豆廣征，劉 峰，王卓煜，李雪江

(中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

復(fù)合材料因具有比強(qiáng)度高、比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。近年來，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中采用復(fù)材制造的部件從艙門、垂尾等次承力部件逐漸過渡到機(jī)身、機(jī)翼等主承力部件[1]。螺栓連接以其承載能力高、易拆卸等特點(diǎn)，成為復(fù)合材料最重要的連接形式之一。常用的層合復(fù)合材料具有正交各向異性力學(xué)特征，復(fù)材螺栓連接強(qiáng)度問題成為影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵問題之一。大量實(shí)驗(yàn)和工程案例表明，連接部位通常是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，對連接進(jìn)行準(zhǔn)確的失效分析和強(qiáng)度預(yù)測是保障結(jié)構(gòu)安全的必要條件。復(fù)材螺接失效預(yù)測主要分為2步：通過試驗(yàn)測定法或計(jì)算分析法給出外載荷作用下釘載的分配情況；對應(yīng)力水平最高的一些關(guān)鍵孔進(jìn)行失效分析。另外，復(fù)合材料鋪層順序、螺栓擰緊力矩等因素也對連接強(qiáng)度有較大影響，國內(nèi)外學(xué)者也對此進(jìn)行了較為深入的研究[2-4]。

本文對復(fù)合材料螺接結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理、分析方法以及強(qiáng)度影響因素進(jìn)行了綜述，并對未來的相關(guān)研究方向進(jìn)行了展望，為復(fù)材螺接結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 失效形式

復(fù)材螺接結(jié)構(gòu)中，被連接板一般有2種受載方式：剪切和拉伸。2種載荷下螺栓都受剪切載荷作用。該結(jié)構(gòu)失效模式主要有層合板的拉伸、擠壓、剪切和劈裂破壞及螺栓的剪切、拉脫破壞。其中，層合板的拉伸破壞是全局性失效，主要是層合板寬度過小、鋪層過少或垂直于載荷方向鋪層比例過大造成。擠壓破壞出現(xiàn)在層合板緊固件孔壁，屬于局部損傷；剪切破壞和劈裂破壞作為2種低強(qiáng)度破壞會(huì)導(dǎo)致連接完全失效，應(yīng)避免發(fā)生。螺栓的彎曲失效和剪斷破壞一般出現(xiàn)在層合板厚度與螺栓直徑之比較大時(shí)。在實(shí)際中，往往2～3種破壞模式同時(shí)發(fā)生，例如拉伸-剪切、擠壓-剪切等[5]。復(fù)合材料螺栓連接失效形式如圖1所示。

2 釘載分配

在幾何構(gòu)型相同的情況下，復(fù)合材料應(yīng)力集中情況較金屬板更明顯。對于復(fù)合材料層合板多釘連接結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確地預(yù)測釘載分配成為復(fù)合材料連接技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)。確定釘載分配的方法主要有2類：試驗(yàn)測定法和計(jì)算分析法。試驗(yàn)測定法主要有應(yīng)變計(jì)電測法和測量螺栓法[6]；計(jì)算分析法主要為有限元法。

a) 單一型破壞形式

b) 混合型破壞形式

2.1 試驗(yàn)測定法

應(yīng)變計(jì)電測法確定釘載是一種間接測量方法。通過在試驗(yàn)件寬度方向黏貼應(yīng)變片，得到截面上應(yīng)變分布規(guī)律，進(jìn)而計(jì)算釘載分配。V. P. Lawlor等[7]通過應(yīng)變計(jì)電測法研究了單排三釘雙搭連接接頭中，釘載分配受螺孔間隙量的影響；劉向東等[8]用應(yīng)變計(jì)電測法獲得了連接件應(yīng)變分布，估算了釘載分配，并與有限元分析方法分析結(jié)果作了對比，應(yīng)變測量情況比較吻合，但釘載分配結(jié)果存在較大偏差。

