复合材料机械连接部位顺上疲劳及寿命预测测试与研究

费 强

(湘潭大学土木工程与力学学院 湖南 湘潭 411105)

一、研究背景

随着社会可以的发展，工业的进步，工业上对材料的要求越来越高，性能和安全成了很大的问题。复合材料泡沫夹芯板由纤维增强复合材料面板和轻质的泡沫芯子组成，具有轻质、隔热、隔音、减振、吸能等性能，已广泛应用于航空航天、船舶制造、高速列车制造、风力发电机叶片等高技术领域。对复合材料泡沫夹芯板的面板进行拉伸试验以及对复合材料泡沫夹芯板预埋螺栓连接进行拉脱试验和数值分析，开展了对不同纤维增强的复合材料面板和复合材料泡沫夹芯板预埋螺栓连接接头损伤破坏的研究。航空结构中存在大量螺栓连接，螺栓对航空结构的安全和效率有着至关重要的作用。复合材料结构设计主要依靠设计者的经验并依赖大量的试验。失效判断是预测连接强度的基础，钉载分配研究是估算多钉强度的前提，针对复合材料连接设计工作者所关心的问题，从多方面开展了有益的研究。这些研究内容及连接设计技术的发展对显著地减少试验费用和开发时间，把复合材料用到飞机结构的主要部件中，提高连接效率从而减轻飞机重量，提高飞机安全性有很大实用价值

二、理论方法

复合材料可改善结构性能，具有显著的减重效益，在航空航天结构中已由次承力件发展为主承力件，且应用面逐步扩大。整体化和大型化是航空航天复合材料结构件的发展趋势。但目前而言，复材结构的连接问题仍然存在。机械连接安全可靠并可传递大载荷，所以在复材结构中应用广泛。然而孔的加工工艺会引起不可预测的初始损伤，破坏材料的连续性，对结构的完整性和承载能力带来不利影响；由于复合材料是脆性的各项异性材料，其孔周应力集中比金属严重得多。[2]因此，连接部位通常是复材结构强度的薄弱环节。实验对复合材料机械连接进行全面可靠地分析，周期长、成本高；解析法只能处理简单的问题，对复杂结构的分析却无能为力。相比较而言，数值模拟方法可靠、成本低、效率高，还可考虑各种结构形式、载荷及边界条件非常适合于工程应用。本课题总结了数值模拟中的有限元法在复合材料机械连接中的应用。

三、具体问题

在有限元数值模拟中，将复合材料层合板的首层失效(First PlyFailure)作为其失效标准的分析偏于保守，因此分析结构的最终失效(Last Ply Failure)对提高复材接头的使用效率具有更为重要的意义。累积损伤分析(Progressive DamageAnalysis)通过采用材料参数退化模型能更加准确地反映接头的承载能力，而且还可模拟最终失效前初始损伤的产生及其扩展，是一种相对理想的模拟方法。累积损伤分析已广泛应用于复材层合板接头的各种受载分析中，如静强度、钉群连接钉载分配、蠕变、湿热效应、疲劳寿命预测及损伤失效、鲁棒优化分析等的研究中，为结构的合理设计提供了重要依据。应力分析、失效准则及材料性能退化准则的建立严重地影响累积损伤有限元模拟的结果。因此，应力分析中应尽可能建立准确合理的模型，同时谨慎地选择失效准则和合乎实际的材料性能退化准则。

(一)应力分析

正确的应力分析是累积损伤分析的基础。由于复材性能的各向异性，不同方向角的铺层按一定顺序叠合在一起时会造成材料性能的不连续，数学上在板的自由边界处(包括孔边缘)存在应力奇异(StressSingularity)。而材料强度是一定的，所以实验中的应力是有限值，不存在应力奇异。但是层间应力集中却是不可避免的，显然，若计算偏差过大或应力集中处理不当(即应力分析不当)，错误的失效判断使接头强度的预测也不准确。

(二)失效准则

复材的失效，无论是静载失效还是疲劳失效，大致上可分为由基体控制为主的失效或由纤维控制为主的失效两类，包括纤维拉伸、纤维压缩、纤维-基体剪切、基体拉伸、基体压缩、横向拉伸和横向压缩等。目前没有一个对于所有失效均可同时适用的失效表达式，一般对不同的失效机理需采用不同表达式作为其失效准则。经典的Tsai-Wu准则对判断首层失效是有效的，但无法识别失效模式；最大应力或应变准则可确定失效模式，但因未考虑各应力间相互作用而显得相对保守。

四、结论

影响复材板机械连接接头力学行为的因素很多，有限元研究方面主要有以下几点：(1)材料力学参数：单向层板的弹性和强度参数、铺层角及叠放次序、不同角度层的比例、复材性能的分散性、紧固件材料性能；(2)结构形式：搭接形式、开孔布局、端距或边距、搭接长度等几何尺寸；(3)紧固件：紧固件类型及尺寸、螺栓预紧力；(4)接触：钉孔间隙或干涉量、摩擦；(5)工作环境：温度、湿度等。

为了传递更大的载荷，工程中常使用多排紧固件的接头。复材的脆性、力学性能的各向异性等特点，使得多钉接头从开始加载到加载至极限载荷的整个过程中，各钉排载荷分配一直严重不均匀。由于相对承载大的钉孔最先发生破坏，层合板的性能无法得到充分发挥，大大降低了连接效率。研究表明，间隙量对钉载分配影响最大，任何微小的改变都将使载荷向间隙最小的紧固件上转移，还发现提高紧固件的刚度将使离其最近的紧固件上的一部分载荷向该钉上转移[3]。鉴于间隙量对钉载分配的影响，当具有不同湿热膨胀性能的板相互连接时，温度、湿度对钉载分配也起着不可忽视的作用，复材连接钉载分配中的湿热效应还有待深入研究。