液體墊片對(duì)復(fù)材-鋁單搭接接頭拉伸性能的影響

葉鑫，安魯陵，岳烜德，王楚凡

(南京航空航天大學(xué) 江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

0 引言

復(fù)合材料因其具有比強(qiáng)度、比剛度高，耐腐蝕好等特性，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著獨(dú)特的作用[1]。而鋁合金材料作為當(dāng)前主要的航空工程材料，在飛機(jī)制造中仍占有較高的比例。因此復(fù)合材料與鋁合金之間的連接情況越來(lái)越多，尤其在對(duì)形狀和位置精確度要求較高的飛機(jī)裝配中，復(fù)合材料與鋁合金的裝配質(zhì)量就變得越來(lái)越重要。

復(fù)合材料與鋁合金構(gòu)件連接裝配時(shí)，因?yàn)橹圃煲约把b配的偏差，兩者配合面間會(huì)產(chǎn)生裝配間隙。一般采用液體墊片補(bǔ)償?shù)姆椒āＨ欢こ躺犀F(xiàn)行的復(fù)合材料裝配間隙補(bǔ)償工藝主要依據(jù)操作者的觀察和經(jīng)驗(yàn)，缺乏理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)，如波音和空客公司都曾對(duì)已生產(chǎn)飛機(jī)進(jìn)行檢查，其中部分質(zhì)量不合格問(wèn)題是由墊片設(shè)計(jì)不合理造成的[2]。

目前研究液體墊片對(duì)復(fù)合材料接頭拉伸性能的影響已有不少成果，DHTE J X等[2]人通過(guò)采用三維數(shù)字圖像技術(shù)測(cè)量使用液體墊片后結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變和二次彎曲。結(jié)果表明，液體墊片層的引入增大了彎曲變形，改變了層內(nèi)應(yīng)變集中分布區(qū)域，造成了接頭拉伸剛度與峰值載荷的下降，且下降的幅度與墊片厚度成正比。LIU L等[3]人研究了當(dāng)液體墊片厚度在0.5mm～1.0mm范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)復(fù)合材料-鈦合金結(jié)構(gòu)承載能力的影響較小，加液體墊片后連接件的承載能力比不加墊片時(shí)高。崔雁民[4]通過(guò)有限元仿真分析了復(fù)合材料-鈦合金液體墊片補(bǔ)償后的力學(xué)性能，得出液體墊片能夠很好地緩解孔邊應(yīng)力集中的現(xiàn)象、降低厚度方向上應(yīng)力的結(jié)論。CHENG L等[5]研究了非均勻間隙螺栓連接的填隙效應(yīng)，得出液體墊片具有較強(qiáng)的粘結(jié)力，提高了接頭的剛度。岳烜德等[6]研究了復(fù)合材料單搭接螺栓接頭在液體墊片補(bǔ)償后的拉伸力學(xué)性能，研究得出：接頭的拉伸剛度與峰值載荷隨著液體墊片厚度的增加均有所降低。

本文以復(fù)合材料-鋁合金單搭接頭為研究對(duì)象，在0～2.0mm大間隙下，系統(tǒng)研究強(qiáng)迫裝配和液體墊片對(duì)接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律。使用3D-DIC全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)構(gòu)件表面的三維應(yīng)變場(chǎng)和變形，同時(shí)利用仿真軟件建立三維有限元模型，并與試驗(yàn)對(duì)比，研究液體墊片補(bǔ)償對(duì)復(fù)合材料-鋁合金接頭拉伸剛度、峰值載荷、表面應(yīng)變分布的影響規(guī)律，進(jìn)而提高復(fù)合材料-鋁合金裝配連接的質(zhì)量和性能。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 問(wèn)題描述

在飛機(jī)裝配結(jié)構(gòu)中，復(fù)合材料與鋁合金裝配結(jié)構(gòu)廣泛存在，例如在復(fù)合材料翼盒[7]裝配結(jié)構(gòu)中，復(fù)合材料固化成型的壁板與鋁合金翼肋之間就存在裝配關(guān)系，并且以單搭接的形式連接，如圖1所示。

針對(duì)在單搭接接頭中引入裝配間隙的問(wèn)題，采用鋼墊片制造均勻裝配間隙，并使裝配間隙沿試件橫向貫通，如圖2所示。

圖1 單搭接示意圖

圖2 鋼墊片制造間隙示意圖

1.2 試樣制作

實(shí)驗(yàn)使用的復(fù)合材料為CYCOM 977-2-35-24K/IMS-194，單層名義厚度為0.188mm，鋪層順序?yàn)閇45/90/-45/0/90/0/-45/90/45/-45]s，共鋪疊20層，厚度為3.76mm，孔的直徑為6.35mm。其力學(xué)參數(shù)參考文獻(xiàn)[6]，如表1所示。鋁合金試樣采用的材料是7050-T7，彈性模量為72GPa，泊松比為0.33，厚度為4mm。試樣尺寸根據(jù)ASTM D5961[9]標(biāo)準(zhǔn)確定，基本尺寸如圖3所示，緊固件采用HST10抗剪型鈦合金高鎖螺栓，材料為T(mén)i6Al4V，彈性模量為110GPa，泊松比為0.29，連接時(shí)保證施加在試樣上的壓力保持在8000N左右。

