入或相對(duì)滑移。復(fù)合材料和金屬毛刺都采用四面體單元C3D4，單胞采用“equation”約束施加周期性邊界條件。

圖4 毛刺層單胞模型

1.2 毛刺層的彈性模量

約束單胞的剛體位移，在x方向施加位移載荷，圖5所示為單胞x方向應(yīng)力云圖。

x方向應(yīng)變?yōu)?.88×10-3時(shí)，單胞所受集中力為1.08kN，由此計(jì)算可得單胞的平均模量即毛刺層的彈性模量及泊松比為:E1=71.84GPa，ν12=0.48，ν13=0.24。在 y和 z方向分別單獨(dú)施加位移載荷，可得毛刺層的其余彈性模量及泊松比為:E2=33.41GPa，ν23=0.35，E3=13.00GPa。

圖5 單胞x方向應(yīng)力分布

約束剛體位移，在垂直于xy平面的4個(gè)面上分別施加100MPa均布面載荷，剪應(yīng)變?yōu)?.91×10-3，則剪切模量為G12=20.38GPa。同樣可得到另外 2個(gè)剪切模量:G13=4.43GPa，G23=3.66GPa。

計(jì)算所得各模型毛刺層性能匯總于表5。分析結(jié)果表明:相同鋪層順序下，毛刺高度較小時(shí)，面內(nèi)彈性模量越大，剪切模量越小;復(fù)合材料鋪層角度90°所占比例越大，沿拉伸方向彈性模量越低，垂直于拉伸方向的彈性模量越高。

表5 毛刺層的平均剛度

2 結(jié)束語(yǔ)

文中提出的預(yù)測(cè)復(fù)合材料-金屬毛化接頭毛化區(qū)域等效彈性模量的細(xì)觀有限元模型，為毛化接頭參數(shù)的選取提供技術(shù)支持。

本文研究了毛化參數(shù)(包括毛刺高度及分布密度、復(fù)合材料層合板鋪層順序)對(duì)毛化區(qū)域力學(xué)性能的影響，研究表明，通過調(diào)整毛刺高度及分布密度，增大復(fù)合材料0°層比例，可以獲得較強(qiáng)的連接屬性。本文僅研究了毛化區(qū)域的彈性性能，其破壞機(jī)理及失效模式還需進(jìn)一步研究。

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