复合材料-金属机械连接性能研究.pdf

　复合材料一金属机械连接性能研究　２０１５年４月　　复合材料－金属机械连接性能研究　　　　　贾云超，关志东，宋晓君　　　　（１．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京１０００９１；　　　　　２．中航工业沈阳飞机设计研究所，沈阳１１００３５）　　摘要：对不同类型的连接件进行了试验研究，得到了破坏模式和破坏载荷，使用超声波损伤检测的方法，观察了孔边的挤　压破坏情况。基于ＡＢＡＱＵＳ有限元软件，建立了有限元模型，分析了钉头形式（凸头、埋头），有无补偿垫片和连接形式对机械　　　　连接性能的影响。研究表明，使用凸头钉比埋头钉，能使破坏载荷能提高３０％左右；使用补偿垫片能够提高连接件的承载能　力；使用双钉连接较单钉连接，破坏载荷能提高一倍左右。　关键词：复合材料；金属；机械连接；挤压破坏；有限元分析　　中图分类号：ＴＢ３３２　　　文献标识码：Ａ　　———　文章编号：１００３０９９９（２０１５）０４００６６０６　　　　复合材料具有比强度比刚度高、材料力学性能　　　　　　　　可设计性等优点，是轻质高效结构设计的理想材料¨　　Ｊ。飞机结构中复合材料与金属的机械连接是必　不可少的，而影响复合材料连接强度的因素有很多，　　　国内外学者对此做了许多研究。　　　　　　　　ＡｋｔａｓＡ等对两种不同铺层形式的碳纤维　　增强环氧树脂基复合材料层板的销钉连接挤压强度　　　进行了试验研究，试验包括静载荷和疲劳载荷两种　　　　　　　工况。Ｅ．Ｍａｄｅｃｉ等对复合材料层合板的多钉连　　　’　　接进行了研究。ＥｋｈＪｏｈａｎ等发展了结构有限元　　方法来有效模拟多钉、单搭接、复合材料．铝连接结　　　　　　　　构，准确地预测了紧固件的载荷分配。Ａ．ＲＩＣＣＩＯ　　　等对拉伸载荷下单搭接复合材料螺栓连接损伤　　　　起始和演化进行了试验研究，考察了钉头形式、螺栓　　　　　　　直径和不同材料连接对结果的影响。Ｓｈｏｋｆｉｃｈ和　　　　　　Ｌｅｓｓａｒｄ等１０，１１］建立了一种基于三维有限元模型的　　渐进损伤疲劳分析方法，预测了复合材料层合板接　　　　　头的疲劳性能。ＨｕａｎｇＣｈａｎｇｌｉ等，研究了复合　　材料螺栓连接结构的承载能力和失效形式。刘兴科　　　　等研究了金属和复合材料多钉连接的载荷分配　问题。杨旭等¨　　　　提出了一种适于设计计算使用的　　　　复合材料层板多钉机械连接强度分析方法。张震　　等副研究了多钉连接复合材料板钉传载荷的估算。　　　影响机械连接性能的因素有很多，国内外对影　响金属与复合材料混合结构机械连接性能的因素的　　　研究较少。本文通过试验研究和有限元分析，考察　　各因素对复合材料．金属机械连接性能和破坏载荷　的影响。　　　１试验　　１．１试验件　　　试验件为复合材料和金属的连接件，共５种类　　　　型，如表１所示。复合材料板和金属板的厚度均为　　　　４ｍｍ，紧固件的直径为６ｍｍ。铺层比例为０。：￣４５。：　　　　　　９０。＝２５％：５０％：２５％。试验件的形式如图１和图２　　　所示，具体参数见表２和表３。试验件的变量包括　　　　　紧固件的钉头形式（凸头、埋头）、是否有补偿垫片　　　　（连接件中金属与复材之间的垫片）和连接形式（单　　钉单剪、双钉单剪）。　　　　袁１试验件类型　　　　　　Ｔａｂｌｅ１Ｔｙｐｅｓｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　　　　图１单钉单剪试验件　　　　—　　Ｆｉｇ．１Ｓｉｎｇｌｅｂｏｌｔｅｄｓｉｎ￣ｅｌａｐｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　　——　收稿日期：２０１４１０２０　　　　　　　作者简介：贾云超（１９９０一），男，硕士，主要从事复合材料力学和结构方面的研究。　　叼细　１０　损伤单曲层压壳胶接修复结构力学性能测试与分析　２０１５年４月　　　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎａｃｔｕａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｔｈｅｒｅａｒｅａｌｏｔｏｆｃｕｒｖｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗｉｔｈｌａｒｇｅｃｕｒｖａｔｕｒｅ．　　　　　　　　　　　　　　　　　—　Ｄｕｅｔｏｉｔｓｓｐｅｃｉａｌｓｈａｐｅａｎｄａｅｒｏｄ￣ｒｎａｍｉｃｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｐａｔｃｈｂｏｎｄｅｄｒｅｐａｉｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｍｃａｎｎｏｔｂｅｓｉｍ　　　　　　　　　　　　　　　ｐｌｙｅｑｕａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｐｌａｎａｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｌａｍｉｎａｔｅｓｈｅｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｆｏｒｗｈｉｃｈｔｈｅｓｉｚｅ（１ｅｎｇｔｈｘ　　　　　　　　　　　　　　ｒａｄｉｕｓｘｃｅｎｔｒａｌａｎｇｌｅ）ｉｓ３００ｍｍＸ５０ｍｍｘＰＩ／３ｒａｄａｎｄｃｏｎｔａｉｎｓａｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｈｏｌｅｏｆ２０ｍｍｄｉａｍｅｔｅｒｉｎｔｈｅｃｅｎｔｅｒ，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｔｗｏｔｙｐｅｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐａｔｃｈｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｒｅｐａｉｒｉｔ．