基于航空的復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)的拉伸性能及漸進(jìn)損害研究

袁 媛

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

與傳統(tǒng)金屬材料比較分析，復(fù)合材料具有其自身的獨(dú)特優(yōu)勢，即比強(qiáng)與比模較高、耐疲勞、耐腐蝕，且具備向異性與可擴(kuò)展性等，其在推動(dòng)航空航天設(shè)備輕量化與高性能提升等方面發(fā)揮著重要作用。復(fù)合材料的應(yīng)用勢必會(huì)與金屬異質(zhì)材料相銜接，尤其是在航空領(lǐng)域中，翼梁緣條、桁條等存在復(fù)合材料于金屬件的相互連接[1]。傳統(tǒng)復(fù)合材料和金屬之間的連接有機(jī)械連接、膠接、混合連接三種工藝。其中機(jī)械連接對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)能力非常強(qiáng)，且具備較好的可靠性，但是其孔邊應(yīng)力太過集中，重量也太大。膠接技術(shù)能夠切實(shí)實(shí)現(xiàn)不同性質(zhì)材料的連接，而且其質(zhì)量較輕、應(yīng)力分布比較均勻，還具有良好的耐疲勞性。但是，同時(shí)也具備一定的缺陷，即力學(xué)性能太過分散，難以適應(yīng)濕熱環(huán)境，可靠性明顯不足等。而混合連接能夠有效避免其兩者的不足，并將其優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮出來，可緊固件的利用在一定程度上提高了成本，加大了質(zhì)量，從而使得復(fù)合材料所具備的減重優(yōu)勢被抵消[2]。

1 ANSYS復(fù)合材料單元

1.1 復(fù)合材料單元

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)理論主要包含等效單層二維理論、分層理論、三維理論，其中，有限單元與之相對(duì)應(yīng)，包括層合單元、多層單元、三維固體單元。其中，層合單元在結(jié)構(gòu)厚度材料性能變化的影響下，實(shí)現(xiàn)了等效均衡，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了有限元模型的簡化，其一般用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)振動(dòng)與屈曲分析。多層單元的每層材料鋪層都會(huì)被處理成二維層，以此仿真模擬。并沿厚度方向集中鋪層加以計(jì)算分析，其主要用來進(jìn)行應(yīng)力與失效分析。在具體結(jié)構(gòu)中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一般是由多層材料鋪層，使用多層單元進(jìn)行模擬，必須對(duì)每層材料鋪層通過二維層加以仿真。所以有限元模型相對(duì)復(fù)雜，基于計(jì)算模型，自由度會(huì)不斷增長，以此對(duì)軟件分析效率與水平造成影響，急需計(jì)算機(jī)資源。三維固體單元對(duì)材料性能在厚度變化影響下不需要進(jìn)行特殊設(shè)定。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的各個(gè)鋪層都會(huì)單獨(dú)看作是獨(dú)立三維體實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬。因?yàn)閺?fù)合材料的鋪層尺度比較小，在有限元模型中，需要具備精細(xì)化單元網(wǎng)格，這樣的話，計(jì)算機(jī)資源需求必然會(huì)隨之?dāng)U大，從而使得復(fù)合材料的有限元分析與實(shí)際情況出現(xiàn)嚴(yán)重分離現(xiàn)象[3]。對(duì)此在詳細(xì)分析復(fù)合材料時(shí)，通過多層單元和三維固體單元實(shí)現(xiàn)仿真模擬，并不可取?，F(xiàn)階段有限元分析軟件主要利用的是層合單元，在分析時(shí)使用層合單元進(jìn)行分析，并在后處理之后獲得應(yīng)力分析結(jié)果。ANSYS分析也不例外，主要是通過層合單元實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料建模，進(jìn)而便可以進(jìn)一步分析各種不同類型的結(jié)構(gòu)。

1.2 復(fù)合材料各向異性特點(diǎn)

通過單向預(yù)浸帶進(jìn)行多層鋪設(shè)然后加以固化，形成層壓結(jié)構(gòu)，這是目前航空領(lǐng)域復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的主要形式。其中，單向預(yù)浸帶具有較強(qiáng)的正交異性，能夠在各個(gè)方向鋪設(shè)相應(yīng)比例的單向帶，從而滿足結(jié)構(gòu)平面的方向性要求。而層壓結(jié)構(gòu)不僅要具備向同性，還要具備向異性。而各向異性在很大程度上加大了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造的難度。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包含兩層次，且彼此有機(jī)聯(lián)系，也就是復(fù)合材料層壓板與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。另外，復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)各向異性的層間性能明顯要比內(nèi)部性能較差，組分材料纖維與基體力學(xué)性能之間的差異十分顯著，導(dǎo)致復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制和金屬結(jié)構(gòu)之間完全不同，因此必須在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮沖擊損傷與分層[4]。

