配合間隙對(duì)陶瓷基復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)高溫拉伸性能的影響

呂 超，李 鋒，趙淑媛，孫 茜，蒲澤良

（1.中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京，100074；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種環(huán)境復(fù)合材料技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱，150080；3.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)，110035）

0 引 言

在復(fù)合材料機(jī)械連接結(jié)構(gòu)中，沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)因具有外表面光滑且傳遞載荷平穩(wěn)等優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于航空航天飛行器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，特別是具有平滑氣動(dòng)外形及隱身性能要求的飛行器蒙皮結(jié)構(gòu)。然而，由于連接材料的不連續(xù)或結(jié)構(gòu)形狀的間斷，導(dǎo)致沉頭螺栓緊固件孔周產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力集中，從而顯著降低復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的承載效率。因此，沉頭螺栓連接件的強(qiáng)度分析與設(shè)計(jì)對(duì)提高結(jié)構(gòu)承載效率及維護(hù)結(jié)構(gòu)完整性起著至關(guān)重要的作用，成為飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)[1～4]。目前，針對(duì)沉頭螺栓緊固件對(duì)連接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響研究大多集中于纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料機(jī)械連接結(jié)構(gòu)[5～10]，而對(duì)于陶瓷基復(fù)合材料沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)力學(xué)行為及失效模式的相關(guān)研究還較少。本研究將采用Abaqus有限元軟件對(duì)2D編織C/SiC陶瓷基復(fù)合材料與高溫合金組成的沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)承受高溫拉伸載荷時(shí)的漸進(jìn)損傷失效過(guò)程進(jìn)行模擬，研究不同豁口深度條件下間隙配合精度對(duì)連接結(jié)構(gòu)高溫拉伸性能的影響，并討論了結(jié)構(gòu)失效損傷擴(kuò)展機(jī)制，所得結(jié)果為陶瓷基復(fù)合材料與金屬混合連接結(jié)構(gòu)的高溫結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)的有限元建模

研究對(duì)象為2D編織C/SiC復(fù)合材料-高溫合金單釘單搭沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)，其材料類型及結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 材料類型及結(jié)構(gòu)參數(shù) Tab.1 Material Types and Structural Parameters

2D編織C/SiC陶瓷基復(fù)合材料假設(shè)為橫觀各向同性材料，其本構(gòu)模型呈現(xiàn)非線性行為，關(guān)于本研究所采用的非線性本構(gòu)模型詳見文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]。由于高溫合金的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)高于陶瓷基復(fù)合材料，因此螺栓連接結(jié)構(gòu)的失效過(guò)程主要由復(fù)合材料的性能決定，因此在有限元分析中暫不考慮高溫合金的塑性和破壞，材料處于彈性變形階段。2D平面編織C/SiC陶瓷基復(fù)合材料及高溫合金的力學(xué)性質(zhì)及熱物理性能見文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]。采用ABAQUS軟件建立了2D編織C/SiC復(fù)合材料-高溫合金螺栓連接結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖1所示。采用八結(jié)點(diǎn)線性縮減積分六面體單元并設(shè)置增強(qiáng)沙漏控制對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)高溫合金板、復(fù)合材料板及螺栓之間的接觸關(guān)系，在Abaqus中定義5組接觸對(duì)，分別為螺釘上豁口與復(fù)材板上豁口接觸，螺釘中徑表面與復(fù)材板中徑表面接觸，螺釘中徑表面與高溫合金板中徑表面接觸，復(fù)材板下表面與合金板上表面接觸，螺母上表面與合金板下表面接觸，并定義各接觸面間摩擦系數(shù)為 0.3。使用 Abaqus中的Bolt load命令在螺栓桿的橫截面上施加6000 N的軸向預(yù)緊力。整個(gè)連接結(jié)構(gòu)施加750 ℃的均勻溫度載荷。在對(duì)混合連接結(jié)構(gòu)拉伸性能的模擬中，對(duì)連接結(jié)構(gòu)左端部（即高溫合金板一側(cè)）所有方向施加固支約束，即Ux=Uy=Uz=0，對(duì)連接結(jié)構(gòu)右端部（即陶瓷基復(fù)合材料板一側(cè)）x方向施加單軸拉伸力學(xué)載荷，并約束其他2個(gè)方向的位移，即Uy=Uz=0，Rx=Ry=Rz=0。