Ａｎｄｔｈｅｎ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｌａｍｉｎａｔｅｓｈｅｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗａｓｉｎ＝　　　　　　　　　　　　　　　　ｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ．Ｇｅｎｅｒａｌｌｙ，ｔｈｅｈｏｌｅｉｎｔｈｅｌａｍｉｎａｔｅｓｈｅｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃａｎｒｅｄｕｃｅａｇｒｅａｔｌｏｓｓｏｆｔｈｅｆａｉｌｕｒｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ａｎｄｔｈｅｌｏｓｓｒａｔｅｃａｎｒｅａｃｈｍｏｒｅｔｈａｎ６１％；ｗｈｉｌｅｔｈｅｓｔａｔｉｃｍｅｃｈａｎｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｂｏｎｄｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　　　　　　　　　　　　　　　　　　ａｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｓｔａｔｉｃｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｔｈｅｂｏｎｄｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｃｏｕｌｄｂｅｔｈｅｓａｍｅａｓｔｈｅ　ｐｅｒｆｅｃｔｏｎｅｓ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｃｕｎｅａ　　　ｌｐａｔｃｈｉｓｂｅｎｅｆｉｃｉａ　　　　　　　　　　　　　ｌｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｔｒｅｓｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐａｔｃｈａｎｄｍｏｔｈｅｒｐｌａｔｅｉｎ　　　ｒｅｐａｉｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．　　　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｕｒｖｅｄｌａｍｉｎａｔｅ；ｓｈｅｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ａｄｈｅｓｉｖｅｂｏｎｄｅｄｐａｔｃｈｒｅｐａｉｒ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｉｓ　　（上接第７０页）　　　　　　　　［１０］ＳｈｏｋｒｉｅｈＭＭ，ＬｅｓｓａｒｄＬＢ．Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅｆａｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅｍｏｄｅｌｉｎｇ　　　　　　ｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｐａｒｔＩ：ｍｏｄｅｌｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａ　ｌｓ，２０００，３４：１０５６－１０８０．　　　　　　　　［１１］ＳｈｏｋｒｉｃｈＭＭ，ＬｅｓｓａｒｄＬＢ．Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅｆａｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅｍｏｄｅｌｉｎｇ　　　　　　　　ｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｐａｒｔＩＩ：ｍａｔｅｒｉａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｍｏｄｅｌ　　　　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０００，３４：　　１０８１．１１１６．　　　　　　［１２］ＷａｎｇＨｏｎｇｓｈｅｎｇ，ＨｕｎｇＣｈａｎｇｌｉ，ＣｈａｎｇＦｕｋｕｏ．