圖3 鋁合金-復(fù)合材料接頭尺寸

表1 材料性能參數(shù)

表2 強(qiáng)迫裝配下復(fù)合材料-鋁合金單搭接接頭峰值載荷和拉伸剛度實(shí)驗(yàn)值

實(shí)驗(yàn)使用液體墊片牌號(hào)為Henkel Loctite Hysol EA9394，其基本性質(zhì)如圖4所示[9]。制作墊片層時(shí)，首先在復(fù)合材料構(gòu)件上加入具有一定厚度的鋼墊片，然后將配置好的液體墊片涂抹在復(fù)合材料構(gòu)件表面，使用隔離劑將其鋁合金構(gòu)件隔開(kāi)，最后用C型夾加壓、固定兩塊構(gòu)件，去除流出的多余液體墊片，在室溫條件下固化80 h。等液體墊片固化完成后，再進(jìn)行制孔連接等操作。

圖4 EA9394的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

1.3 實(shí)驗(yàn)操作

拉伸實(shí)驗(yàn)使用的是SANS CMT520/5305萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)，最大拉力為100kN。實(shí)驗(yàn)采用某公司的3D-DIC系統(tǒng)對(duì)構(gòu)件的表面應(yīng)變和面外變形進(jìn)行了全場(chǎng)三維測(cè)量，如圖5所示。該系統(tǒng)以數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了非接觸式三維測(cè)量。測(cè)量需要兩個(gè)CCD工業(yè)相機(jī)和光源。實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)復(fù)合材料板和鋁合金板噴上白色底漆，再在白色底漆上噴灑黑色小斑點(diǎn)制作成散斑，如圖6所示。

圖5 拉伸實(shí)驗(yàn)示意圖

圖6表面散斑

實(shí)驗(yàn)采用兩組相機(jī)分別對(duì)復(fù)合材料板和鋁合金板進(jìn)行全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量。在測(cè)試過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)加載速度為2mm/min，以一定的頻率拍攝記錄散斑圖像，當(dāng)載荷從峰值下降20%或發(fā)生明顯復(fù)合材料損傷時(shí)停止加載。通過(guò)將后續(xù)圖像與第一張參考圖像進(jìn)行比較，進(jìn)而得到全場(chǎng)的位移和應(yīng)變信息。

2 有限元模型

2.1 網(wǎng)格設(shè)置、邊界與接觸屬性

利用ABAQUS中有限元軟件，建立了復(fù)合材料-鋁合金單搭接接頭的有限元模型。為了減少接觸面，縮短計(jì)算時(shí)間，將螺栓、螺母和墊圈組合成一個(gè)整體來(lái)簡(jiǎn)化模型。螺栓與板接觸區(qū)域是應(yīng)力集中區(qū)，為了較精確地得到這一區(qū)域的應(yīng)力-應(yīng)變，在接觸部位進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化。各構(gòu)件網(wǎng)格均使用六面體線性減縮積分單元C3D8R，它可避免剪切閉鎖問(wèn)題，且對(duì)計(jì)算精度影響不大。網(wǎng)格劃分設(shè)置情況如圖7所示。

圖7 網(wǎng)格劃分設(shè)置

2.2 邊界條件設(shè)置

有限元模型邊界條件如圖8所示，試件左端面限制實(shí)體單元的3個(gè)自由度來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)室被夾頭夾緊固定的情況。而夾頭拉伸的模擬則采用加載位移的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了便于收斂，在螺栓頭與螺母端面以及試件自由端面使用輕彈簧來(lái)約束限制Ux，Uy，Uz三個(gè)方向。螺栓載荷通過(guò)Load功能模塊中的Bolt Loa施加，施加的預(yù)緊力為8 000N。

圖8 邊界條件設(shè)置

3 結(jié)果分析與討論

3.1 載荷-位移曲線

1) 強(qiáng)迫裝配分析

圖9所示是實(shí)驗(yàn)與有限元分析得到的強(qiáng)迫裝配下復(fù)合材料-鋁合金單搭接接頭載荷-位移曲線，各間隙下接頭峰值載荷和拉伸剛度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2，其中拉伸剛度根據(jù)文獻(xiàn)[10]中提到的公式計(jì)算得到，公式如下：

