混合墊片對(duì)稱(chēng)性對(duì)復(fù)合材料單搭接接頭力學(xué)性能的影響

摘 要：以復(fù)合材料單搭接接頭為研究對(duì)象，通過(guò)有限元分析與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，研究混合墊片對(duì)稱(chēng)性對(duì)復(fù)合材料單搭接接頭拉伸剛度與峰值載荷的影響；通過(guò)視頻引伸計(jì)觀測(cè)接頭在動(dòng)載荷下的位移值，研究混合墊片對(duì)稱(chēng)性對(duì)接頭疲勞壽命及孔變形量的影響。研究表明： 混合墊片對(duì)稱(chēng)性對(duì)接頭拉伸極限載荷及拉伸剛度影響極??；但使用非對(duì)稱(chēng)墊片填隙結(jié)構(gòu)復(fù)合材料表面，特別是在液體墊片較厚的一側(cè)，易出現(xiàn)應(yīng)變集中區(qū)。承受動(dòng)載荷后，接頭的孔變形存在非對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，且采用非對(duì)稱(chēng)混合墊片進(jìn)行填隙時(shí)，結(jié)構(gòu)孔變形的非對(duì)稱(chēng)性更強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；混合墊片；單搭接接頭；力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：V229⁺.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、減振性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地減輕飛機(jī)的質(zhì)量，因而在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用備受矚目^[1]。隨著復(fù)合材料的應(yīng)用部位逐漸從次承力結(jié)構(gòu)向主承力結(jié)構(gòu)過(guò)渡，復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的裝配質(zhì)量也變得越來(lái)越重要。盡管復(fù)合材料的應(yīng)用可以提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)的整體性能，但是復(fù)合材料構(gòu)件成型精度不高，裝配時(shí)易在構(gòu)件接合面間產(chǎn)生間隙^[2]，且間隙補(bǔ)償方案會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)使用過(guò)程的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。工程中常用的墊片材料種類(lèi)繁多，不同墊片材料各有優(yōu)劣，故實(shí)踐中存在使用多種類(lèi)型墊片構(gòu)成混合墊片進(jìn)行間隙補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)象，但具體工藝參數(shù)、墊片選擇及排列方案等均缺乏理論與標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。墊片的排列方式，如對(duì)稱(chēng)性等要求，可能對(duì)實(shí)際操作提出較高要求，工程中難以保證，從而導(dǎo)致填隙補(bǔ)償效率進(jìn)一步降低或結(jié)構(gòu)性能的進(jìn)一步下降。

目前已有學(xué)者對(duì)混合墊片的施加，包括制作方式、混合方式等進(jìn)行研究。CHANG等^[3]提出了一種玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂混合墊片，混合墊片利用環(huán)氧樹(shù)脂的流動(dòng)性保證間隙填充的完整程度，另外加入玻璃纖維以提高結(jié)構(gòu)的承載性能；楊宇星^[4]提出了一種玻璃纖維樹(shù)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(yīng)力邊界半徑關(guān)系的填隙墊片選用工藝準(zhǔn)則；WANG等^[5]通過(guò)掃描裝配組件，通過(guò)生成的有限元網(wǎng)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(lái)補(bǔ)償不均勻的裝配間隙。也有學(xué)者就間隙對(duì)復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行研究。ZHAI等^[6-7]的研究表明墊片厚度的增加會(huì)引起接頭剛度和強(qiáng)度的下降，而采用固體墊片補(bǔ)償效果好于液體墊片。墊片厚度的增加會(huì)導(dǎo)致沉孔邊界處沿厚度方向上的徑向應(yīng)力場(chǎng)更加不均勻，切向應(yīng)力場(chǎng)顯著增加；葛恩德等^[8]針對(duì)裝配間隙尺寸（間隙高度、間隙長(zhǎng)度）的影響進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)間隙的存在使得構(gòu)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(bǔ)償能顯著提高構(gòu)件的抗疲勞性能，填隙材料影響填隙效果。

