卓 越， 關(guān)志東， 譚日明， 郭 俊

(北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

纖維金屬層板是由金屬薄板和纖維增強(qiáng)樹(shù)脂交替鋪疊而成的先進(jìn)航空結(jié)構(gòu)材料。荷蘭Delft大學(xué)和Fokker公司首先研制出纖維金屬層板，早期的纖維金屬層板是由芳綸纖維和鋁合金制成的Arall層板，在此基礎(chǔ)上采用高強(qiáng)度S－2型玻璃纖維代替芳綸纖維研制出玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層板GLARE［1］。

由于其金屬與纖維樹(shù)脂交替鋪疊的特殊結(jié)構(gòu)形式，GLARE層板密度低，疲勞特性好，具備良好抗腐蝕和防火特性。而GLARE層板拉伸強(qiáng)度隨應(yīng)變速率增大而增加，當(dāng)其受高速?zèng)_擊(如鳥(niǎo)撞)時(shí)仍具備良好的抗沖擊特性［2］。另外，GLARE層板具備良好的可設(shè)計(jì)性，可以通過(guò)調(diào)整鋪層比例和纖維方向最大程度滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性要求?；谏鲜鰞?yōu)異特性，GLARE層板引起各國(guó)飛機(jī)設(shè)計(jì)人員的高度關(guān)注，并已成功應(yīng)用在A(yíng)380機(jī)身蒙皮上，實(shí)現(xiàn)減重 800kg［3］。

由于螺栓連接和鉚釘連接處是結(jié)構(gòu)潛在薄弱位置，GLARE層板連接性能研究對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和高效性具有重要意義。與傳統(tǒng)復(fù)合材料類(lèi)似，纖維金屬層板連接損傷特性受鋪層形式影響較大，因此研究鋪層形式對(duì)層板連接特性的影響對(duì)纖維金屬層板在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用上具有重要作用。

連接性能研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵是擠壓性能，外國(guó)學(xué)者從實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬兩個(gè)方面對(duì)GLARE層板擠壓性能進(jìn)行了大量研究。Slagter［4］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究GLARE層板擠壓性能，發(fā)現(xiàn)孔邊擠壓區(qū)域的層間正應(yīng)力導(dǎo)致分層起始，并且分層先于各鋪層屈曲發(fā)生，他認(rèn)為層板分層達(dá)到預(yù)定范圍，鋁層將發(fā)生屈曲從而導(dǎo)致連接破壞。大量學(xué)者［5～7］研究了寬度、端距、厚度等幾何尺寸對(duì)GLARE層板連接性能的影響。Wu等［8］通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，提出發(fā)揮纖維金屬層板擠壓極限強(qiáng)度的幾何設(shè)計(jì)要求。Krimbalis等［9］通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出玻璃纖維預(yù)浸料屈曲載荷遠(yuǎn)小于鋁合金薄板，由此推斷纖維鋪層對(duì)層板擠壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)微弱。Frizzell等［10～13］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了GLARE層板擠壓漸進(jìn)損傷并通過(guò)有限元取得了較好的模擬結(jié)果。國(guó)外對(duì)GLARE層板擠壓性能的研究已相對(duì)成熟，但因?yàn)閺?fù)合材料性能受成型、加工工藝等因素影響較大，因此對(duì)于國(guó)產(chǎn)GLARE層板性能的研究，不能完全套用國(guó)外的研究成果。

為研究GLARE層板擠壓性能，本工作對(duì)三種鋪層形式的國(guó)產(chǎn)GLARE層板進(jìn)行單釘雙剪實(shí)驗(yàn)，通過(guò)超聲C掃描、斷口微距拍攝和掃描電子顯微鏡對(duì)層板孔邊的擠壓漸進(jìn)損傷、分層擴(kuò)展及最終破壞進(jìn)行觀(guān)測(cè)，分析鋪層形式對(duì)GLARE層板擠壓強(qiáng)度、模量、損傷過(guò)程和破壞模式的影響。

