混合墊片對稱性對復合材料單搭接接頭力學性能的影響

摘 要：以復合材料單搭接接頭為研究對象，通過有限元分析與實驗對比，研究混合墊片對稱性對復合材料單搭接接頭拉伸剛度與峰值載荷的影響；通過視頻引伸計觀測接頭在動載荷下的位移值，研究混合墊片對稱性對接頭疲勞壽命及孔變形量的影響。研究表明： 混合墊片對稱性對接頭拉伸極限載荷及拉伸剛度影響極小；但使用非對稱墊片填隙結構復合材料表面，特別是在液體墊片較厚的一側，易出現應變集中區。承受動載荷后，接頭的孔變形存在非對稱現象，且采用非對稱混合墊片進行填隙時，結構孔變形的非對稱性更強。

關鍵詞：復合材料；混合墊片；單搭接接頭；力學性能

中圖分類號：V229⁺.7 文獻標志碼：A 文章編號：1671-5276（2024）04-0032-05

Effect of Hybrid Gasket Symmetry on Mechanical Properties of Composite Single-lap Joints

LI Yufei， AN Luling， SUN qiang， LIU Ning， ZHAO Fushan

（College of Mechanical and Electronic Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China）

Abstract：The influence of hybrid gasket symmetry on the tensile stiffness and peak load of composite single-lap joints is studied by finite element analysis and experimental comparison. The displacement value of the joint under dynamic load is observed by video extensometer， and the influence of hybrid gasket symmetry on the fatigue life and hole deformation of the joint is studied. The results show that the symmetry of the hybrid gasket has little effect on the tensile limit load and tensile stiffness of the joint， the surface of composite materials using asymmetric gaskets to fill the gaps， especially on the thick side of the liquid gasket， however， is prone to strain concentration areas. After bearing dynamic load， the hole deformation of the joint has asymmetry， and when the asymmetric hybrid gasket is used for gap filling， the asymmetry of the structural hole deformation is stronger.

Keywords：composite materials; hybrid gaskets; single lap joint; mechanical properties

0 引言

由于復合材料具有比強度高、比模量高、減振性能好、可設計性強等優點，可以有效地減輕飛機的質量，因而在航空航天領域的應用備受矚目^[1]。隨著復合材料的應用部位逐漸從次承力結構向主承力結構過渡，復合材料連接結構的裝配質量也變得越來越重要。盡管復合材料的應用可以提高飛機結構的整體性能，但是復合材料構件成型精度不高，裝配時易在構件接合面間產生間隙^[2]，且間隙補償方案會對結構使用過程的力學性能產生顯著影響。工程中常用的墊片材料種類繁多，不同墊片材料各有優劣，故實踐中存在使用多種類型墊片構成混合墊片進行間隙補償的現象，但具體工藝參數、墊片選擇及排列方案等均缺乏理論與標準依據。墊片的排列方式，如對稱性等要求，可能對實際操作提出較高要求，工程中難以保證，從而導致填隙補償效率進一步降低或結構性能的進一步下降。

目前已有學者對混合墊片的施加，包括制作方式、混合方式等進行研究。CHANG等^[3]提出了一種玻璃纖維和環氧樹脂混合墊片，混合墊片利用環氧樹脂的流動性保證間隙填充的完整程度，另外加入玻璃纖維以提高結構的承載性能；楊宇星^[4]提出了一種玻璃纖維樹脂疊層混合墊片填隙新工藝，形成了基于裝配間隙半徑-高剪切應力邊界半徑關系的填隙墊片選用工藝準則；WANG等^[5]通過掃描裝配組件，通過生成的有限元網格獲得裝配間隙的形狀及間隙值，并提出一種由可互換的固體墊片和液體墊片組成的混合墊片來補償不均勻的裝配間隙。也有學者就間隙對復合材料連接結構的性能進行研究。ZHAI等^[6-7]的研究表明墊片厚度的增加會引起接頭剛度和強度的下降，而采用固體墊片補償效果好于液體墊片。墊片厚度的增加會導致沉孔邊界處沿厚度方向上的徑向應力場更加不均勻，切向應力場顯著增加；葛恩德等^[8]針對裝配間隙尺寸（間隙高度、間隙長度）的影響進行了研究，研究發現間隙的存在使得構件的疲勞壽命降低，間隙越大，疲勞性能的損失就越大，間隙補償能顯著提高構件的抗疲勞性能，填隙材料影響填隙效果。