2 復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)的拉伸性能影響因素

2.1 翻 邊

沒有翻邊的復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)有限元模型，在去除翻邊之后，其他和存在翻邊的結(jié)構(gòu)完全一致。而沒有翻邊的復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)在發(fā)生損傷時(shí)，其荷載相對(duì)存在翻邊的結(jié)構(gòu)要高一些。在出現(xiàn)損傷之后，沒有翻邊的結(jié)構(gòu)因?yàn)閷雍习宥祟^已經(jīng)有所損傷，此時(shí)剛度下降速度要明顯較快，層合板孔邊擠壓纖維發(fā)生斷裂的初始荷載相對(duì)較低，而最終拉伸強(qiáng)度也比較低。因?yàn)闆]有翻邊的結(jié)構(gòu)端局直徑相對(duì)要小，所以，其是層合板端頭纖維斷裂和分層破壞，也就是所謂的端頭斷裂，所以說，翻邊能夠顯著提高復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)拉伸強(qiáng)度。

2.2 膠層韌性

脆性膠層可以使用線彈性材料進(jìn)行仿真，韌性膠層則需要使用折線進(jìn)行仿真。韌性膠層和脆性膠層之間存在較大差異，不同的韌性膠層連接結(jié)構(gòu)拉伸性能基本上相一致，韌性膠層結(jié)構(gòu)的破壞荷載明顯要比脆性膠層結(jié)構(gòu)要高。

2.3 接觸面摩擦系數(shù)影響

復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)的層合板孔與金屬件會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦，系數(shù)越大，那么拉伸后續(xù)結(jié)構(gòu)剛度就越高，最終破壞荷載也會(huì)越大[5]。

3 計(jì)算模型

3.1 幾何模型

想要實(shí)現(xiàn)雙向拉伸模型構(gòu)建目標(biāo)，必須積極關(guān)注單向拉伸界面剪力與剪切面面積之間的關(guān)系。雖然單向拉伸界面剪力受剪切面面積影響，但是雙向拉伸界面剪切力卻不受其影響。構(gòu)建雙向拉伸試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，為探究雙向拉伸界面應(yīng)力提供幫助[6]。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途唧w如圖1所示。

圖1 雙向拉伸試樣圖

如果模型基于構(gòu)件段獲取，材料參數(shù)與復(fù)合參數(shù)的鋪層角度、構(gòu)件參數(shù)相一致，而材料參數(shù)與鋪層厚度相關(guān)參數(shù)具體如表1所示。

表1 材料與鋪層參數(shù)

3.2 有限元模型

在ANSYS有限元中進(jìn)行建模，采用八節(jié)點(diǎn)三維層狀體單元Solid46進(jìn)行復(fù)合材料層合板仿真模擬，并利用Solid45進(jìn)行鋁合金、高鎖螺栓模擬。同時(shí)，還需要針對(duì)網(wǎng)格局部進(jìn)行精細(xì)化，以此保證螺栓孔應(yīng)力與應(yīng)變分布的精確性。如果高鎖螺栓和符合材料層合板、鋁合金板的連接，屬于無縫配合，那么復(fù)合材料與金屬連接構(gòu)件的螺栓孔壁在高鎖螺栓的作用下，會(huì)漸漸變形，而且螺栓在拉伸載荷與剪力載荷的共同擠壓下也會(huì)變形。為了對(duì)高度非線性接觸行為進(jìn)行仿真模擬，通過ANSYS有限元軟件的面面接觸單元，進(jìn)行接觸對(duì)定義[7]。

3.3 失效準(zhǔn)則

因?yàn)橛邢拊Ｐ蛦卧谑е芭c失效之后的應(yīng)力變化幅度太過明顯，應(yīng)變變化卻十分平緩，所以，為了對(duì)復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)的拉伸損傷進(jìn)行判別，在累積損傷模型中，基于Hashin準(zhǔn)則與Ye分層準(zhǔn)則為依據(jù)進(jìn)行失效判斷，就應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，轉(zhuǎn)換應(yīng)力失效準(zhǔn)則為應(yīng)變失效準(zhǔn)則，以此預(yù)測失效并加以分析[8]。設(shè)定復(fù)合材料單層彈性常數(shù)不會(huì)受到層合板鄰層的作用，那么其主方向應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系為

式中：σ為拉伸強(qiáng)度，τ為剪切強(qiáng)度，ε為拉伸應(yīng)變，γ為剪切應(yīng)變，Cij為剛度系數(shù)。而標(biāo)號(hào)纖維的軸向、橫向、單層板法向。

