復(fù)合材料矩形開(kāi)孔損傷螺接修理參數(shù)分析

楊鵬飛 樊俊鈴 寧寧 李念

摘要：復(fù)合材料的修理問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。本文針對(duì)復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)的矩形開(kāi)孔損傷建立了螺接修理方案，通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了螺栓排布、補(bǔ)片材料和厚度等修理參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的影響，分析了不同修理參數(shù)的失效模式的變化情況，對(duì)復(fù)合材料螺栓修理的工程應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；螺栓連接修理；有限元分析

Keywords：composite materials；bolted joints repair；FEM analysis

0 引言

隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的大量應(yīng)用[1]，其受到損傷后的修理問(wèn)題也受到越來(lái)越多的關(guān)注，目前對(duì)于飛機(jī)復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)的修理主要采用螺接修理方式。與膠接修理相比，螺接修理具有很多優(yōu)點(diǎn)，其對(duì)結(jié)構(gòu)表面狀態(tài)要求不高，可以在外場(chǎng)方便實(shí)施，工藝成熟度高，可靠性高，對(duì)于承載較大的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是一種較為理想的修理方式，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理中獲得廣泛使用。國(guó)內(nèi)外對(duì)于復(fù)合材料螺接修理進(jìn)行了大量的研究。Her等[2]基于Yamada失效準(zhǔn)則與特征曲線法研究了復(fù)合材料機(jī)械連接修理。Dano等[3]基于Hasin準(zhǔn)則和最大應(yīng)力破壞準(zhǔn)則建立了復(fù)材螺接修理漸進(jìn)損傷分析的模型。聶恒昌、關(guān)志東等[4]通過(guò)試驗(yàn)和有限元方法分析了不同的修理方案對(duì)破壞模式、破壞載荷、應(yīng)力分布、釘載分配等產(chǎn)生的影響。趙英美等[5]針對(duì)復(fù)合材料穿透損傷不同修理參數(shù)對(duì)于修理效果的影響進(jìn)行了研究。

復(fù)合材料受到?jīng)_擊損傷一般要進(jìn)行切割處理防止應(yīng)力集中，切割后會(huì)形成圓形開(kāi)孔或矩形開(kāi)孔。目前，關(guān)于復(fù)合材料矩形開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的修理參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的影響的研究還不夠充分，本文通過(guò)有限元分析，研究了矩形開(kāi)孔損傷修理參數(shù)對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)修理強(qiáng)度和剛度的影響，可為工程修理設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 螺接修理有限元建模

主要研究對(duì)象為承拉復(fù)合材料，復(fù)合材料層壓板尺寸為300mm×125mm，復(fù)合材料體系為CYCOM977-2-35-12KHTSTS-134單向帶和CYCOM977-2A-37-3KHTA-5H-280織物，單層厚度分別為0.134mm和0.280mm，詳細(xì)的材料參數(shù)如表1所示。粘接元強(qiáng)度分別取tn=85.9MPa，ts=tt=117MPa，GIc= 0.133N/mm，GIIc=GIIIc=0.459N/mm，采用BK準(zhǔn)則，η=2。層壓板損傷尺寸切割為50mm×50mm的矩形孔，孔邊緣倒角半徑5mm，以防止應(yīng)力集中。對(duì)矩形損傷通過(guò)螺栓連接進(jìn)行修理，螺栓采用HST11AP，螺母采用HST79CYWT5，螺栓直徑4.2mm。補(bǔ)片尺寸142mm×100mm×2mm。針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，螺栓連接修理層壓板結(jié)構(gòu)采用1/4建模，分析時(shí)假設(shè)螺栓均位于螺栓孔中間且螺栓不存在間隙，同時(shí)忽略預(yù)緊力的影響。層壓板母體結(jié)構(gòu)采用SC8R殼單元，修理補(bǔ)片和螺栓采用C3D8I實(shí)體單元。層壓板與修理補(bǔ)片網(wǎng)格尺寸為1.5mm，損傷邊緣區(qū)域設(shè)置0.5mm的網(wǎng)格尺寸，螺栓與螺栓孔周?chē)W(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)化。螺栓、層壓板、修理補(bǔ)片之間均施加摩擦系數(shù)為0.1的硬接觸。在層壓板一端施加位移載荷，在對(duì)稱(chēng)面施加對(duì)稱(chēng)邊界條件，模型如圖1所示。

