復(fù)合材料電子束毛化增韌技術(shù)研究

孫啟星，涂衛(wèi)軍，王艷麗，王克強(qiáng)，王韜，蔣斌林

（1.中航工業(yè)洪都,江西南昌，330024；2.空軍駐江西地區(qū)軍事代表室，江西南昌，330024）

復(fù)合材料電子束毛化增韌技術(shù)研究

孫啟星1，涂衛(wèi)軍2，王艷麗1，王克強(qiáng)1，王韜1，蔣斌林1

（1.中航工業(yè)洪都,江西南昌，330024；2.空軍駐江西地區(qū)軍事代表室，江西南昌，330024）

復(fù)合材料因?qū)娱g強(qiáng)度較弱而限制了其在工程中的應(yīng)用范圍，通過(guò)電子束毛化可實(shí)現(xiàn)金屬表面形狀的可設(shè)計(jì)性，由此在與復(fù)合材料連接的金屬界面上設(shè)計(jì)毛刺后增加金屬與復(fù)合材料連接界面強(qiáng)度。本文對(duì)電子束毛化毛刺建立了力學(xué)模型并進(jìn)行了理論及有限元分析，理論分析認(rèn)為電子束毛化可有效提高復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度；在此理論基礎(chǔ)上開(kāi)展了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：電子束毛化對(duì)界面強(qiáng)度略有提高，但受限于工藝水平，因此試驗(yàn)結(jié)果與理論分析仍有一定差距。

復(fù)合材料；電子束毛化；連接界面；剪切

0 引言

復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、比剛度和低比重等優(yōu)點(diǎn)，在航空領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。層壓板復(fù)合材料失效模式主要有兩種：復(fù)合材料單向帶失效和連接界面失效。理論分析和試驗(yàn)研究表明，層壓板復(fù)合材料的薄弱部位在層間，分層是層合板復(fù)合材料工程應(yīng)用中破壞的主要形式，分層導(dǎo)致復(fù)合材料的承載能力明顯降低。隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，尤其是在大展弦比柔性彈翼上的應(yīng)用，層間強(qiáng)度弱的缺點(diǎn)日益凸顯。

目前工程上一般是采用機(jī)械連接提高結(jié)構(gòu)層間連接強(qiáng)度，但機(jī)械連接是在復(fù)合材料成型后進(jìn)行制孔、連接，會(huì)打斷復(fù)合材料纖維，造成復(fù)合材料力學(xué)性能下降。為提高結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，簡(jiǎn)化工藝流程，近年提出了一種在復(fù)合材料成型中提高復(fù)合材料連接界面強(qiáng)度的方法，即金屬界面電子束毛化，增加復(fù)合材料與金屬界面連接強(qiáng)度，達(dá)到類似機(jī)械連接的效果，對(duì)復(fù)合材料的損傷較小。本文對(duì)復(fù)合材料電子束毛化增韌進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)分析，研究了電子束毛化理論可行性及工藝成熟度。

1 電子束毛化理論模型

電子束毛化一般用于金屬和復(fù)合材料連接，首先在金屬表面束毛化，使金屬界面增加毛刺，進(jìn)而在復(fù)合材料與金屬共膠接成型過(guò)程中使得毛刺插入復(fù)合材料基體和纖維中，見(jiàn)圖1。通過(guò)電子束毛化后，界面性能達(dá)到如下效果：毛刺插入復(fù)合材料中，對(duì)于剪切受力其效果等同于螺栓連接了金屬和復(fù)合材料，增加層間剪切強(qiáng)度，其層間剪切強(qiáng)度由毛刺強(qiáng)度、毛刺和復(fù)合材料孔擠壓強(qiáng)度決定。

金屬界面電子束毛化出現(xiàn)的毛刺為隨機(jī)不規(guī)則的形狀，因此在理論分析時(shí)需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。影響電子束毛化增韌強(qiáng)度的影響因素有：

1）毛刺強(qiáng)度，毛刺的強(qiáng)度由毛刺截面積及毛刺材料決定；

2）毛刺和復(fù)合材料接觸區(qū)擠壓強(qiáng)度，由毛刺和復(fù)合材料接觸面積決定。

假設(shè)毛刺為圓錐形，下底面截面直徑為d，毛刺高度為h，則毛刺剪切投影面積為dh/2tf，毛刺結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。在結(jié)構(gòu)受剪切時(shí)，毛刺承受復(fù)合材料和膠層的擠壓力，毛刺承受的極限擠壓力為：