本文以復合材料單搭接接頭為研究對象，研究在0.8～2.0mm的較大間隙下，混合墊片的對稱性對接頭力學性能的影響規律，使用 3D-DIC應變測量系統監測接頭拉伸過程中的表面三維應變場；使用視頻引伸計實時觀測接頭在動載荷作用下的位移值，研究墊片對稱性對接頭疲勞壽命及孔變形量的影響；同時利用仿真軟件建立三維有限元模型，研究混合墊片對稱性對復合材料接頭拉伸剛度、峰值載荷、表面應變的影響規律。希望研究結果在提高復合材料裝配連接的質量和性能的同時降低裝配現場的操作難度。

1 試樣設計

本文采用的混合墊片由鋁合金固體墊片和液體墊片構成，其結構如圖1所示，其中深色代表液體墊片，淺色代表固體墊片。試樣尺寸參照ASTM D5961試驗標準確定，如圖2所示。

實驗使用的復合材料為CYCOM977-2-35-24K/IMS-194，單層名義厚度為0.188 mm，鋪層順序為[45/90/-45/0/90/0/-45/90/45/-45]s，對稱鋪疊20層，孔的直徑為6mm，材料性能參數見參考文獻[9]。混合墊片中鋁合金采用的材料是2024-T3，彈性模量為73 GPa，泊松比為0.3。液體墊片材料牌號為Loctite Hysol EA9394，其應力應變曲線取自文獻[10]。螺栓、螺母及墊圈材料均為30CrMnSiA，表面鍍鋅鈍化，材料彈性模量約為206GPa，泊松比為0.29，連接時保證施加在試樣上的預緊力為8kN左右。

2 試驗與仿真

2.1 試驗方案

試驗中采用混合墊片進行間隙補償，主要出現在1.2～1.8mm左右的間隙，此屬于大間隙，試驗設計時將間隙跨度擴大至0.8～2.0mm，梯度值設置為0.4mm。混合墊片參數設置如表1所示，對稱結構以*2表示，如0.4*2表示液體墊片對稱分布在固體墊片兩側，單側厚度為0.4。拉伸試驗選取序號為1、2、3、4共4組參數進行，每組參數進行兩次，將拉伸試驗結果與仿真結果進行對比，其余參數組通過驗證過的仿真模型進行分析。疲勞試驗選取1、2、3、7共4組參數，每組參數進行3次試驗，疲勞性能分析以試驗數據為主。

2.2 拉伸試驗

拉伸試驗中3D-DIC測量系統設備搭建如圖3所示，選用短焦鏡頭，調整相機間隔約500～800mm，兩相機視野相交于試樣處。設定拉伸速率為2mm/min，拉伸開始前先拍攝10張左右靜態圖像，拉伸過程選擇定時拍攝，依據總拉伸時間設置每5s拍攝一張，每個拉伸樣件拍攝約70張圖片。拉伸試樣如圖4所示。

2.3 疲勞試驗

在室溫20℃、相對濕度為50%的實驗室通過疲勞機進行試驗，試驗采用應力比r=0.2，應力水平為0.6的疲勞載荷，加載頻率為60Hz。疲勞試驗過程中，接頭的力示值由夾具末端的傳感器輸出，位移示值由視頻引伸計輸出，位移達到15%孔徑時，即0.9mm視為結構失效。試驗設備及引伸計布置情況如圖5所示，使用引伸計須在試樣表面噴涂細小散斑，疲勞試樣如圖6所示。

2.4 有限元分析模型

為提高研究效率采用有限元模型對各混合墊片參數填隙結構的拉伸性能進行模擬。本文基于Olmedo失效準則建立了拉伸仿真模型。網格類型選擇線性減縮積分單元C3D8R，孔周半徑為12mm圓型區域內進行網格細化，模型參數如圖7所示。