圖1 2D C/SiC陶瓷基復(fù)合材料及高溫合金沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu) Fig.1 2D C/SiC Composite-superalloy Countersunk Bolted Joint

2 沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)漸進(jìn)損傷分析及流程

在 C/SiC陶瓷基復(fù)合材料與高溫合金沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)損傷失效分析中，采用 2D平面編織C/SiC復(fù)合材料的唯象宏觀本構(gòu)模型描述材料的非線性行為，Tsai-Wu強(qiáng)度理論作為陶瓷基復(fù)合材料的失效判據(jù)[13]。采用Fortran語(yǔ)言將非線性本構(gòu)模型、失效準(zhǔn)則及材料退化模型編寫成用戶子程序UMAT文件，并嵌入到 Abaqus有限元軟件中實(shí)現(xiàn)混合連接結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)損傷分析，其流程如圖2所示。

圖2 漸進(jìn)損傷分析流程 Fig.2 Flowchart for Progressive Damage Analysis

首先，建立陶瓷基復(fù)合材料與高溫合金沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)的有限元模型，并輸入材料屬性、邊界條件等參數(shù)。根據(jù)2D編織C/SiC復(fù)合材料及高溫合金材料的本構(gòu)模型對(duì)連接結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，將計(jì)算得到的單元應(yīng)力代入到強(qiáng)度準(zhǔn)則中判斷材料單元點(diǎn)是否發(fā)生失效，若發(fā)生失效則將失效單元點(diǎn)的材料性能折減，然后將增大施加載荷，并在新的載荷水平下重新進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。當(dāng)連接結(jié)構(gòu)發(fā)生最終失效時(shí)，連接結(jié)構(gòu)損傷失效模擬終止。關(guān)于2D平面編織C/SiC陶瓷基復(fù)合材料本構(gòu)模型及漸進(jìn)損傷分析方法的驗(yàn)證可詳見文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]。

3 結(jié)果及討論

圖3 不同豁口深度下間隙配合精度對(duì)陶瓷基復(fù)合材料與高溫合金沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)高溫單軸拉伸性能的影響 Fig.3 The Load-displacements Curves of the CMC/superalloy Countersunk Joints with Different Values of Clearance Level under Given Values of Countersunk Height

續(xù)圖3

在對(duì)2D 編織 C/SiC陶瓷基復(fù)合材料與高溫合金沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行高溫拉伸性能模擬中，釘頭直徑取9.4 mm，不同豁口深度下間隙配合精度對(duì)陶瓷基復(fù)合材料與高溫合金沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)高溫單軸拉伸性能的影響如圖3所示。 由圖3可知，所有工況下陶瓷基復(fù)合材料與高溫合金沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)的載荷-位移曲線均呈現(xiàn)出明顯的非線性。在加載過(guò)程中，由于單元損傷和破壞的產(chǎn)生，連接結(jié)構(gòu)的剛度會(huì)發(fā)生折減。隨著載荷的繼續(xù)增加，結(jié)構(gòu)完全破壞。在不同豁口深度下，間隙配合精度對(duì)單軸拉伸條件下結(jié)構(gòu)初始剛度的影響均較小，而對(duì)連接結(jié)構(gòu)的失效載荷影響較大。不同豁口深度條件下間隙配合精度對(duì)拉伸失效載荷的影響情況見表2。

表2 不同豁口深度條件下間隙配合精度對(duì)高溫拉伸失效 載荷的影響 Tab.2 Effect of Clearance Level on The High Temperature Failure Load under Different Countersunk Height 單位：N