其中σ1為復(fù)合材料孔極限擠壓應(yīng)力，σ2為膠層孔擠壓應(yīng)力，由于復(fù)合材料孔擠壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于膠層連接強(qiáng)度，故毛刺結(jié)構(gòu)可有效提高剪切強(qiáng)度。在結(jié)構(gòu)受剝離時(shí)，毛刺與復(fù)合材料及膠層接觸面投影面積等于毛刺占用膠層面積，因此，毛刺結(jié)構(gòu)對(duì)剝離強(qiáng)度無(wú)貢獻(xiàn)。

1.1 膠層分層判據(jù)

采用內(nèi)聚單元模擬膠層分層擴(kuò)展，其中按強(qiáng)度準(zhǔn)則判斷損傷起始、能量釋放率準(zhǔn)則判斷其分層擴(kuò)展。強(qiáng)度準(zhǔn)則采用的二次應(yīng)力準(zhǔn)則，能量釋放率準(zhǔn)則則采用G判據(jù)，即總能量釋放率準(zhǔn)則。由于加筋板在拉伸與壓縮受載時(shí)層間力以剪切為主，即分層擴(kuò)展以滑移型為主要破壞模式，其他兩種破壞模式所起作用甚微，故在計(jì)算中采用下式：

其中A為分層擴(kuò)展面積，U為結(jié)構(gòu)總位能：

其中ε為應(yīng)變矢量，K為剛度陣。

當(dāng)G≥GC時(shí)內(nèi)聚單元層分層擴(kuò)展，其中GC為臨界應(yīng)變能釋放率。

1.2 毛刺損傷模型

毛刺根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞形式可分為以下幾種：

1）毛刺結(jié)構(gòu)破壞，毛刺結(jié)構(gòu)破壞模型見(jiàn)圖2，毛刺結(jié)構(gòu)受力可分為：線性段、屈服段、破壞三個(gè)階段；

2）毛刺完好，復(fù)合材料連接位置破壞，即孔擠壓破壞時(shí)，可分為：線性段、持續(xù)段（承載力不變）、破壞三個(gè)階段。

兩個(gè)模型基本一致，差異主要在結(jié)構(gòu)受損以后屈服段，毛刺強(qiáng)度和復(fù)合材料孔擠壓強(qiáng)度決定了兩個(gè)模型的適用性，本文采用采用模型2建立毛刺結(jié)構(gòu)破壞模型，其中線性段壓力跟隨結(jié)構(gòu)受力逐漸變大，當(dāng)孔加壓應(yīng)力達(dá)到材料屈服點(diǎn)時(shí)時(shí)，由于復(fù)合材料屈服段極短，結(jié)構(gòu)受力進(jìn)入短暫的持續(xù)段，承載能力保持不變，然后結(jié)構(gòu)迅速破壞，毛刺結(jié)構(gòu)不能繼續(xù)承載。將模型用毛刺進(jìn)行等效表達(dá)：

其中，F(xiàn)a為毛刺孔最大擠壓力，δ1為達(dá)到材料屈服點(diǎn)即最大擠壓力時(shí)應(yīng)變，δ2孔擠壓破壞時(shí)應(yīng)變。

2 理論分析

電子束毛化理論上可以增加結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度，本文根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試片建立模型進(jìn)行分析，試片尺寸見(jiàn)圖3，按試片尺寸建立有限元模型，見(jiàn)圖4。

毛刺模型見(jiàn)圖5，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖5中方格模擬毛刺，其中毛刺高度為0.95mm，毛刺個(gè)數(shù)為40，毛刺面積為28mm2，按毛刺接觸面積及連接強(qiáng)度等效為4個(gè)連接單元進(jìn)行模擬。

圖3 剪切強(qiáng)度試驗(yàn)件尺寸圖

圖4 有限元模型圖（換下圖片底版顏色為白色）

圖5 毛刺結(jié)構(gòu)有限元模型

采用內(nèi)聚力模型模擬膠層的損傷破壞，材料子程序模擬毛刺模型的受力本構(gòu)，在ABAQUS中進(jìn)行非線性分析。

一端固定，一端施加位移2mm，位移隨時(shí)間線性加載，支反力隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖6。由圖6可知，僅膠接時(shí)結(jié)構(gòu)最大支反力為5500N，增加毛刺后結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為6900N，電子束毛化后復(fù)合材料膠層抗剪能力提高了25.4%。