B. Palmberg[9]提出的測量螺栓法是目前應(yīng)用最廣泛的釘載測試技術(shù)，在釘孔兩側(cè)開槽，并將應(yīng)變片粘貼在槽內(nèi)剪切面兩側(cè)沿±45°方向，在結(jié)構(gòu)承載過程中，測量螺栓剪應(yīng)變并基于螺栓輸出應(yīng)變與載荷對應(yīng)關(guān)系確定傳遞的載荷如圖2所示。V. P. Lawlor等采用測量螺栓法并對復(fù)合材料層合板三釘單剪連接接頭釘載分配問題進(jìn)行了研究。J. Ekh等[10]采用測量螺栓法獲得了復(fù)合材料-鋁板四釘單剪連接的釘載分配，試驗(yàn)測定數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果高度一致。

圖2 測量螺栓法

測量螺栓法相較于應(yīng)變計(jì)電測法，在安裝精度上有著更高的要求，同時(shí)也表現(xiàn)出更好的測量精度。

2.2 計(jì)算分析法

有限元法是目前最常用的釘載分配分析方法，該方法考慮連接板與螺栓接觸面上由接觸面變化和摩擦作用引起的接觸非線性問題，在模擬層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)時(shí)具有更高的真實(shí)性。根據(jù)有限元模型單元維數(shù)不同對有限元模擬法進(jìn)行分類。一類是將連接板和螺栓用低維單元模擬建立有限元模型，J. Ehk等[11]采用一維單元梁模型模擬層合板和螺栓。劉向東等將層合板用Shell99殼單元模擬，螺栓用Beam188梁單元模擬，研究釘載分配特性。二維有限元模擬法模擬連接條件，計(jì)算方便，結(jié)果可靠。但在研究釘載分配影響因素時(shí)，需要附加單元或約束。另一類是J. Kim等[12]采用的三維實(shí)體有限元建模。該類模型對螺栓和連接板之間的接觸進(jìn)行了詳細(xì)定義[13-15]，載荷分配計(jì)算結(jié)果精度高，并且可以模擬幾何參數(shù)及外界因素對載荷分配的影響，但模型劃分復(fù)雜，計(jì)算效率降低。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，P. J. Gray等[16]提出了全局螺栓連接模型，即對于螺栓及螺孔附近區(qū)域采用三維單元建模，其余部分采用二維單元建模，且對連接板和螺栓之間用剛性接觸面進(jìn)行耦合。該模型在確保預(yù)測精度的前提下，大大提高了計(jì)算效率，充分發(fā)揮了有限元法的優(yōu)勢，但剛性接觸面無法模擬接觸應(yīng)變，無法對復(fù)材板的漸進(jìn)損傷進(jìn)行分析。

有限元法能夠真實(shí)地模擬層合板螺栓連接，且相較于試驗(yàn)測定法，在計(jì)算效率以及預(yù)測精度上存在明顯優(yōu)勢，因此有限元法成為了目前最常用的釘載分配預(yù)測方法。

3 失效預(yù)測

復(fù)合材料螺接結(jié)構(gòu)失效預(yù)測方法主要有強(qiáng)度包線法、特征曲線法和漸進(jìn)損傷法。強(qiáng)度包線法是一種經(jīng)驗(yàn)法，采用破壞包線評定螺栓連接強(qiáng)度；特征曲線法和漸進(jìn)損傷法屬于分析方法，采用材料失效準(zhǔn)則通過強(qiáng)度分析進(jìn)行預(yù)測。

3.1 強(qiáng)度包線法

強(qiáng)度包線法是一種工程應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)方法，由L. J. Harm-smith等[17]通過大量試驗(yàn)總結(jié)提出，能夠方便預(yù)測螺栓連接擠壓強(qiáng)度(見圖3中ACE段)。另外，L. J. Hart-smith等在研究層合板拉伸破壞時(shí)，給出了多釘連接板拉伸破壞強(qiáng)度包線方程：

Kbcσbr+Ktcσby=[σt]

(1)

式中，Ktc為應(yīng)力集中縮減系數(shù)；σbr和σby分別為擠壓應(yīng)力和旁路應(yīng)力；[σt]為無缺口層壓板的拉伸強(qiáng)度。

