復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)剛度匹配性研究

孫啟星，劉慧慧，朱利媛，陳玉娟，申昌富

（航空工業(yè)洪都，江西南昌330024）

復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)剛度匹配性研究

孫啟星，劉慧慧，朱利媛，陳玉娟，申昌富

（航空工業(yè)洪都，江西南昌330024）

復(fù)合材料蒙皮通過(guò)框梁提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)剛度，框梁與蒙皮之間存在附加載荷，該載荷會(huì)引起結(jié)構(gòu)失效。而結(jié)構(gòu)剛度匹配性設(shè)計(jì)，可減小連接載荷，本文對(duì)某復(fù)合材料蒙皮與金屬框連接典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并對(duì)金屬框截面尺寸、復(fù)合材料鋪層角度進(jìn)行了優(yōu)化，使連接載荷隨復(fù)合材料剛度增加而減小，復(fù)合材料安全裕度呈拋物線變化。

復(fù)合材料；剛度匹配；連接結(jié)構(gòu)

0 引言

復(fù)合材料由于其優(yōu)異的力學(xué)性能在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用加筋板、框梁等形式提高蒙皮薄板結(jié)構(gòu)強(qiáng)剛度，學(xué)者對(duì)加筋壁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列研究[1,2]，但更多是對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化研究，而對(duì)加筋板和蒙皮之間的連接載荷卻少有分析。兩者一般通過(guò)膠接或機(jī)械連接，其連接強(qiáng)度可能低于結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度，或連接強(qiáng)度會(huì)帶來(lái)疲勞失效等可能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要對(duì)此進(jìn)行優(yōu)化分析。

復(fù)合材料蒙皮加筋壁板結(jié)構(gòu)要綜合考慮復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu)剛度及加筋壁板剛度，對(duì)復(fù)合材料鋪層角度、厚度進(jìn)行優(yōu)化，提高結(jié)構(gòu)自身安全裕度，減小結(jié)構(gòu)連接載荷。本文對(duì)某典型復(fù)合材料蒙皮+典型金屬框連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)復(fù)合材料蒙皮和金屬框傳力路徑的分析，對(duì)兩者截面尺寸、鋪層角度等進(jìn)行優(yōu)化，提高結(jié)構(gòu)承載能力。

1 結(jié)構(gòu)模型及問(wèn)題分析

復(fù)合材料艙體為提高結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)剛度，一般在蒙皮上布置金屬框梁進(jìn)行增強(qiáng)，金屬框與復(fù)合材料蒙皮通過(guò)膠接、螺栓連接或膠接+螺栓混合連接。復(fù)合材料為NY9200GB/T700，模量性能為E1t=120GPa，E2t=8GPa，G12=4.5Gpa，鋪層順序?yàn)閇45/-45/0/0/45/0/0/-45/0/0/45；金屬為L(zhǎng)Y12，初始厚度為3mm。艙體承受拉、剪、彎復(fù)合載荷，金屬框與復(fù)合材料蒙皮連接時(shí)，如圖1、圖2所示，金屬框與復(fù)合材料蒙皮之間有相互作用力。結(jié)構(gòu)前端面固定，后端面承受拉力、剪力及彎矩載荷，此時(shí)由于金屬框?qū)?fù)合材料蒙皮提供剛度支撐、包含環(huán)向剛度及航向剛度，金屬框緣條約束蒙皮航向位移，兩者之間產(chǎn)生相互減小航向位移的作用力，最大力為5760N。

2 剛度匹配分析

2.1 金屬框剛度匹配分析

金屬框主要提高復(fù)合材料蒙皮環(huán)向剛度，金屬緣條主要是為了與蒙皮連接，因此在設(shè)計(jì)中可以優(yōu)化框與蒙皮的剛度匹配比，從而減小框與蒙皮之間的載荷，主要進(jìn)行以下工作：一、降低金屬框緣條剛度；二、提高復(fù)合材料蒙皮連接區(qū)域剛度。

首先降低金屬框緣條剛度，改進(jìn)前后金屬框截面圖見圖3，改進(jìn)緣條與蒙皮連接位置緣條剛度，保持腹板附近的緣條剛度不變，遠(yuǎn)離腹板的位置緣條線性遞減，此時(shí)復(fù)合材料蒙皮與金屬框連接螺栓最大剪力為4350N，下降約24.4%（圖4）。

2.2 復(fù)合材料剛度匹配分析

復(fù)合材料的剛度可通過(guò)局部增加復(fù)合材料蒙皮與金屬框連接位置蒙皮厚度和鋪層不變、優(yōu)化鋪層順序兩種途徑得到改進(jìn)。第一個(gè)方案可以有效的提高蒙皮局部剛度，從而減小連接螺栓受力，但增加了結(jié)構(gòu)重量，同時(shí)，蒙皮厚度的增加會(huì)增加螺栓承載偏心力，對(duì)結(jié)構(gòu)受載不利。因此，本文主要對(duì)鋪層優(yōu)化進(jìn)行分析。