3試驗(yàn)分析

理論分析認(rèn)為電子束毛化可以有效的提高復(fù)合材料與金屬剪切連接強(qiáng)度，為驗(yàn)證其在工程中的實(shí)際應(yīng)用效果，按圖2中試樣展開(kāi)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖6 載荷隨時(shí)間變化曲線

表1 試驗(yàn)結(jié)果

采用電子束毛化后試件連接強(qiáng)度（平均值）提高了3.0%，與理論結(jié)果（提高25.4%）差別較大，膠接、電子束毛化+膠接試件破壞形態(tài)中只有兩個(gè)試片為膠接界面，其它均為復(fù)合材料層間斷裂或復(fù)合材料段剪斷。

試件破壞位置為膠接界面、層間斷裂和復(fù)合材料段剪斷，表明這幾處位置在剪切受力下強(qiáng)度接近，分析主要是有以下幾方面原因造成：

1）毛刺成型工藝不成熟，毛刺本身強(qiáng)度、尺寸未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，毛刺強(qiáng)度低，造成毛刺提前破壞，或毛刺高度、直徑大造成結(jié)構(gòu)成型時(shí)復(fù)合材料初始損傷，在后續(xù)設(shè)計(jì)中提高相關(guān)工藝成熟度及技術(shù)探索；

2）電子束毛化增韌技術(shù)其受力本質(zhì)仍是機(jī)械連接技術(shù)，因此有兩端毛刺受力較大，中間毛刺受力較小的缺點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)受力時(shí)會(huì)造成毛刺受力集中，引起毛刺或復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的破壞。在本次試驗(yàn)中未充分考慮到復(fù)合材料受力特地對(duì)毛刺形貌進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到各毛刺點(diǎn)受力比較均勻的效果，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)件連接強(qiáng)度。

電子束毛化試件的毛刺尺寸及毛刺使連接材料受到的損傷，對(duì)連接強(qiáng)度有一定的影響。

4 結(jié)論

1）理論分析和試驗(yàn)結(jié)果均表明電子束毛化可提高金屬與復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度，電子束毛化具有一定的理論研究?jī)r(jià)值；

2）金屬表面電子束毛化后與復(fù)合材料界面連接試驗(yàn)提升效果（3%）遠(yuǎn)低于理論分析結(jié)果（25.4%），主要由于試件制件影響，電子束毛化對(duì)工藝、材料水平要求較高，在工程中的應(yīng)用尚有一定的局限性，在后續(xù)工作中將對(duì)電子束毛化成形工藝進(jìn)行探索，對(duì)毛刺形貌合理性進(jìn)行研究，以提高結(jié)構(gòu)件連接強(qiáng)度。

[1]中國(guó)航空研究院，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[2]白瑞祥,陳浩然.含分層損傷復(fù)合材料加筋層壓板的分層擴(kuò)展研究[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué),2004,Vol. 25：P368-378.

[3]Ronald Krueger、Pierre J.Mingue.Analysis of Composite Panel-Stiffener Debonding Using a Shell/3D Modeling Technique[R].NASA CR-214299,2006.

>>>作者簡(jiǎn)介

孫啟星，男，1983年5月出生，2008年畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)，高級(jí)工程師，碩士，主要從事復(fù)合材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作。

Study on Textured Toughing Technique for Composite Electron Beam

Sun Qixing1，Tu Weijun2，Wang Yanli1,Wang Keqiang1,Wang Tao1,Jiang Binlin1
(1.AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024;2.PLA AF Rep.Office in Jiangxi,Nanchang,Jiangxi,330024)

Composite material may limit its application scope in engineering field due to weaker interlayer strength, while the design feasibility of metal surface condition can be realized by textured toughing electron beam,therefore the strength of connecting interface between composite and the metal can be reinforced after designing texture on the metal interface connecting with the composite.This paper depicts the establishment of mechanic model for toughed texture of electron beam and makes the theoretical and finite element analysis,theoretically thinking textured electron beam can effectively improve the shearing strength of composite interface.Based on this theoretical basis, tests and studies has been conducted and test results show that toughed electron beam can slightly improve the interface strength and limited by the processing level,therefore there remains certain distance between test results and the theoretical analysis.

Composite material;Textured electron beam;Connecting interface;Shearing

2016-08-01）