釘孔間隙對復(fù)合材料機械連接擠壓強度的影響研究

梁樂樂，楊勝春，黃光啟

(中國飛機強度研究所 材料力學(xué)性能測試與表征研究室，陜西 西安 710065)

1 引 言

復(fù)合材料是一種新型材料，具有高的比強度、比剛度及優(yōu)良的可設(shè)計性等特點，其應(yīng)用十分廣泛。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在設(shè)計生產(chǎn)過程中，為了便于后期安裝及維護，往往需要設(shè)計大量的可拆卸工藝分離面。機械連接作為復(fù)合材料目前最主要的、承載能力最大的連接方式之一，成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件連接的首選。隨著機械連接的大量應(yīng)用，對其連接擠壓強度影響因素的探究也日益迫切。

國內(nèi)外許多學(xué)者對復(fù)合材料機械連接問題進行了大量研究，但研究內(nèi)容主要集中在釘載分配、強度研究及連接優(yōu)化等方面。吳啟仁等[1]通過試驗，對載荷分配及其影響因素進行了研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料多螺栓連接中釘載的分配呈現(xiàn)不對稱的現(xiàn)象，且釘載分配曲線呈“浴盆”狀；安裝設(shè)計的螺栓個數(shù)與連接結(jié)構(gòu)的強度會對“浴盆”的形狀有一定的輕微影響。Pyner和Matthews[2]對復(fù)合材料層合板單釘和多釘連接進行了強度試驗，研究結(jié)果表明，釘載與連接接頭的復(fù)雜程度有關(guān)，連接件的接頭越復(fù)雜，連接件的平均最大承載力會越小。Madenci等[3]采用有限元模擬的方法，對復(fù)合材料層壓板多釘連接的釘載分配問題以及機械連接強度進行了分析與研究。

本文以T700級碳纖維增強復(fù)合材料層壓板為研究對象，基于Abaqus商用仿真軟件，對不同釘孔間隙的復(fù)合材料機械連接單釘雙剪擠壓展開數(shù)值模擬研究，為復(fù)合材料機械連接釘孔間隙配合設(shè)計提供數(shù)值仿真參考依據(jù)和分析支撐。

2 數(shù)值仿真模型與方法

2.1 數(shù)值模型

本文所涉及的模型包括3個部分，分別為夾具、釘及T700級碳纖維增強復(fù)合材料層壓板。其中，夾具與釘采用三維實體模型構(gòu)建，復(fù)合材料層壓板采用連續(xù)殼模型構(gòu)建。金屬夾具與釘?shù)膿p傷判據(jù)采用柔性損傷準(zhǔn)則，復(fù)合材料層壓板采用Hashin損傷準(zhǔn)則。數(shù)值模型的試樣尺寸如表1所示(表中，緊固件直徑為d；孔徑為Φ；厚度為h；長度為L；寬度為w；端距為e)，鋪層設(shè)定為[45/0/-45/90]2S。

表1 模型試樣尺寸

在模型網(wǎng)格劃分時，復(fù)合材料層壓板采用SC8R(八節(jié)點四邊形面內(nèi)通用連續(xù)殼，減縮積分，沙漏控制，有限膜應(yīng)變)單元，金屬夾具采用C3D4(四節(jié)點線性四面體單元)單元，釘采用C3D8R(八節(jié)點線性六面體單元，減縮積分，沙漏控制)單元。單釘雙剪試樣模型如圖1所示。

圖1 單釘雙剪數(shù)值模型

2.2 模型邊界條件設(shè)置

參考單釘雙剪擠壓試驗，給數(shù)值模型的夾具端(圖2中模型左端)區(qū)域施加固定鉸支座約束；層壓板試驗件(圖2中模型右端)區(qū)域，限制其2、3方向的平移和轉(zhuǎn)動，限制1方向的轉(zhuǎn)動，給該區(qū)域施加1方向的位移載荷。邊界條件詳情如圖2所示。

圖2 模型邊界條件

2.3 模型的材料參數(shù)

仿真模擬單釘雙剪擠壓過程中，所涉及的材料有兩種，分別為夾具和螺釘所使用的鋼、復(fù)合材料層壓板所使用的T700級碳纖維增強復(fù)合材料，材料參數(shù)詳見表2、表3。

表2 鋼的力學(xué)性能參數(shù)

表3 T700級碳纖維增強復(fù)合材料力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值仿真分析

3.1 仿真模型有效性的驗證

為了驗證數(shù)值模型的有效性和可行性，對與模型尺寸及鋪層參數(shù)相同的釘孔間隙為0.015mm的T700級碳纖維增強復(fù)合材料單釘雙剪試樣進行擠壓試驗。試驗測得釘孔間隙為0.015mm的T700級碳纖維增強復(fù)合材料單釘雙剪試樣的擠壓強度為1033MPa，而釘孔間隙為0.015mm的T700級碳纖維增強復(fù)合材料單釘雙剪模擬結(jié)果的擠壓強度為1016MPa，誤差為1.65%。這表明，本文提出的數(shù)值仿真模型有效、可行。

3.2 模擬結(jié)果分析

本文對釘孔間隙分別為0mm、0.005mm、0.010mm、0.015mm、0.020mm及0.025mm的單釘雙剪試樣進行了數(shù)值仿真模擬。通過數(shù)值計算，得到了不同釘孔間隙模型下的應(yīng)力分布情況及其承載能力。

