復合材料矩形開孔損傷螺接修理參數分析

楊鵬飛 樊俊鈴 寧寧 李念

摘要：復合材料的修理問題越來越受到關注。本文針對復合材料層壓板結構的矩形開孔損傷建立了螺接修理方案，通過數值模擬的方法研究了螺栓排布、補片材料和厚度等修理參數對結構強度和剛度的影響，分析了不同修理參數的失效模式的變化情況，對復合材料螺栓修理的工程應用有一定的參考價值。

關鍵詞：復合材料；螺栓連接修理；有限元分析

Keywords：composite materials；bolted joints repair；FEM analysis

0 引言

隨著復合材料在飛機結構中的大量應用[1]，其受到損傷后的修理問題也受到越來越多的關注，目前對于飛機復合材料主結構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點，其對結構表面狀態要求不高，可以在外場方便實施，工藝成熟度高，可靠性高，對于承載較大的結構來說是一種較為理想的修理方式，在復合材料結構修理中獲得廣泛使用。國內外對于復合材料螺接修理進行了大量的研究。Her等[2]基于Yamada失效準則與特征曲線法研究了復合材料機械連接修理。Dano等[3]基于Hasin準則和最大應力破壞準則建立了復材螺接修理漸進損傷分析的模型。聶恒昌、關志東等[4]通過試驗和有限元方法分析了不同的修理方案對破壞模式、破壞載荷、應力分布、釘載分配等產生的影響。趙英美等[5]針對復合材料穿透損傷不同修理參數對于修理效果的影響進行了研究。

復合材料受到沖擊損傷一般要進行切割處理防止應力集中，切割后會形成圓形開孔或矩形開孔。目前，關于復合材料矩形開孔結構的修理參數對結構強度和剛度的影響的研究還不夠充分，本文通過有限元分析，研究了矩形開孔損傷修理參數對復合結構修理強度和剛度的影響，可為工程修理設計提供一定的參考。

1 螺接修理有限元建模

主要研究對象為承拉復合材料，復合材料層壓板尺寸為300mm×125mm，復合材料體系為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，詳細的材料參數如表1所示。粘接元強度分別取tn=85.9MPa，ts=tt=117MPa，GIc= 0.133N/mm，GIIc=GIIIc=0.459N/mm，采用BK準則，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，以防止應力集中。對矩形損傷通過螺栓連接進行修理，螺栓采用HST11AP，螺母采用HST79CYWT5，螺栓直徑4.2mm。補片尺寸142mm×100mm×2mm。針對復合材料結構的對稱性，螺栓連接修理層壓板結構采用1/4建模，分析時假設螺栓均位于螺栓孔中間且螺栓不存在間隙，同時忽略預緊力的影響。層壓板母體結構采用SC8R殼單元，修理補片和螺栓采用C3D8I實體單元。層壓板與修理補片網格尺寸為1.5mm，損傷邊緣區域設置0.5mm的網格尺寸，螺栓與螺栓孔周圍網格進一步細化。螺栓、層壓板、修理補片之間均施加摩擦系數為0.1的硬接觸。在層壓板一端施加位移載荷，在對稱面施加對稱邊界條件，模型如圖1所示。

2 螺接修理參數影響分析

2.1 螺栓列數影響分析

研究了3種螺栓列數結構強度和剛度的變化。螺栓列數對修理結構的影響如表2所示。表2中ERE與SRE分別表示剛度恢復率與強度恢復率，表示修理結構剛度和強度與完好結構的剛度和強度之比。

從表2可以發現，在螺栓列數由4增加到6的過程中，結構剛度呈現出不斷增加的趨勢，剛度恢復率增加9.2%，結構強度則表現出先增大后減小的趨勢。從圖2中不同列數螺栓的破壞形貌發現，螺栓列數較小時，修理結構的主要破壞模式為損傷區的拉伸破壞，即復材損傷結構承擔了主要的載荷；當螺栓增加時，破壞模式變為以第一排螺栓孔的拉伸破壞為主，此時補片傳載增強，增強了結構強度；當螺栓數增加至6時，第一排螺孔距層壓板側邊的距離減小，載荷快速傳遞到邊緣，使得截面強度減小，強度降低大于補片傳力增加帶來的強度增加，整體強度下降。

2.2 螺栓排數影響分析

對于螺栓連接修理層壓板的螺栓排數，研究了2、3、4排螺栓對結構的影響。表3給出了螺栓排數對修理結構的影響。

如表3所示，螺栓排數對結構強度和剛度的影響較大，螺栓由2排變為4排，結構的強度和剛度均呈現出增加的趨勢，其中剛度恢復率增加8.8%。這主要是由于螺栓排數增加，相應的修理補片長度也增加，使得補片傳載增加，且凈承載截面未減少，因此結構的強度和剛度均增加。不同螺栓排數下破壞時纖維拉伸損傷形貌如圖3所示。

2.3 螺栓列距影響分析

對于螺栓列距，分別研究了16mm、20mm、22mm和24mm的列距參數，表4給出了螺栓列距對結構強度和剛度的影響。

由表4可以發現，隨著列距的增加，修理結構剛度變化不明顯。對于修理后強度而言，則呈現出先增加后減少的趨勢。螺栓列距的增加使得補片傳力路線剛度增加，結構剛度隨之增加，列距增加會使補片傳載增加，結構的強度可能增加；螺栓列距增加的同時，會減少最外側螺栓到結構自由邊緣的距離，螺栓孔邊的裂紋可能很早地擴展到側邊緣，造成結構強度減小。因此，隨著螺栓列距的增加，修理后強度恢復率先增加后減小。不同螺栓列距下破壞時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，螺栓排距對結構強度和剛度的影響如表5所示。可以發現，螺栓排距增加，由于補片的長度增加，修理后結構剛度增加，但變化幅度有限。補片傳力路線的剛度隨之增加，結構剛度增加，同時補片傳載增加，最終結構的強度增加。圖5為破壞載荷時的損傷形貌，可見改變螺栓排距對損傷模式基本沒有影響。