1 試件及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

GLARE材料是由鋁合金薄板與玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料交替鋪疊形成，擠壓載荷作用下各鋪層間各自承載同時(shí)又相互影響，最終表現(xiàn)為宏觀(guān)的力學(xué)行為。為研究鋪層對(duì)層板擠壓性能的影響，文獻(xiàn)［14］提出的金屬體積分?jǐn)?shù) MVF(metal volume fraction)概念應(yīng)用最為廣泛，MVF值被定義為:

式中:Al為鋁合金;tAl為單層鋁合金板厚度;tlam為玻璃纖維鋁合金層板厚度;p為鋁合金板的層數(shù)。以此方法可以得到各向纖維鋪層體積分?jǐn)?shù)。

表1 GLARE層板連接孔擠壓試件信息Table 1 List of pin－bearing experiment specimens in GLARE laminates

圖1 GLARE層板連接孔擠壓實(shí)驗(yàn)夾持及加載系統(tǒng)Fig.1 Clamping and loading system of pin－bearing experiment on GLARE laminates

設(shè)計(jì)制造表1所列纖維金屬比例基本相同、鋪層方式不同的單釘雙剪試件，其中b為層板名義厚度，d為開(kāi)孔直徑。試件由國(guó)產(chǎn)S－4型玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料和2024－T3薄板經(jīng)熱壓灌層壓而成。鋁板名義厚度 0.254mm，纖維預(yù)浸料名義厚度0.15mm，纖維體積含量73%。試件面內(nèi)尺寸和實(shí)驗(yàn)方法均按照 ASTM D5961/D5961M—05［15］標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)采用圖1標(biāo)準(zhǔn)夾具夾持，在濟(jì)南時(shí)代試金WDW－200E型材料試驗(yàn)機(jī)上加載，加載過(guò)程中采用東測(cè)WY－10/50－SL型電子引伸計(jì)測(cè)量層板擠壓變形。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

首先進(jìn)行GLARE層板連接孔擠壓破壞實(shí)驗(yàn)，觀(guān)測(cè)層板擠壓失效特性和最終破壞模式，并得到其擠壓強(qiáng)度;然后針對(duì)其余試件施加不同大小的擠壓載荷，加載完成后對(duì)試件進(jìn)行超聲檢測(cè)，再對(duì)試件進(jìn)行切片，并用掃描電子顯微鏡觀(guān)測(cè)，分析GLARE層板擠壓過(guò)程中鋁板、纖維預(yù)浸料內(nèi)部損傷和分層的相互關(guān)系以及對(duì)層板擠壓承載能力和破壞模式的影響。

切片位置如圖2所示，實(shí)驗(yàn)觀(guān)察剪豁破壞試件的擠壓和剪豁截面，凈拉伸破壞試件擠壓和凈拉伸界面以及擠壓破壞試件的擠壓截面。約定加載方向?yàn)樵嚰v向，垂直載荷方向?yàn)樵嚰M向。

圖2 斷口分析截面示意Fig.2 Definition of planes of interest

2 GLARE層板擠壓漸進(jìn)損傷特性

2.1 擠壓破壞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

共進(jìn)行3組擠壓破壞實(shí)驗(yàn)，表2所示為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中S為層板釘孔名義截面積，Cv為離散系數(shù)，離散系數(shù)表明實(shí)驗(yàn)具有較好的重復(fù)性。三組實(shí)驗(yàn)所得載荷－位移曲線(xiàn)基本一致，以每組1號(hào)試件為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 GLARE層板擠壓實(shí)驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.3 Experimental bearing stress－strain curves of the bearing test specimen

擠壓初始階段，層板孔邊變形隨載荷線(xiàn)性增加，發(fā)生初始損傷后，層板剛度下降，應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)斜率減小。損傷擴(kuò)展階段，孔邊變形隨加載繼續(xù)增加，達(dá)到最大載荷后，層板剛度降為零，層板應(yīng)力逐漸降低，最終發(fā)生破壞。由圖3中應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)可知，擠壓初始階段纖維鋪層方式不同的三組層板擠壓剛度基本相同，損傷起始后，各鋪層層板應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)產(chǎn)生較大差異。結(jié)合文獻(xiàn)［11］可以推斷擠壓初始階段層板主要依靠鋁層承載，鋁層發(fā)生屈服后，纖維鋪層方式影響層板力學(xué)性能。