構(gòu)建以應(yīng)變描述為載體的失效準(zhǔn)則，纖維拉伸失效、壓縮失效；基體拉伸與剪切失效、壓縮與剪切失效；分層失效準(zhǔn)則為

式中：ε11、ε22、ε33為應(yīng)變；T與C為拉伸與壓縮為剪切應(yīng)變。

3.4 性能退化準(zhǔn)則

在復(fù)合材料層合板需要承受外部乘加的載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部單元應(yīng)力與應(yīng)變滿足任何失效準(zhǔn)則的時(shí)候，可以判定為單元失效，則應(yīng)對(duì)其材料性能做一定的退化處理。而在損傷中材料性能出現(xiàn)退化，則可以采用相應(yīng)的退化模型[9]。其中優(yōu)化Camanho 模型，獲得性能退化準(zhǔn)則為：

3.4.1 纖維拉伸失效

設(shè)定此單元無法承擔(dān)載荷，彈性模量1，剪切模量12、13，泊松比12、13退化到初始狀態(tài)值的大約1%，彈性模量2、3，剪切模量23，泊松比23退化到初始狀態(tài)值的大約6%。

3.4.2 纖維壓縮失效

設(shè)定此單元難以承受載荷，彈性模量1，剪切模量12、13，泊松比12、13退化到初始狀態(tài)值的大約2%，彈性模量2、3，剪切模量23，泊松比23退化到初始狀態(tài)值的大約12%。

3.4.3 基體拉伸與剪切失效

彈性模量2，泊松比12 退化到初始狀態(tài)值的大約1%，剪切模量12、23，泊松比23 退化到初始狀態(tài)值的大約10%。

3.4.4 基體壓縮與剪切失效

彈性模量2，泊松比12 退化到初始狀態(tài)值的大約2%，剪切模量12、23，泊松比23 退化到初始狀態(tài)值的大約20%。

3.4.5 分層失效

彈性模量3，剪切模量13、23，泊松比13、23退化到初始狀態(tài)值的大約2%。

損傷機(jī)制之間是相互聯(lián)系的，其中任何類型損傷都會(huì)引發(fā)其他損傷。而含有多種損傷類型的部分區(qū)域，應(yīng)該利用損傷類型材料退化方法實(shí)現(xiàn)融合。

3.5 累積損傷

在有限元模型中添加初始荷載的時(shí)候，基于失效準(zhǔn)則判斷復(fù)合材料。未發(fā)生失效，就繼續(xù)增加載荷。發(fā)生失效，則針對(duì)失效單元遵循性能退化準(zhǔn)則加以處理，并重新計(jì)算與分析。對(duì)此過程進(jìn)行循環(huán)，直到負(fù)荷材料結(jié)構(gòu)全面損壞。想要直觀展示復(fù)合材料層合板失效的具體部位，在有限元程序的后處理中，不需要再展示失效單元。針對(duì)復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)，進(jìn)行損傷累積數(shù)值計(jì)算分析，獲取層合板在載荷不斷增加的影響下造成的損傷疊加過程[10]。在逐漸增加靜拉伸載荷的時(shí)候，復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p傷，具體區(qū)域?yàn)閷雍习褰宇^螺栓安裝孔受到擠壓的位置開始。在初始破壞載荷模擬值接近靜拉伸試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的時(shí)候，誤差則非常小。而載荷不斷增加，層合板損傷漸漸累積，沿著螺栓擠壓的方向進(jìn)一步擴(kuò)散。在增加載荷之后，損傷則會(huì)快速擴(kuò)散，那么失效單元也會(huì)逐漸增多。在載荷增加到一定程度的時(shí)候，層合板損傷區(qū)域擴(kuò)散到復(fù)合材料與金屬相連接的結(jié)構(gòu)端部，從而使得結(jié)構(gòu)連接件的承載能力嚴(yán)重?fù)p失，進(jìn)而破壞載荷，模擬結(jié)果比靜拉伸試驗(yàn)測試的載荷結(jié)果要高，而層合板損傷位置恰好與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

4 結(jié) 論

總之，復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)在比較小的拉伸載荷下，應(yīng)變會(huì)隨著載荷不斷增加呈現(xiàn)線性趨勢也隨之增大，在拉伸載荷增大之后，應(yīng)變和載荷呈現(xiàn)非線性變化。其中，在金屬上的應(yīng)變明顯要大。而通過仿真模擬，復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)的初始破壞載荷接近靜拉伸試驗(yàn)載荷。損傷則是產(chǎn)生于復(fù)合材料接頭螺栓安裝孔受到擠壓的位置，并在載荷不斷增加的作用下，損傷累積，沿著螺栓的擠壓方向隨之?dāng)U散，連接結(jié)構(gòu)受到擠壓損壞，與試驗(yàn)結(jié)果相一致。