ＢｅａｒｉｎｇＦａｉｌｕｒｅｏｆ　　　　　ＢｏｌｔｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅＪｏｉｎｔｓ．ＰａｒｔＩ：ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．　　　—　ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓ，１９９６，３０（１２）：１２８４１３１３．　　　　　　　［１３］ＨｕｎｇＣｈａｎｇｌｉ，ＣｈａｎｇＦｕｋｕｏ．ＢｅａｒｉｎｇＦｍｌｕｍｏｆＢｏｌｔｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅ　　　　　　—　Ｊ０ｉｎｔｓ．ＰａｒｔＩＩ：ＭｏｄｅｌａｎｄＶｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａ　ｔｅｒｉａｌｓ，１９９６，３０（１２）：１３５９－１４００．　　　　　　　　［１４］刘兴科，李亚智，刘向东，等．金属和复合材料多钉连接载荷分　　—　配研究［Ｊ］．航空工程进展，２０１１，２（２）：１９３１９８．　　　　［１５］杨旭，章怡宁，许希武．复合材料层板多钉机械连接强度计算方　　　　法［Ｊ］．航空学报，１９９８，１９（１）：２４－２９．　［１６］张震，吕志国，文潘涛，等．多钉连接复合材料板钉传载荷的估　　—　算［Ｊ］．科学技术与工程，２００７，７（１０）：２１９７２２００．　　　　　　　　　ＳＴＵＤＹＯＮＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥＯＦＣＯＭＰＯＳＩＴＥ－ＭＥＴＡＬＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＪＯＩＮＴＳ　—　　—　　　ＪＩＡＹｕｎｃｈａｏ。，ＧＵＡＮＺｈｉｄｏｎｇ，ＳＯＮＧＸｉａｏ－ｊｕｎ　　　　　　　　　　　（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，　　Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ；　　　　　　　　　　　　２．ＳｈｅｎｙａｎｇＡｉｒｃｒａｆｔＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｉｎａＡｖｉａｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００３５，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｋｉｎｄｓｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅａｎｄｔｈｅｄａｍａｇｅｌｏａｄ．Ｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｓｈｏｗｔｈｅｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｂｅａｔｉｎｇｄａｍａｇｅｎｅａｒ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｔｈｅｈｏｌｅ．ＡｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｂｙＡＢＡＱＵＳｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｐｏｉｎｔｏｕｔｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｏｌｔｔｙｐｅｓ　　　　　　　　　　　　　　　（ｐｒｏｔｒｕｄｉｎｇａｎｄｃｏｕｎｔｅｒｓｕｎｋｊｏｉｎｔｓ），ｗｉｔｈｏｒｗｉｔｈｏｕｔｇａｓｋｅｔａｎｄｊｏｉｎｔｔｙｐｅｓｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｊｏｉｎｔｓ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｓｈｏｗｓ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｔｒｕｄｉｎｇｊｏｉｎｔｓａｒｅａｂｌｅｔｏｓｕｓｔａｉｎ３０％ｍｏｒｅｌｏａｄｔｈａｎｔｈｅｃｏｕｎｔｅｒｓｕｎｋｏｎｅｓａｎｄｔｈｅｊｏｉｎｔｓｗｉｔｈｇａｓｋｅｔ　　—　　—　　　　　—　　　　　ｈａｖｅｈｉｇｈｅｒｌｏａｄｃａｒｒｙｉｎｇｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｄｏｕｂｌｅｂｏｌｔｊｏｉｎｔｓｃａｎｄｏｕｂｌｅｔｈｅｌｏａｄｃａｒｒｙｉｎｇｃａｐａｂｉｌｉｔｙａｓｃｏｍｐａｒｅｄｔｏ　—　　ｔｈｅｓｉｎｇｌｅｂｏｌｔｊｏｉｎｔｓ．　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｍｅｔａｌ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｊｏｉｎｔｓ；ｂｅａｒｉｎｇｄａｍａｇｅ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