釘孔間隙為0mm的單釘雙剪試驗?zāi)M的Mises應(yīng)力云圖及孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖如圖3和圖4所示，圖5為相應(yīng)的載荷-位移曲線。由圖中曲線可以得知，試樣的破壞載荷為23.09kN，破壞載荷所對應(yīng)的位移為0.598mm，擠壓強度為962.08MPa。

圖3 間隙0mm的Mises應(yīng)力云圖

圖4 間隙0mm的孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖

圖5 間隙0mm的載荷-位移曲線

圖6和圖7分別給出了釘孔間隙為0.005mm的單釘雙剪試驗?zāi)M的Mises應(yīng)力云圖及孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖，圖8為相應(yīng)的載荷-位移曲線。由圖中曲線可知，試樣的破壞載荷為24.70kN，破壞載荷所對應(yīng)的位移為0.555mm，擠壓強度為1029.17MPa。與0mm間隙的試樣結(jié)果相比，0.005mm間隙對連接件的連接強度有所提高。

圖6 間隙0.005mm的Mises應(yīng)力云圖

圖7 間隙0.005mm的孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖

圖8 間隙0.005mm的載荷-位移曲線

圖9和圖10分別給出了釘孔間隙為0.010mm的單釘雙剪試驗?zāi)M的Mises應(yīng)力云圖及孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖，圖11為相應(yīng)的載荷-位移曲線。由圖中曲線可知，試樣的破壞載荷為24.72kN，破壞載荷所對應(yīng)的位移為0.554mm，擠壓強度為1030MPa。與無間隙試樣相比，0.010mm間隙提高了連接件的承載能力。

圖9 間隙0.010mm的Mises應(yīng)力云圖

圖10 間隙0.010mm的孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖

圖11 間隙0.010mm的載荷-位移曲線

圖12和圖13是釘孔間隙為0.015mm的單釘雙剪試驗?zāi)M的Mises應(yīng)力云圖及孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖，圖14為相應(yīng)的載荷-位移曲線。由圖中曲線可知，試樣的破壞載荷為24.39kN，破壞載荷所對應(yīng)的位移為0.564mm，擠壓強度為1016.25MPa。間隙為0.015mm的連接強度相較于間隙0.010mm，連接強度有所下降，但高于無間隙連接。

圖12 間隙0.015mm的Mises應(yīng)力云圖

圖13 間隙0.015mm的孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖

圖14 間隙0.015mm的載荷-位移曲線

圖15和圖16分別給出了釘孔間隙為0.020mm的單釘雙剪試驗?zāi)M的Mises應(yīng)力云圖及孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖，圖17為相應(yīng)的載荷-位移曲線。由圖中曲線可知，試樣的破壞載荷為24.27kN，破壞載荷所對應(yīng)的位移為0.564mm，擠壓強度為1011.25MPa，擠壓強度相比間隙0.015mm有所下降。

圖15 間隙0.020mm的Mises應(yīng)力云圖

圖16 間隙0.020mm的孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖

圖17 間隙0.020mm的載荷-位移曲線

圖18和圖19分別給出了釘孔間隙為0.025mm的單釘雙剪試驗?zāi)M的Mises應(yīng)力云圖及孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖，圖20為相應(yīng)的載荷-位移曲線。由圖中曲線可知，試樣的破壞載荷為24.12kN，破壞載荷所對應(yīng)的位移為0.572mm，擠壓強度為1005MPa。釘孔間隙為0.025mm時，連接件擠壓強度繼續(xù)保持下降趨勢。

圖18 間隙0.025mm的Mises應(yīng)力云圖

圖19 間隙0.025mm的孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖

圖20 間隙0.025mm的載荷-位移曲線

4 結(jié) 論

本文通過Abaqus仿真軟件分別對釘孔間隙為0mm、0.005mm、0.010mm、0.015mm、 0.020mm、 0.025mm的T700級碳纖維增強復(fù)合材料層壓板單釘雙剪試樣模型進行了數(shù)值仿真計算，得到了不同釘孔間隙的破壞載荷、破壞載荷所對應(yīng)的位移、孔邊應(yīng)力分布情況以及擠壓強度，研究發(fā)現(xiàn)：

(1)孔邊應(yīng)力分布受釘孔間隙的影響較小，在0mm～0.025mm范圍內(nèi)，隨著釘孔間隙的增大，局部擠壓應(yīng)力最大值整體呈先減小后增大的趨勢。

(2)在0mm～0.025mm范圍內(nèi)，隨著釘孔間隙的增大，T700級碳纖維增強復(fù)合材料層壓板單釘雙剪試樣的破壞載荷先增大后減小，最大值出現(xiàn)在釘孔間隙為0.010mm時；而釘孔間隙對破壞載荷所對應(yīng)位移的影響不明顯。

(3)在0mm～0.025mm范圍內(nèi)，隨著釘孔間隙的增大，T700級碳纖維增強復(fù)合材料層壓板單釘雙剪試樣的擠壓強度呈先增大后減小的趨勢，最大值也出現(xiàn)在孔隙為0.010mm時。

本文的研究結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)尼斂组g隙有助于提高T700級碳纖維增強復(fù)合材料層壓板單釘雙剪試樣的連接性能，但當(dāng)釘孔間隙超過某一值后，復(fù)合材料層壓板單釘雙剪試樣的連接性能會逐漸降低。