3 結果分析與討論

3.1 峰值載荷及接頭剛度分析

通過驗證的有限元模型對4種間隙、12組填隙參數下接頭的極限載荷及剛度進行分析，如圖8所示。在間隙值相同的情況下，混合墊片對稱性對接頭的拉伸峰值載荷及拉伸剛度影響極小，在間隙為2.0mm時影響最大，采用對稱結構與采用非對稱結構填隙結構的峰值載荷差值為0.15kN，僅占1.04%，拉伸剛度差值為0.10kN/mm，僅占0.8%。

3.2 拉伸表面應變分析

于螺栓孔上、下各取一點分別記為P₀、P₁，以下層板表面應變情況為例，對試樣拉伸過程中表面應變進行分析，0.8mm和1.2mm兩種間隙值下兩點隨拉伸載荷施加過程的縱向應變變化（圖9）數據截取拉伸起始至極限載荷時刻。隨拉伸載荷增大，P₀點附近出現拉伸應變集中區，P₁點附近出現壓縮應變集中區。間隙值相同時，非對稱形式混合墊片進行間隙填充的結構在P₀點附近的拉伸應變約為對稱結構應變量的80%。這是因為對稱形式混合墊片上層液體墊片厚度較厚，上層板受到的壓縮載荷更容易使墊片發生變形，變形傳遞至下層板；而在P₁點附近，非對稱形式混合墊片填隙結構的壓縮應變遠大于對稱形式混合墊片填隙結構。結構載荷達到峰值時，P₁點附近的縱向壓縮應變值為對稱形式混合墊片填隙結構的210%。

3.3 疲勞壽命分析

將實驗所得疲勞壽命結果匯總于表2中。可以看出，隨間隙值增加，結構的疲勞壽命逐漸降低；對比序號1和序號2兩組結果可以看出，同種間隙下，非對稱形式混合墊片填隙時，結構的疲勞壽命有所下降，其中間隙值為0.8mm時，疲勞壽命下降19.07%。這可能是因為采用非對稱形式混合墊片進行填隙補償會加重結構載荷偏心引起的載荷在螺栓表面分布不均，導致結構疲勞壽命進一步降低。

3.4 孔變形量分析

依據測量所得孔變形量數據如圖10所示。各組參數下構件兩孔的變形量基本趨于一致，但孔2的變形量與孔1的變形量相比總體較小。這是由于單搭接接頭在拉-拉加載過程中，移動加載端與固定夾持端不完全在同一條直線上，結構所受載荷實際上為偏心載荷，導致與加載端復合材料板相接觸的螺栓所承受的載荷較大。在經歷較低循環次數時，孔變形非對稱性較弱，這是因為加載初期的孔徑快速伸長變形是由制孔缺陷、構件內部不均勻的高應力等原因造成的。孔變形受自身質量的影響較大，而隨著載荷循環次數的增加，間隙值及混合墊片的影響才逐漸顯現出來，這也證明混合墊片對單搭接接頭疲勞性能的影響主要體現在孔徑緩慢增長階段。當采用非對稱形式的混合墊片進行填隙時，墊片材料剛度的非對稱性會加重單搭接結構在承受拉-拉載荷后的載荷偏心效應，導致兩板對螺栓的剪切作用進一步增強，從而導致孔變形的非對稱性增強。

4 結語

1）混合墊片的對稱性對于接頭的拉伸極限載荷、拉伸剛度并無明顯影響。

2）液體墊片厚度較厚的一側復合材料表面應變集中較嚴重。結構載荷值達極限載荷時，非對稱形式混合墊片填隙結構孔周縱向壓縮應變量可達對稱形式混合墊片填隙結構的210%。

3）采用非對稱形式混合墊片進行填隙時，結構孔變形的非對稱性更強；同時結構的疲勞壽命略有下降，其中間隙值為0.8mm時，疲勞壽命下降19.07%；且間隙值越大，上述影響愈發明顯。

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收稿日期：20230210