2 螺接修理參數(shù)影響分析

2.1 螺栓列數(shù)影響分析

研究了3種螺栓列數(shù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的變化。螺栓列數(shù)對(duì)修理結(jié)構(gòu)的影響如表2所示。表2中ERE與SRE分別表示剛度恢復(fù)率與強(qiáng)度恢復(fù)率，表示修理結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度與完好結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度之比。

從表2可以發(fā)現(xiàn)，在螺栓列數(shù)由4增加到6的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)剛度呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì)，剛度恢復(fù)率增加9.2%，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度則表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。從圖2中不同列數(shù)螺栓的破壞形貌發(fā)現(xiàn)，螺栓列數(shù)較小時(shí)，修理結(jié)構(gòu)的主要破壞模式為損傷區(qū)的拉伸破壞，即復(fù)材損傷結(jié)構(gòu)承擔(dān)了主要的載荷；當(dāng)螺栓增加時(shí)，破壞模式變?yōu)橐缘谝慌怕菟椎睦炱茐臑橹?，此時(shí)補(bǔ)片傳載增強(qiáng)，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；當(dāng)螺栓數(shù)增加至6時(shí)，第一排螺孔距層壓板側(cè)邊的距離減小，載荷快速傳遞到邊緣，使得截面強(qiáng)度減小，強(qiáng)度降低大于補(bǔ)片傳力增加帶來(lái)的強(qiáng)度增加，整體強(qiáng)度下降。

2.2 螺栓排數(shù)影響分析

對(duì)于螺栓連接修理層壓板的螺栓排數(shù)，研究了2、3、4排螺栓對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。表3給出了螺栓排數(shù)對(duì)修理結(jié)構(gòu)的影響。

如表3所示，螺栓排數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的影響較大，螺栓由2排變?yōu)?排，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，其中剛度恢復(fù)率增加8.8%。這主要是由于螺栓排數(shù)增加，相應(yīng)的修理補(bǔ)片長(zhǎng)度也增加，使得補(bǔ)片傳載增加，且凈承載截面未減少，因此結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均增加。不同螺栓排數(shù)下破壞時(shí)纖維拉伸損傷形貌如圖3所示。

2.3 螺栓列距影響分析

對(duì)于螺栓列距，分別研究了16mm、20mm、22mm和24mm的列距參數(shù)，表4給出了螺栓列距對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的影響。

由表4可以發(fā)現(xiàn)，隨著列距的增加，修理結(jié)構(gòu)剛度變化不明顯。對(duì)于修理后強(qiáng)度而言，則呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)。螺栓列距的增加使得補(bǔ)片傳力路線剛度增加，結(jié)構(gòu)剛度隨之增加，列距增加會(huì)使補(bǔ)片傳載增加，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度可能增加；螺栓列距增加的同時(shí)，會(huì)減少最外側(cè)螺栓到結(jié)構(gòu)自由邊緣的距離，螺栓孔邊的裂紋可能很早地?cái)U(kuò)展到側(cè)邊緣，造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減小。因此，隨著螺栓列距的增加，修理后強(qiáng)度恢復(fù)率先增加后減小。不同螺栓列距下破壞時(shí)纖維拉伸損傷形貌如圖4所示。

2.4 螺栓排距影響分析

螺栓排距分別取12mm、16mm、20mm，螺栓排距對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的影響如表5所示。可以發(fā)現(xiàn)，螺栓排距增加，由于補(bǔ)片的長(zhǎng)度增加，修理后結(jié)構(gòu)剛度增加，但變化幅度有限。補(bǔ)片傳力路線的剛度隨之增加，結(jié)構(gòu)剛度增加，同時(shí)補(bǔ)片傳載增加，最終結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度增加。圖5為破壞載荷時(shí)的損傷形貌，可見(jiàn)改變螺栓排距對(duì)損傷模式基本沒(méi)有影響。