圖3 強(qiáng)度包絡(luò)線

該方法通過找出與所研究復(fù)合材料同樣形狀的各向同性材料，計(jì)算其理論彈性應(yīng)力集中系數(shù)，結(jié)合復(fù)合材料試件試驗(yàn)結(jié)果所得應(yīng)力集中縮減系數(shù)Ktc確定應(yīng)力減緩因子，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算Kbc值。

Liu等[18]對L. J. Hart-smith等所提強(qiáng)度包線法進(jìn)行了改進(jìn)，考慮了旁路載荷對擠壓強(qiáng)度的影響，如圖3中AHE段所示，直線AH的斜率由拉伸和壓縮尺度因子決定，試驗(yàn)表明該模型對于失效模式以及破壞載荷預(yù)測更準(zhǔn)確。趙麗濱等[19]提出以漸進(jìn)損傷分析代替應(yīng)力集中減緩因子C測定實(shí)驗(yàn)，基于數(shù)值分析建立強(qiáng)度包線，預(yù)測多釘連接失效模式和失效載荷。該方法與傳統(tǒng)強(qiáng)度包線法預(yù)測結(jié)果具有良好的一致性。

3.2 特征曲線法

J. M. Whitney等[20]在研究復(fù)材結(jié)構(gòu)時(shí)，首先提出特征尺寸的概念，并延伸建立特征曲線法：用孔邊以某種函數(shù)表達(dá)的曲線上的應(yīng)力代入失效準(zhǔn)則確定機(jī)械強(qiáng)度；R. J. Nusimer等[21]將該失效分析法引入實(shí)際應(yīng)用中；F. K. Chang等[22]將復(fù)材結(jié)構(gòu)特征長度法進(jìn)行延伸，結(jié)合點(diǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則，提出了具有余弦形式的特征曲線(見圖4)，表達(dá)式為：

rc(θ)=r0+Rt+(Rc-Rt)cosθ

(2)

3.3 漸進(jìn)損傷法

漸進(jìn)損傷法很好地揭示了復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)失效機(jī)理。該方法預(yù)測螺栓連接強(qiáng)度主要分為如下步驟：復(fù)合材料層合板建模，應(yīng)力分布計(jì)算，選取失效準(zhǔn)則判斷材料是否發(fā)生失效，具體分析流程圖如圖5所示。

圖4 余弦變化的特征曲線

圖5 漸進(jìn)損傷法分析流程圖

漸進(jìn)損傷法發(fā)展歷程中，F(xiàn). K. Chang等[23]首次提出用漸進(jìn)損傷法對復(fù)材螺接結(jié)構(gòu)進(jìn)行失效預(yù)測研究，有效模擬了螺接結(jié)構(gòu)在承受拉伸、擠壓、剪切條件下的初始損傷及失效過程。P. P. Camanho等[24]對復(fù)合材料機(jī)械連接漸進(jìn)損傷法研究進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為目前有限元模型并不理想，對接觸、摩擦等因素考慮不完善。U. M. Yan等[25]建立有限元模型，運(yùn)用漸進(jìn)損傷法研究了拉伸作用下，復(fù)材螺接結(jié)構(gòu)鋪層方向、墊片尺寸等對連接強(qiáng)度的影響。M. L. Dano等[26]研究不同失效準(zhǔn)則對連接強(qiáng)度的影響。M. M. Shokrich等[27]運(yùn)用漸進(jìn)損傷法預(yù)測螺栓接頭的疲勞性能。

漸進(jìn)損傷法發(fā)展已較為成熟，該方法預(yù)測精度受到幾何模型準(zhǔn)確性、強(qiáng)度準(zhǔn)則、剛度折減系數(shù)的影響很大，目前仍未具有統(tǒng)一的失效準(zhǔn)則和材料退化方法。

4 連接強(qiáng)度影響因素

4.1 鋪層方式

航空飛行器結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料層壓板一般采用0°、±45°、90°4種鋪層角，各鋪層角所占比例以及順序?qū)雍习暹B接強(qiáng)度有著重要影響。H. J. Park[28]通過研究鋪層順序?yàn)閇906/06]S和[06/906]S兩種層合板，發(fā)現(xiàn)[906/06]S相較于[06/906]S連接強(qiáng)度高出100%，并且在分析[903/±453/03]s、[903/03/±453]s、[03/±453/903]s3種層合板強(qiáng)度時(shí)，得出[903/±453/03]s具有最大極限擠壓強(qiáng)度，[903/03/±453]s具有最大層間強(qiáng)度。

