復(fù)合材料機(jī)械連接部位順上疲勞及壽命預(yù)測測試與研究

費(fèi) 強(qiáng)

(湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 湖南 湘潭 411105)

一、研究背景

隨著社會可以的發(fā)展，工業(yè)的進(jìn)步，工業(yè)上對材料的要求越來越高，性能和安全成了很大的問題。復(fù)合材料泡沫夾芯板由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料面板和輕質(zhì)的泡沫芯子組成，具有輕質(zhì)、隔熱、隔音、減振、吸能等性能，已廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶制造、高速列車制造、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片等高技術(shù)領(lǐng)域。對復(fù)合材料泡沫夾芯板的面板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)以及對復(fù)合材料泡沫夾芯板預(yù)埋螺栓連接進(jìn)行拉脫試驗(yàn)和數(shù)值分析，開展了對不同纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料面板和復(fù)合材料泡沫夾芯板預(yù)埋螺栓連接接頭損傷破壞的研究。航空結(jié)構(gòu)中存在大量螺栓連接，螺栓對航空結(jié)構(gòu)的安全和效率有著至關(guān)重要的作用。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計主要依靠設(shè)計者的經(jīng)驗(yàn)并依賴大量的試驗(yàn)。失效判斷是預(yù)測連接強(qiáng)度的基礎(chǔ)，釘載分配研究是估算多釘強(qiáng)度的前提，針對復(fù)合材料連接設(shè)計工作者所關(guān)心的問題，從多方面開展了有益的研究。這些研究內(nèi)容及連接設(shè)計技術(shù)的發(fā)展對顯著地減少試驗(yàn)費(fèi)用和開發(fā)時間，把復(fù)合材料用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要部件中，提高連接效率從而減輕飛機(jī)重量，提高飛機(jī)安全性有很大實(shí)用價值

二、理論方法

復(fù)合材料可改善結(jié)構(gòu)性能，具有顯著的減重效益，在航空航天結(jié)構(gòu)中已由次承力件發(fā)展為主承力件，且應(yīng)用面逐步擴(kuò)大。整體化和大型化是航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的發(fā)展趨勢。但目前而言，復(fù)材結(jié)構(gòu)的連接問題仍然存在。機(jī)械連接安全可靠并可傳遞大載荷，所以在復(fù)材結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。然而孔的加工工藝會引起不可預(yù)測的初始損傷，破壞材料的連續(xù)性，對結(jié)構(gòu)的完整性和承載能力帶來不利影響；由于復(fù)合材料是脆性的各項(xiàng)異性材料，其孔周應(yīng)力集中比金屬嚴(yán)重得多。[2]因此，連接部位通常是復(fù)材結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)對復(fù)合材料機(jī)械連接進(jìn)行全面可靠地分析，周期長、成本高；解析法只能處理簡單的問題，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析卻無能為力。相比較而言，數(shù)值模擬方法可靠、成本低、效率高，還可考慮各種結(jié)構(gòu)形式、載荷及邊界條件非常適合于工程應(yīng)用。本課題總結(jié)了數(shù)值模擬中的有限元法在復(fù)合材料機(jī)械連接中的應(yīng)用。

三、具體問題

在有限元數(shù)值模擬中，將復(fù)合材料層合板的首層失效(First PlyFailure)作為其失效標(biāo)準(zhǔn)的分析偏于保守，因此分析結(jié)構(gòu)的最終失效(Last Ply Failure)對提高復(fù)材接頭的使用效率具有更為重要的意義。累積損傷分析(Progressive DamageAnalysis)通過采用材料參數(shù)退化模型能更加準(zhǔn)確地反映接頭的承載能力，而且還可模擬最終失效前初始損傷的產(chǎn)生及其擴(kuò)展，是一種相對理想的模擬方法。累積損傷分析已廣泛應(yīng)用于復(fù)材層合板接頭的各種受載分析中，如靜強(qiáng)度、釘群連接釘載分配、蠕變、濕熱效應(yīng)、疲勞壽命預(yù)測及損傷失效、魯棒優(yōu)化分析等的研究中，為結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計提供了重要依據(jù)。應(yīng)力分析、失效準(zhǔn)則及材料性能退化準(zhǔn)則的建立嚴(yán)重地影響累積損傷有限元模擬的結(jié)果。因此，應(yīng)力分析中應(yīng)盡可能建立準(zhǔn)確合理的模型，同時謹(jǐn)慎地選擇失效準(zhǔn)則和合乎實(shí)際的材料性能退化準(zhǔn)則。