本文以復(fù)合材料單搭接接頭為研究對(duì)象，研究在0.8～2.0mm的較大間隙下，混合墊片的對(duì)稱(chēng)性對(duì)接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律，使用 3D-DIC應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)接頭拉伸過(guò)程中的表面三維應(yīng)變場(chǎng)；使用視頻引伸計(jì)實(shí)時(shí)觀測(cè)接頭在動(dòng)載荷作用下的位移值，研究墊片對(duì)稱(chēng)性對(duì)接頭疲勞壽命及孔變形量的影響；同時(shí)利用仿真軟件建立三維有限元模型，研究混合墊片對(duì)稱(chēng)性對(duì)復(fù)合材料接頭拉伸剛度、峰值載荷、表面應(yīng)變的影響規(guī)律。希望研究結(jié)果在提高復(fù)合材料裝配連接的質(zhì)量和性能的同時(shí)降低裝配現(xiàn)場(chǎng)的操作難度。

1 試樣設(shè)計(jì)

本文采用的混合墊片由鋁合金固體墊片和液體墊片構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)確定，如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)使用的復(fù)合材料為CYCOM977-2-35-24K/IMS-194，單層名義厚度為0.188 mm，鋪層順序?yàn)閇45/90/-45/0/90/0/-45/90/45/-45]s，對(duì)稱(chēng)鋪疊20層，孔的直徑為6mm，材料性能參數(shù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9]?；旌蠅|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(hào)為L(zhǎng)octite Hysol EA9394，其應(yīng)力應(yīng)變曲線取自文獻(xiàn)[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(shí)保證施加在試樣上的預(yù)緊力為8kN左右。

2 試驗(yàn)與仿真

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中采用混合墊片進(jìn)行間隙補(bǔ)償，主要出現(xiàn)在1.2～1.8mm左右的間隙，此屬于大間隙，試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)將間隙跨度擴(kuò)大至0.8～2.0mm，梯度值設(shè)置為0.4mm?；旌蠅|片參數(shù)設(shè)置如表1所示，對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)以*2表示，如0.4*2表示液體墊片對(duì)稱(chēng)分布在固體墊片兩側(cè)，單側(cè)厚度為0.4。拉伸試驗(yàn)選取序號(hào)為1、2、3、4共4組參數(shù)進(jìn)行，每組參數(shù)進(jìn)行兩次，將拉伸試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其余參數(shù)組通過(guò)驗(yàn)證過(guò)的仿真模型進(jìn)行分析。疲勞試驗(yàn)選取1、2、3、7共4組參數(shù)，每組參數(shù)進(jìn)行3次試驗(yàn)，疲勞性能分析以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為主。

2.2 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)中3D-DIC測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備搭建如圖3所示，選用短焦鏡頭，調(diào)整相機(jī)間隔約500～800mm，兩相機(jī)視野相交于試樣處。設(shè)定拉伸速率為2mm/min，拉伸開(kāi)始前先拍攝10張左右靜態(tài)圖像，拉伸過(guò)程選擇定時(shí)拍攝，依據(jù)總拉伸時(shí)間設(shè)置每5s拍攝一張，每個(gè)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(yàn)

在室溫20℃、相對(duì)濕度為50%的實(shí)驗(yàn)室通過(guò)疲勞機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)采用應(yīng)力比r=0.2，應(yīng)力水平為0.6的疲勞載荷，加載頻率為60Hz。疲勞試驗(yàn)過(guò)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(jì)輸出，位移達(dá)到15%孔徑時(shí)，即0.9mm視為結(jié)構(gòu)失效。試驗(yàn)設(shè)備及引伸計(jì)布置情況如圖5所示，使用引伸計(jì)須在試樣表面噴涂細(xì)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(duì)各混合墊片參數(shù)填隙結(jié)構(gòu)的拉伸性能進(jìn)行模擬。本文基于Olmedo失效準(zhǔn)則建立了拉伸仿真模型。網(wǎng)格類(lèi)型選擇線性減縮積分單元C3D8R，孔周半徑為12mm圓型區(qū)域內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，模型參數(shù)如圖7所示。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 峰值載荷及接頭剛度分析

通過(guò)驗(yàn)證的有限元模型對(duì)4種間隙、12組填隙參數(shù)下接頭的極限載荷及剛度進(jìn)行分析，如圖8所示。在間隙值相同的情況下，混合墊片對(duì)稱(chēng)性對(duì)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(shí)影響最大，采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)與采用非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)填隙結(jié)構(gòu)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(yīng)變分析