王丹勇等[29]選取同文獻(xiàn)[30]中9種試驗(yàn)件進(jìn)行計(jì)算與實(shí)驗(yàn)，分析了各鋪層損傷機(jī)理。通常損傷區(qū)先出現(xiàn)纖維和基體剪切損傷，隨后誘發(fā)基體斷裂。參數(shù)化三維漸進(jìn)損傷模型計(jì)算結(jié)果表明：0°、90°、±45°鋪層比例均衡的層合板連接強(qiáng)度一般高于其他鋪層方案。顧亦磊等[31]認(rèn)為在螺栓連接中可以通過改善90°鋪層和0°鋪層比例，改善層合板的連接性能。

鋪層方式作為復(fù)合材料的設(shè)計(jì)參數(shù)，對層合板力學(xué)性能有著很大影響。將90°鋪層置于表面層、選擇比例均勻的0°、90°、±45°以及基于層合板抗拉能力和抗劈裂能力的要求選擇90°或0°鋪層等，都可以有效提高層合板的連接強(qiáng)度。

4.2 擰緊力矩

圖6給出了HTS/RLA4617碳纖維復(fù)合材料層合板擠壓強(qiáng)度隨側(cè)向約束的變化[32]。當(dāng)側(cè)向約束達(dá)到22 MPa后，連接強(qiáng)度沒有隨著側(cè)向約束變化而明顯提高。顧亦磊[33]和張岐良等[34]研究不同擰緊力矩對連接強(qiáng)度影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)連接強(qiáng)度隨著擰緊力矩增加而增大，但存在極限值，超過該值后增加擰緊力矩反而會(huì)降低連接強(qiáng)度。另外，施加擰緊力矩會(huì)使墊片產(chǎn)生壓應(yīng)力，可以緩解復(fù)合材料分層破壞以及由螺栓桿擠壓導(dǎo)致0°層纖維的彎曲，進(jìn)而提高層合板中薄弱層的擠壓強(qiáng)度。

圖6 擠壓強(qiáng)度隨側(cè)向約束變化

5 總結(jié)與展望

5.1 結(jié)論

本文綜述了復(fù)材螺接結(jié)構(gòu)失效形式，并對螺接性能相關(guān)的釘載分配、失效預(yù)測和強(qiáng)度影響因素等研究進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論。

1)現(xiàn)有的釘載分配試驗(yàn)測試法中，測量螺栓法測定數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果高度一致，得到了研究人員的廣泛認(rèn)可。作為分析方法的有限元法，通過精確模擬螺栓與層合板之間的接觸行為，可建立更為真實(shí)的模型，釘載分配預(yù)測結(jié)果精度較高。

2)3種失效預(yù)測方法中，強(qiáng)度包線法和特征曲線法因其簡單方便的特點(diǎn)在工程上被廣泛應(yīng)用。漸進(jìn)損傷法在預(yù)測螺接失效行為上表現(xiàn)更好，可以清楚了解材料損傷情況及其擴(kuò)展過程。

3)螺接強(qiáng)度影響因素較多，各角度鋪層比例均勻時(shí)，層合板性能最好；螺孔配合為-0.2%～0.3%時(shí)，接頭強(qiáng)度最理想。

5.2 展望

1)有限元分析模型在復(fù)材螺接結(jié)構(gòu)研究中充當(dāng)著重要角色，有必要建立更加精確的模型，為釘載分配預(yù)測和漸進(jìn)失效分析建立可靠基礎(chǔ)。

2)目前研究一般僅考慮單一因素對螺栓連接強(qiáng)度的影響，實(shí)際上不同因素之間存在耦合。研究多變量對螺接性能影響，得到復(fù)材螺接結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度的最佳參數(shù)值是未來的研究方向。