(一)應(yīng)力分析

正確的應(yīng)力分析是累積損傷分析的基礎(chǔ)。由于復(fù)材性能的各向異性，不同方向角的鋪層按一定順序疊合在一起時會造成材料性能的不連續(xù)，數(shù)學(xué)上在板的自由邊界處(包括孔邊緣)存在應(yīng)力奇異(StressSingularity)。而材料強(qiáng)度是一定的，所以實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力是有限值，不存在應(yīng)力奇異。但是層間應(yīng)力集中卻是不可避免的，顯然，若計算偏差過大或應(yīng)力集中處理不當(dāng)(即應(yīng)力分析不當(dāng))，錯誤的失效判斷使接頭強(qiáng)度的預(yù)測也不準(zhǔn)確。

(二)失效準(zhǔn)則

復(fù)材的失效，無論是靜載失效還是疲勞失效，大致上可分為由基體控制為主的失效或由纖維控制為主的失效兩類，包括纖維拉伸、纖維壓縮、纖維-基體剪切、基體拉伸、基體壓縮、橫向拉伸和橫向壓縮等。目前沒有一個對于所有失效均可同時適用的失效表達(dá)式，一般對不同的失效機(jī)理需采用不同表達(dá)式作為其失效準(zhǔn)則。經(jīng)典的Tsai-Wu準(zhǔn)則對判斷首層失效是有效的，但無法識別失效模式；最大應(yīng)力或應(yīng)變準(zhǔn)則可確定失效模式，但因未考慮各應(yīng)力間相互作用而顯得相對保守。

四、結(jié)論

影響復(fù)材板機(jī)械連接接頭力學(xué)行為的因素很多，有限元研究方面主要有以下幾點(diǎn)：(1)材料力學(xué)參數(shù)：單向?qū)影宓膹椥院蛷?qiáng)度參數(shù)、鋪層角及疊放次序、不同角度層的比例、復(fù)材性能的分散性、緊固件材料性能；(2)結(jié)構(gòu)形式：搭接形式、開孔布局、端距或邊距、搭接長度等幾何尺寸；(3)緊固件：緊固件類型及尺寸、螺栓預(yù)緊力；(4)接觸：釘孔間隙或干涉量、摩擦；(5)工作環(huán)境：溫度、濕度等。

為了傳遞更大的載荷，工程中常使用多排緊固件的接頭。復(fù)材的脆性、力學(xué)性能的各向異性等特點(diǎn)，使得多釘接頭從開始加載到加載至極限載荷的整個過程中，各釘排載荷分配一直嚴(yán)重不均勻。由于相對承載大的釘孔最先發(fā)生破壞，層合板的性能無法得到充分發(fā)揮，大大降低了連接效率。研究表明，間隙量對釘載分配影響最大，任何微小的改變都將使載荷向間隙最小的緊固件上轉(zhuǎn)移，還發(fā)現(xiàn)提高緊固件的剛度將使離其最近的緊固件上的一部分載荷向該釘上轉(zhuǎn)移[3]。鑒于間隙量對釘載分配的影響，當(dāng)具有不同濕熱膨脹性能的板相互連接時，溫度、濕度對釘載分配也起著不可忽視的作用，復(fù)材連接釘載分配中的濕熱效應(yīng)還有待深入研究。