按表1鋪層比對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，框與蒙皮連接剪力隨0°鋪層比例減小而變大，隨±45°鋪層比例增加而變大，見圖5。安全裕度隨鋪層角度變化見圖6。

表1 復(fù)合材料鋪層百分比

復(fù)合材料剛度變化使復(fù)合材料蒙皮與金屬框隨0°鋪層比減小、連接螺栓剪力變大，即蒙皮剛度越大，則金屬框?qū)γ善ず较蚣s束越小，螺栓連接力也越小，反之亦然。由圖6可知，鋪層在狀態(tài)2、3的時(shí)候復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安全裕度最大，狀態(tài)1、6極限鋪層狀態(tài)安全裕度較小，在剛度匹配性設(shè)計(jì)時(shí)，要同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自身的承載能力。在圖5、圖6中結(jié)構(gòu)鋪層可選取裕度最大時(shí)刻，此時(shí)最大剪力為3610N，減小17.0%；通過(guò)優(yōu)化金屬緣條剛度和復(fù)合材料鋪層連接載荷共減小37.3%。

對(duì)本結(jié)構(gòu)，金屬框主要作用是提高結(jié)構(gòu)局部剛度，金屬框緣條作用是與蒙皮連接，腹板提高結(jié)構(gòu)剛度，因此在保證連接強(qiáng)度的前提下，減小緣條剛度與蒙皮剛度比可以有效的降低螺栓連接力，前面的計(jì)算結(jié)果也與此推論吻合。剛度匹配設(shè)計(jì)主要目的在于：保障結(jié)構(gòu)功能性的同時(shí)減小結(jié)構(gòu)附加載荷。

本文給出圖1中結(jié)構(gòu)復(fù)合材料蒙皮與金屬框連接形式、受力比較簡(jiǎn)單，因此其剛度匹配關(guān)系也相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于復(fù)雜受力或復(fù)雜、多曲面連接結(jié)構(gòu)剛度匹配關(guān)系也更為復(fù)雜，但通過(guò)綜合受力分析，獲取其剛度匹配關(guān)系，充分發(fā)揮復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，在滿足結(jié)構(gòu)功效的前提下，有效的減小結(jié)構(gòu)受載。

3 結(jié)論

1）對(duì)復(fù)合材料蒙皮和金屬框進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度匹配性設(shè)計(jì)，在保證結(jié)構(gòu)功能性的前提下，可有效的降低兩者之間傳遞的載荷；

2）復(fù)合材料蒙皮和金屬框之間連接力最小與蒙皮承載能力最大并非同一鋪層，在剛度匹配性設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行綜合考慮，以獲得結(jié)構(gòu)安全裕度最大狀態(tài)。

[1]Krueger R and Kevin T.A shell/3D modeling technique for the analysis of delaminated composite laminates.NASA TM-2000-210287.

[2]Falzon BG,Davies GAO and Greenhalgh E.Failure of thick-skinned stiffener runout sections loadedinuniaxialcompression[J].Composite Structures,2003,53:223-233.

[3]Ronald Krueger、Pierre J.Mingue.Analysis of Composite Panel-Stiffener Debonding Using a Shell/3D Modeling Technique[R].NASA CR-214299,2006.

[4]趙群，丁運(yùn)亮，金海波；基于壓彎剛度匹配論則得復(fù)合材料加筋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,42(3).

[5]鐘小丹，陳普會(huì)；復(fù)合材料加筋壁板長(zhǎng)桁終止端混合連接設(shè)計(jì)分析，復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2013，30(6).

[6]Hart-SmithL J.Design methodology for bonded-bolted composite joints.AFWAL-RT-81-3154[R].Ohio;AFWAL,1.

Rigid Compatibility Research on Composite Bonding Structure

Sun Qixing,Liu Huihui,Zhu Liyuan,Chen Yujuan,Shen Changfu
(A災(zāi)IC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi 330024)

The structure strength of composite skin is enhanced by means of frame beam,and the additional load between frame beam and skin will disfunction the structure.The design of structure strength compatibility may reduce bonding load.This paper analyzes the typical bonding structure of one kind of composite skin and metal frame,and optimizes the section size of metal frame and the ply angle of composite,so as to decrease the bonding load with the increase of composite rigidity,and the safety margin of composite varies in parabola shape.

Composite；Rigid compatibility；Bonding structure

2017-08-20）

>>>作者簡(jiǎn)介 孫啟星，男，1983年5月出生，2008年畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)，高級(jí)工程師，碩士，主要從事于復(fù)合材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作。