2.5 螺栓直徑影響分析

選取直徑分別為4.2mm、4.8mm和6.3mm的三種螺栓，分析直徑對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的影響，結(jié)果如表6所示?？梢钥闯鲭S著螺栓直徑的增大，結(jié)構(gòu)的剛度恢復(fù)率稍微有所降低、強(qiáng)度恢復(fù)率降低較明顯。經(jīng)過(guò)分析，螺栓直徑增大，補(bǔ)片傳力路線剛度增加，結(jié)構(gòu)剛度增加，同時(shí)補(bǔ)片傳載增加；但是隨著螺栓孔的增大，螺栓孔截面和損傷側(cè)邊截面的強(qiáng)度、剛度均減小，且后者產(chǎn)生的影響大于前者，因此結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度均降低。圖6為破壞載荷時(shí)的損傷形貌，可以看出，當(dāng)螺栓直徑較大會(huì)帶來(lái)螺孔與邊緣距離減小，使得孔邊裂紋更容易擴(kuò)展至截?cái)鄬訅喊褰孛?，?duì)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度的恢復(fù)造成一定的影響。

2.6 補(bǔ)片材料影響分析

航空結(jié)構(gòu)補(bǔ)片主要采用鋁合金、鈦合金，2種補(bǔ)片材料對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的影響如表7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，采用鈦合金材料的補(bǔ)片，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度均增加，鋁合金補(bǔ)片改為鈦合金補(bǔ)片，剛度恢復(fù)率增加7.4%。經(jīng)過(guò)分析，補(bǔ)片材料增強(qiáng)，會(huì)使得補(bǔ)片傳力路線剛度增加，結(jié)構(gòu)剛度增加，同時(shí)補(bǔ)片傳載也增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加。

如圖7所示，當(dāng)采用鈦合金，補(bǔ)片傳載能力增強(qiáng)，破壞模式為第一排螺栓孔的截面拉伸破壞，此時(shí)損傷開(kāi)口周?chē)鷳?yīng)力下降，矩形開(kāi)口處沒(méi)有出現(xiàn)纖維損傷，而鋁合金補(bǔ)片會(huì)造成矩形開(kāi)口處出現(xiàn)損傷。

2.7 補(bǔ)片厚度影響分析

補(bǔ)片厚度依次取1.0mm、1.5mm、2mm、3mm、4mm，補(bǔ)片厚度對(duì)力學(xué)性能的影響如表8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著補(bǔ)片厚度增加，結(jié)構(gòu)剛度恢復(fù)率不斷增加，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度恢復(fù)率也呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，與剛度恢復(fù)率變化趨勢(shì)不同的是，當(dāng)厚度增加到一定值后，強(qiáng)度增加緩慢。經(jīng)過(guò)分析，剛度方面，補(bǔ)片厚度增加，補(bǔ)片傳力路線剛度增加，整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度隨之增加；補(bǔ)片厚度從1.0mm增加到4mm，剛度恢復(fù)率增加22%。強(qiáng)度方面，隨著補(bǔ)片厚度的增大，補(bǔ)片傳載增加，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加。當(dāng)補(bǔ)片厚度較小時(shí)，破壞模式為損傷區(qū)域的纖維拉伸破壞，如圖8所示。隨著補(bǔ)片厚度的繼續(xù)增大，破壞模式為層壓板第一排螺栓孔拉伸破壞，但是厚度增加到一定程度后，第一排螺栓的傳載也增大，對(duì)應(yīng)螺栓孔的應(yīng)力集中加劇，導(dǎo)致第一排螺栓孔截面拉伸強(qiáng)度降低，故補(bǔ)片較厚時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加緩慢。