于螺栓孔上、下各取一點(diǎn)分別記為P₀、P₁，以下層板表面應(yīng)變情況為例，對(duì)試樣拉伸過(guò)程中表面應(yīng)變進(jìn)行分析，0.8mm和1.2mm兩種間隙值下兩點(diǎn)隨拉伸載荷施加過(guò)程的縱向應(yīng)變變化（圖9）數(shù)據(jù)截取拉伸起始至極限載荷時(shí)刻。隨拉伸載荷增大，P₀點(diǎn)附近出現(xiàn)拉伸應(yīng)變集中區(qū)，P₁點(diǎn)附近出現(xiàn)壓縮應(yīng)變集中區(qū)。間隙值相同時(shí)，非對(duì)稱(chēng)形式混合墊片進(jìn)行間隙填充的結(jié)構(gòu)在P₀點(diǎn)附近的拉伸應(yīng)變約為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變量的80%。這是因?yàn)閷?duì)稱(chēng)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(fā)生變形，變形傳遞至下層板；而在P₁點(diǎn)附近，非對(duì)稱(chēng)形式混合墊片填隙結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)變遠(yuǎn)大于對(duì)稱(chēng)形式混合墊片填隙結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)載荷達(dá)到峰值時(shí)，P₁點(diǎn)附近的縱向壓縮應(yīng)變值為對(duì)稱(chēng)形式混合墊片填隙結(jié)構(gòu)的210%。

3.3 疲勞壽命分析

將實(shí)驗(yàn)所得疲勞壽命結(jié)果匯總于表2中。可以看出，隨間隙值增加，結(jié)構(gòu)的疲勞壽命逐漸降低；對(duì)比序號(hào)1和序號(hào)2兩組結(jié)果可以看出，同種間隙下，非對(duì)稱(chēng)形式混合墊片填隙時(shí)，結(jié)構(gòu)的疲勞壽命有所下降，其中間隙值為0.8mm時(shí)，疲勞壽命下降19.07%。這可能是因?yàn)椴捎梅菍?duì)稱(chēng)形式混合墊片進(jìn)行填隙補(bǔ)償會(huì)加重結(jié)構(gòu)載荷偏心引起的載荷在螺栓表面分布不均，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞壽命進(jìn)一步降低。

3.4 孔變形量分析

依據(jù)測(cè)量所得孔變形量數(shù)據(jù)如圖10所示。各組參數(shù)下構(gòu)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(guò)程中，移動(dòng)加載端與固定夾持端不完全在同一條直線上，結(jié)構(gòu)所受載荷實(shí)際上為偏心載荷，導(dǎo)致與加載端復(fù)合材料板相接觸的螺栓所承受的載荷較大。在經(jīng)歷較低循環(huán)次數(shù)時(shí)，孔變形非對(duì)稱(chēng)性較弱，這是因?yàn)榧虞d初期的孔徑快速伸長(zhǎng)變形是由制孔缺陷、構(gòu)件內(nèi)部不均勻的高應(yīng)力等原因造成的。孔變形受自身質(zhì)量的影響較大，而隨著載荷循環(huán)次數(shù)的增加，間隙值及混合墊片的影響才逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，這也證明混合墊片對(duì)單搭接接頭疲勞性能的影響主要體現(xiàn)在孔徑緩慢增長(zhǎng)階段。當(dāng)采用非對(duì)稱(chēng)形式的混合墊片進(jìn)行填隙時(shí)，墊片材料剛度的非對(duì)稱(chēng)性會(huì)加重單搭接結(jié)構(gòu)在承受拉-拉載荷后的載荷偏心效應(yīng)，導(dǎo)致兩板對(duì)螺栓的剪切作用進(jìn)一步增強(qiáng)，從而導(dǎo)致孔變形的非對(duì)稱(chēng)性增強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）混合墊片的對(duì)稱(chēng)性對(duì)于接頭的拉伸極限載荷、拉伸剛度并無(wú)明顯影響。

2）液體墊片厚度較厚的一側(cè)復(fù)合材料表面應(yīng)變集中較嚴(yán)重。結(jié)構(gòu)載荷值達(dá)極限載荷時(shí)，非對(duì)稱(chēng)形式混合墊片填隙結(jié)構(gòu)孔周縱向壓縮應(yīng)變量可達(dá)對(duì)稱(chēng)形式混合墊片填隙結(jié)構(gòu)的210%。

3）采用非對(duì)稱(chēng)形式混合墊片進(jìn)行填隙時(shí)，結(jié)構(gòu)孔變形的非對(duì)稱(chēng)性更強(qiáng)；同時(shí)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命略有下降，其中間隙值為0.8mm時(shí)，疲勞壽命下降19.07%；且間隙值越大，上述影響愈發(fā)明顯。

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收稿日期：20230210