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，分析直徑對結構強度、剛度的影響，結果如表6所示。可以看出隨著螺栓直徑的增大，結構的剛度恢復率稍微有所降低、強度恢復率降低較明顯。經過分析，螺栓直徑增大，補片傳力路線剛度增加，結構剛度增加，同時補片傳載增加；但是隨著螺栓孔的增大，螺栓孔截面和損傷側邊截面的強度、剛度均減小，且后者產生的影響大于前者，因此結構的強度、剛度均降低。圖6為破壞載荷時的損傷形貌，可以看出，當螺栓直徑較大會帶來螺孔與邊緣距離減小，使得孔邊裂紋更容易擴展至截斷層壓板截面，對結構的剛度和強度的恢復造成一定的影響。

2.6 補片材料影響分析

航空結構補片主要采用鋁合金、鈦合金，2種補片材料對結構強度、剛度的影響如表7所示。可以發現，采用鈦合金材料的補片，結構的強度、剛度均增加，鋁合金補片改為鈦合金補片，剛度恢復率增加7.4%。經過分析，補片材料增強，會使得補片傳力路線剛度增加，結構剛度增加，同時補片傳載也增加，導致結構強度增加。

如圖7所示，當采用鈦合金，補片傳載能力增強，破壞模式為第一排螺栓孔的截面拉伸破壞，此時損傷開口周圍應力下降，矩形開口處沒有出現纖維損傷，而鋁合金補片會造成矩形開口處出現損傷。

2.7 補片厚度影響分析

補片厚度依次取1.0mm、1.5mm、2mm、3mm、4mm，補片厚度對力學性能的影響如表8所示。可以發現，隨著補片厚度增加，結構剛度恢復率不斷增加，結構強度恢復率也呈現不斷增加的趨勢，與剛度恢復率變化趨勢不同的是，當厚度增加到一定值后，強度增加緩慢。經過分析，剛度方面，補片厚度增加，補片傳力路線剛度增加，整個結構的剛度隨之增加；補片厚度從1.0mm增加到4mm，剛度恢復率增加22%。強度方面，隨著補片厚度的增大，補片傳載增加，結構強度增加。當補片厚度較小時，破壞模式為損傷區域的纖維拉伸破壞，如圖8所示。隨著補片厚度的繼續增大，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，對應螺栓孔的應力集中加劇，導致第一排螺栓孔截面拉伸強度降低，故補片較厚時結構強度增加緩慢。

2.8 修理參數對結構強度和結構剛度的整體影響分析

對于承拉復合材料，螺栓排距、螺栓列距、補片材料和補片厚度通過補片剛度影響整個結構的剛度；螺栓直徑通過連接剛度和層壓板螺栓孔截面剛度影響整個結構的剛度；螺栓排數和螺栓列數通過連接剛度、補片剛度和層壓板截面剛度影響整個結構的剛度。螺接參數對于結構剛度恢復率的影響如圖9所示，其中橫坐標為計算參數的個數，縱坐標為剛度恢復率。補片厚度對結構剛度的影響最大，補片材料的影響次之，螺栓列數與排數對結構剛度也有一定程度的影響，螺栓直徑對剛度影響不大。

對于承拉復合材料，各參數對結構強度的影響主要是通過連接剛度和補片剛度影響補片的傳力和螺栓孔邊的應力集中，進而影響到結構的強度，同時各參數變化帶來的損傷模式的變化也會影響到結構強度的變化。當破壞模式為損傷截面拉伸破壞時，補片的載荷較低，應適當增加連接結構的剛度，提升補片傳載；減小螺栓直徑、減小螺栓列數可以提高層壓板第一排螺栓孔截面的強度，從而使結構強度提高；增加螺栓列距會加強連接強度，但是可能會使最外側螺栓孔邊萌生的裂紋過早地擴展到側邊緣，造成結構強度有所減少。增加螺栓排數使第一排螺栓傳載減小，從而減緩層壓板螺栓孔的應力集中，截面承載能力增強，最終使結構強度增加；增加補片厚度，增強補片材料，加強了補片的傳載，同時也加劇了層壓板螺栓孔的應力集中，使截面的承載能力降低，會在一定程度上降低結構的強度，其中補片厚度存在一定的最優值；其余連接參數對結構強度影響有限。螺接參數對于結構強度恢復率的影響如圖10所示，其中橫坐標為計算參數的個數，縱坐標為強度恢復率。

3 結論

針對承拉復合材料的修理參數設計，螺栓列數、排數、螺栓直徑以及補片厚度等修理參數的增加均會一定程度地提升結構剛度，其中，補片厚度對結構剛度的影響最為明顯，螺栓排數影響次之，螺栓直徑對剛度的影響相對較小。

其次，應使復合材料結構的破壞模式盡量為層壓板結構第一排螺栓孔截面拉伸破壞，此時可以得到更好的強度恢復率；同時還應優先選擇增加螺栓排數，且保證螺栓與結構邊緣有一定距離，防止孔邊損傷快速擴展至結構邊緣，進而得到最大的強度恢復率。

對于螺栓結構修理，應先確定螺栓結構和排布參數，再選擇補片材料；對于修理補片材料確定的情況，其厚度存在最優值。

參考文獻

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[5] 趙英美，萬小朋，劉浩.復合材料螺接修補參數優化[J].航空學報，2001（5）：458-460.

作者簡介

楊鵬飛，工程師，研究方向：損傷檢測與結構維修技術。