2.8 修理參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度的整體影響分析

對(duì)于承拉復(fù)合材料，螺栓排距、螺栓列距、補(bǔ)片材料和補(bǔ)片厚度通過(guò)補(bǔ)片剛度影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度；螺栓直徑通過(guò)連接剛度和層壓板螺栓孔截面剛度影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度；螺栓排數(shù)和螺栓列數(shù)通過(guò)連接剛度、補(bǔ)片剛度和層壓板截面剛度影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度。螺接參數(shù)對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度恢復(fù)率的影響如圖9所示，其中橫坐標(biāo)為計(jì)算參數(shù)的個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)為剛度恢復(fù)率。補(bǔ)片厚度對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響最大，補(bǔ)片材料的影響次之，螺栓列數(shù)與排數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)剛度也有一定程度的影響，螺栓直徑對(duì)剛度影響不大。

對(duì)于承拉復(fù)合材料，各參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響主要是通過(guò)連接剛度和補(bǔ)片剛度影響補(bǔ)片的傳力和螺栓孔邊的應(yīng)力集中，進(jìn)而影響到結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，同時(shí)各參數(shù)變化帶來(lái)的損傷模式的變化也會(huì)影響到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化。當(dāng)破壞模式為損傷截面拉伸破壞時(shí)，補(bǔ)片的載荷較低，應(yīng)適當(dāng)增加連接結(jié)構(gòu)的剛度，提升補(bǔ)片傳載；減小螺栓直徑、減小螺栓列數(shù)可以提高層壓板第一排螺栓孔截面的強(qiáng)度，從而使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高；增加螺栓列距會(huì)加強(qiáng)連接強(qiáng)度，但是可能會(huì)使最外側(cè)螺栓孔邊萌生的裂紋過(guò)早地?cái)U(kuò)展到側(cè)邊緣，造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有所減少。增加螺栓排數(shù)使第一排螺栓傳載減小，從而減緩層壓板螺栓孔的應(yīng)力集中，截面承載能力增強(qiáng)，最終使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加；增加補(bǔ)片厚度，增強(qiáng)補(bǔ)片材料，加強(qiáng)了補(bǔ)片的傳載，同時(shí)也加劇了層壓板螺栓孔的應(yīng)力集中，使截面的承載能力降低，會(huì)在一定程度上降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，其中補(bǔ)片厚度存在一定的最優(yōu)值；其余連接參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響有限。螺接參數(shù)對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度恢復(fù)率的影響如圖10所示，其中橫坐標(biāo)為計(jì)算參數(shù)的個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)為強(qiáng)度恢復(fù)率。

3 結(jié)論

針對(duì)承拉復(fù)合材料的修理參數(shù)設(shè)計(jì)，螺栓列數(shù)、排數(shù)、螺栓直徑以及補(bǔ)片厚度等修理參數(shù)的增加均會(huì)一定程度地提升結(jié)構(gòu)剛度，其中，補(bǔ)片厚度對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響最為明顯，螺栓排數(shù)影響次之，螺栓直徑對(duì)剛度的影響相對(duì)較小。

其次，應(yīng)使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的破壞模式盡量為層壓板結(jié)構(gòu)第一排螺栓孔截面拉伸破壞，此時(shí)可以得到更好的強(qiáng)度恢復(fù)率；同時(shí)還應(yīng)優(yōu)先選擇增加螺栓排數(shù)，且保證螺栓與結(jié)構(gòu)邊緣有一定距離，防止孔邊損傷快速擴(kuò)展至結(jié)構(gòu)邊緣，進(jìn)而得到最大的強(qiáng)度恢復(fù)率。

對(duì)于螺栓結(jié)構(gòu)修理，應(yīng)先確定螺栓結(jié)構(gòu)和排布參數(shù)，再選擇補(bǔ)片材料；對(duì)于修理補(bǔ)片材料確定的情況，其厚度存在最優(yōu)值。

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作者簡(jiǎn)介

楊鵬飛，工程師，研究方向：損傷檢測(cè)與結(jié)構(gòu)維修技術(shù)。