由表2可知，除豁口深度 1.9 mm 工況外，其他3種豁口深度條件下結(jié)構(gòu)失效載荷均隨間隙配合精度的增加先增大后減小，當(dāng)間隙配合精度達(dá)到0.8%時(shí)，結(jié)構(gòu)達(dá)到最大的失效載荷。對(duì)1.9 mm工況下，失效載荷隨間隙量的增加而增大，但具有0.8%間隙的連接結(jié)構(gòu)的失效載荷為2956.19 N，僅稍低于間隙1.2%結(jié)構(gòu)的失效載荷3112.01 N。在間隙配合精度為0.4%時(shí)，當(dāng)豁口深度從1.5 mm增加到2.1 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)的失效載荷從2181.12 N持續(xù)降低到646.34 N，而其他2種間隙配合精度下結(jié)構(gòu)的失效載荷則隨豁口深度的增大先增加后減小。陶瓷基復(fù)合材料沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)剛度及失效載荷發(fā)生變化的原因主要考慮如下，室溫裝配的不同配合間隙的連接結(jié)構(gòu)在升高到750 ℃時(shí)由于結(jié)構(gòu)熱失配效應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)間隙配合精度及預(yù)緊力發(fā)生顯著變化，而在相同的豁口深度下，相同溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)裝配預(yù)緊力的影響幾乎相近，因此結(jié)構(gòu)承受拉伸載荷時(shí)克服的摩擦力相近，從而使同豁口深度下間隙配合精度對(duì)結(jié)構(gòu)拉伸剛度的影響較小。

除此之外，增加沉頭螺栓沉頭高度使得螺栓沉頭部分承擔(dān)了更多的載荷，沉頭螺栓與復(fù)合材料層合板的接觸面積增大，在拉伸時(shí)沉頭部分對(duì)層合板厚度方向上的擠壓減少，導(dǎo)致復(fù)合材料沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)孔周應(yīng)力的重新分布，因此產(chǎn)生了陶瓷基復(fù)合材料與高溫合金沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)失效載荷隨間隙配合精度及沉頭高度的復(fù)雜變化趨勢(shì)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的豁口深度為1.7 mm，間隙配合精度為0.8%時(shí)沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)的承載能力達(dá)到最大值3134.89 N。不同間隙配合精度下沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)破壞后的失效單元分布見圖4。連接結(jié)構(gòu)的損傷失效過(guò)程一般優(yōu)先在陶瓷基復(fù)合材料板左側(cè)底層單元發(fā)生失效，然后逐步向上側(cè)擴(kuò)展，將上下側(cè)的失效單元貫穿后再向外圍擴(kuò)展，直至結(jié)構(gòu)完全發(fā)生破壞。

圖4 不同間隙配合精度下沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)破壞后的失效 單元分布 Fig.4 Failure Element Distribution of the CMC/superalloy Countersunk Bolted Joint under Different Clearance Levels

續(xù)圖4

由圖4可知，在間隙配合精度為0.4%的工況下，陶瓷基復(fù)合材料的損傷失效擴(kuò)展范圍小，主要集中在孔周左側(cè)接觸面一個(gè)很狹長(zhǎng)的區(qū)域，結(jié)構(gòu)發(fā)生過(guò)早失效，而間隙配合精度為0.8%和1.2%的情況下，損傷單元擴(kuò)展范圍較大，當(dāng)連接結(jié)構(gòu)間隙配合精度為0.8%時(shí)，沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)失效載荷達(dá)到最優(yōu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用Abaqus有限元軟件對(duì)2D編織C/SiC陶瓷基復(fù)合材料與高溫合金組成的沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)承受高溫拉伸載荷時(shí)的漸進(jìn)損傷失效過(guò)程進(jìn)行模擬，研究了不同豁口深度條件下間隙配合精度對(duì)連接結(jié)構(gòu)高溫拉伸性能的影響，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，由于陶瓷基復(fù)合材料與高溫合金沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)高溫?zé)崾湫?yīng)及螺栓與復(fù)合材料孔周接觸面積的變化導(dǎo)致螺栓連接件裝配區(qū)域的復(fù)雜應(yīng)力分布狀態(tài)，750 ℃工況下連接結(jié)構(gòu)的間隙配合精度對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度影響較小，而對(duì)結(jié)構(gòu)失效載荷影響較大。當(dāng)結(jié)構(gòu)的豁口深度為1.7 mm，間隙配合精度為0.8%時(shí)沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)的承載能力達(dá)到最大值3134.89 N。合理設(shè)計(jì)連接結(jié)構(gòu)的幾何及裝配參數(shù)有助于提高陶瓷基復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的高溫承載效率。