復合材料機械連接部位順上疲勞及壽命預測測試與研究

費 強

(湘潭大學土木工程與力學學院 湖南 湘潭 411105)

一、研究背景

隨著社會可以的發展，工業的進步，工業上對材料的要求越來越高，性能和安全成了很大的問題。復合材料泡沫夾芯板由纖維增強復合材料面板和輕質的泡沫芯子組成，具有輕質、隔熱、隔音、減振、吸能等性能，已廣泛應用于航空航天、船舶制造、高速列車制造、風力發電機葉片等高技術領域。對復合材料泡沫夾芯板的面板進行拉伸試驗以及對復合材料泡沫夾芯板預埋螺栓連接進行拉脫試驗和數值分析，開展了對不同纖維增強的復合材料面板和復合材料泡沫夾芯板預埋螺栓連接接頭損傷破壞的研究。航空結構中存在大量螺栓連接，螺栓對航空結構的安全和效率有著至關重要的作用。復合材料結構設計主要依靠設計者的經驗并依賴大量的試驗。失效判斷是預測連接強度的基礎，釘載分配研究是估算多釘強度的前提，針對復合材料連接設計工作者所關心的問題，從多方面開展了有益的研究。這些研究內容及連接設計技術的發展對顯著地減少試驗費用和開發時間，把復合材料用到飛機結構的主要部件中，提高連接效率從而減輕飛機重量，提高飛機安全性有很大實用價值

二、理論方法

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

三、具體問題

在有限元數值模擬中，將復合材料層合板的首層失效(First PlyFailure)作為其失效標準的分析偏于保守，因此分析結構的最終失效(Last Ply Failure)對提高復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)通過采用材料參數退化模型能更加準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生及其擴展，是一種相對理想的模擬方法。累積損傷分析已廣泛應用于復材層合板接頭的各種受載分析中，如靜強度、釘群連接釘載分配、蠕變、濕熱效應、疲勞壽命預測及損傷失效、魯棒優化分析等的研究中，為結構的合理設計提供了重要依據。應力分析、失效準則及材料性能退化準則的建立嚴重地影響累積損傷有限元模擬的結果。因此，應力分析中應盡可能建立準確合理的模型，同時謹慎地選擇失效準則和合乎實際的材料性能退化準則。

(一)應力分析

正確的應力分析是累積損傷分析的基礎。由于復材性能的各向異性，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，數學上在板的自由邊界處(包括孔邊緣)存在應力奇異(StressSingularity)。而材料強度是一定的，所以實驗中的應力是有限值，不存在應力奇異。但是層間應力集中卻是不可避免的，顯然，若計算偏差過大或應力集中處理不當(即應力分析不當)，錯誤的失效判斷使接頭強度的預測也不準確。

(二)失效準則

復材的失效，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式，一般對不同的失效機理需采用不同表達式作為其失效準則。經典的Tsai-Wu準則對判斷首層失效是有效的，但無法識別失效模式；最大應力或應變準則可確定失效模式，但因未考慮各應力間相互作用而顯得相對保守。

四、結論

影響復材板機械連接接頭力學行為的因素很多，有限元研究方面主要有以下幾點：(1)材料力學參數：單向層板的彈性和強度參數、鋪層角及疊放次序、不同角度層的比例、復材性能的分散性、緊固件材料性能；(2)結構形式：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、螺栓預緊力；(4)接觸：釘孔間隙或干涉量、摩擦；(5)工作環境：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。復材的脆性、力學性能的各向異性等特點，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重不均勻。由于相對承載大的釘孔最先發生破壞，層合板的性能無法得到充分發揮，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移，還發現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移[3]。鑒于間隙量對釘載分配的影響，當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，復材連接釘載分配中的濕熱效應還有待深入研究。