其中：Fmax表示極限載荷；u表示載荷對(duì)應(yīng)的位移。

從圖9和表2中可以看出，隨著間隙的不斷增大，峰值載荷和拉伸剛度不斷減小。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較有一點(diǎn)誤差。產(chǎn)生誤差的原因是有限元建模時(shí)對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，影響了計(jì)算精度。從間隙0到間隙2.0mm，其中峰值載荷從17.5kN降為14.4kN，降幅為17.7%；拉伸剛度從20.7kN/mm降為8.27kN/mm，降幅為60.0%。這是因?yàn)槔爝^(guò)程中，接頭的承載能力取決于螺栓桿與孔壁接觸面積的大小，接觸面積越大，拉伸剛度和峰值載荷就越大。螺栓安裝過(guò)程中，存在較大裝配間隙的接頭，復(fù)合材料板和鋁合金板的彎曲變形較大，因而拉伸過(guò)程中螺栓桿與孔壁接觸面積顯著減小，接觸區(qū)域應(yīng)力集中程度較高，導(dǎo)致拉伸剛度和峰值載荷的降低(因本刊黑白印刷，如有疑問(wèn)可咨詢作者)。

圖9 強(qiáng)迫裝配下載荷-位移曲線

2) 液體墊片補(bǔ)償分析

圖10所示是實(shí)驗(yàn)分析得到的液體墊片補(bǔ)償下復(fù)合材料-鋁合金單搭接接頭載荷-位移曲線。圖11是強(qiáng)迫裝配與液體墊片補(bǔ)償下復(fù)合材料-鋁合金單搭接接頭的峰值載荷和拉伸剛度。相比于強(qiáng)迫裝配情況，液體墊片補(bǔ)償后接頭極限載荷和拉伸剛度均表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

圖10 液體墊片補(bǔ)償下載荷-位移曲線

從圖10曲線中可以得出，隨著墊片厚度的增加，接頭的峰值載荷呈增加趨勢(shì)，峰值載荷所對(duì)應(yīng)的位移不斷增大，而從圖11可以看出拉伸剛度隨著墊片厚度的增加呈減小的趨勢(shì)。

圖11 填隙補(bǔ)償下復(fù)合材料-鋁合金單搭接接頭峰值載荷和拉伸剛度

含有液體墊片的接頭進(jìn)行螺栓連接時(shí)，墊片可以顯著減小復(fù)合材料板與鋁合金板的彎曲變形，降低孔邊裝配應(yīng)力，從而使得拉伸過(guò)程中螺栓桿與孔壁的接觸面積基本保持不變。從分析結(jié)果中可以看出，液體墊片也具有一定的承載能力，對(duì)峰值載荷的提升有一定的作用。盡管墊片厚度的增加會(huì)導(dǎo)致載荷偏心程度的不斷增加，但由于鋁合金具有較好的彈塑性，發(fā)生較大彎曲變形的情況下仍能與螺栓桿保持較大的接觸面積，因此峰值載荷會(huì)不斷提高。但拉伸過(guò)程中鋁合金板變形的加劇導(dǎo)致峰值載荷所對(duì)應(yīng)的位移不斷增大，最終導(dǎo)致接頭剛度的降低。

3.2 復(fù)合材料表面與液體墊片變形分析

圖12所示是液體墊片補(bǔ)償下拉伸載荷在15kN時(shí)復(fù)合材料表面應(yīng)變趨勢(shì)，間隙間隔為0.4mm。由圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著液體墊片厚度的不斷增大，孔邊應(yīng)變集中區(qū)范圍增大，應(yīng)變峰值也增大。這是因?yàn)榻宇^剛度降低引起相同載荷下所對(duì)應(yīng)的位移增大，導(dǎo)致復(fù)合材料變形增大，孔邊應(yīng)變集中區(qū)域變大。

圖13所示是液體墊片厚度為2.0mm時(shí)損傷情況，液體墊片沿著拉伸方向變形最為嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)裂紋，與復(fù)合材料表面應(yīng)變趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)。

圖13 液體墊片損傷情況

4 結(jié)語(yǔ)

1) 強(qiáng)迫裝配時(shí)，隨著間隙的不斷增大，螺栓桿與孔壁接觸面積不斷減小，復(fù)合材料-鋁合金單搭接接頭的峰值載荷和拉伸剛度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，從間隙0到間隙2.0mm，峰值載荷和拉伸剛度降幅分別為17.7%和60.1%。

2) 液體墊片補(bǔ)償時(shí)，墊片可以顯著減小復(fù)合材料板與鋁合金板的彎曲變形，使得拉伸過(guò)程中螺栓桿與孔壁的接觸面積基本保持不變。且液體墊片也具有一定的承載能力，對(duì)峰值載荷的提升有一定的作用。但拉伸過(guò)程中鋁合金板變形的加劇導(dǎo)致峰值載荷所對(duì)應(yīng)的位移不斷增大，最終導(dǎo)致接頭剛度的降低。

3) 隨著液體墊片厚度的增加，復(fù)合材料-鋁合金接頭峰值載荷提升，剛度開(kāi)始減小，使得復(fù)合材料和液體墊片發(fā)生較大的變形。