為研究鋪層形式對(duì)層板擠壓損傷性能的影響，在破壞實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上每組層板各取3件進(jìn)行分級(jí)加載實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)超聲C掃描、斷口微距拍攝和掃描電子顯微鏡對(duì)層板孔邊的擠壓漸進(jìn)損傷、分層擴(kuò)展及最終破壞進(jìn)行觀(guān)測(cè)，分析鋪層形式對(duì)GLARE層板擠壓強(qiáng)度、模量、損傷過(guò)程和破壞模式的影響。

表2 GLARE層板連接孔擠壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Pin－bearing test results of GLARE laminates

2.2 GLARE 2A層板連接孔擠壓漸進(jìn)損傷特性

選取最大載荷58%、93%、100%為目標(biāo)載荷進(jìn)行分級(jí)加載，并結(jié)合破壞試件進(jìn)行擠壓漸進(jìn)損傷分析。為便于說(shuō)明加載各階段損傷情況，于圖3單獨(dú)列出三組GLARE層板連接孔擠壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)，GLARE 2A層板連接孔擠壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)中各標(biāo)注點(diǎn)載荷與圖5相對(duì)應(yīng)。

最大載荷58%時(shí)，孔邊無(wú)明顯變形，而超聲C掃描結(jié)果顯示孔邊有少許分層損傷。由于擠壓過(guò)程中，各鋪層均產(chǎn)生相同變形，如圖4所示，卸載后各鋪層發(fā)生不同程度的回彈，而擠壓截面顯示孔邊纖維超出鋁合金區(qū)域而預(yù)浸料中未見(jiàn)明顯損傷，說(shuō)明鋁合金局部已產(chǎn)生塑性變形;剪豁截面顯示鋪層內(nèi)部及層間沒(méi)有明顯損傷，由此判斷此階段層板孔邊出現(xiàn)擠壓損傷，隨擠壓載荷增大，鋁合金塑性變形，層間變形不協(xié)調(diào)引起分層起始，層板擠壓剛度下降。

最大載荷93%時(shí)，層板剛度大幅下降，孔邊擠壓區(qū)域仍無(wú)明顯變形，超聲C掃描顯示相比最大載荷58%時(shí)，分層區(qū)域沒(méi)有明顯擴(kuò)展。擠壓截面顯示鋁合金與纖維鋪層在孔邊發(fā)生局部屈曲，但預(yù)浸料內(nèi)部纖維基體沒(méi)有損傷。剪豁截面顯示，靠近開(kāi)孔位置的0°鋪層出現(xiàn)少量基體開(kāi)裂，而纖維未見(jiàn)損傷。

最大載荷100%時(shí)，層板剛度接近于零，孔邊變形擴(kuò)大，在孔邊兩切線(xiàn)內(nèi)層板朝面外鼓起。超聲C掃描顯示孔邊分層區(qū)域類(lèi)似三角形擴(kuò)展，而三角形兩邊通過(guò)孔邊切點(diǎn)。剪豁截面顯示孔邊位置預(yù)浸料大量開(kāi)裂，而其余位置纖維預(yù)浸料和鋁合金鋪層均完好。

圖4 加載后孔邊各鋪層變形示意［10］Fig.4 Schematic showing the mechanisms behind the protrusion of the glass layers beyond the aluminum layers at high load［10］

超過(guò)最大載荷之后，隨著孔邊位移增大，層板承載能力逐漸降低。預(yù)浸料沿初始裂紋方向逐漸擴(kuò)展，鋁合金橫向開(kāi)裂并引起厚度方向相同位置預(yù)浸料橫向起裂然后縱向擴(kuò)展。預(yù)浸料中的裂紋擴(kuò)展伴隨層板內(nèi)部分層演化。超聲C掃描顯示，層板分層區(qū)域局限在從孔邊起始的兩條裂紋之間。

擠壓初始階段GLARE 2A層板主要由孔邊與螺栓接觸位置的鋁合金鋪層承受擠壓載荷。擠壓載荷作用下，鋁合金發(fā)生塑性變形引起層板擠壓起始損傷，隨載荷增大擠壓位置鋪層間變形不協(xié)調(diào)造成鋪層間出現(xiàn)分層。擠壓區(qū)域鋁合金大面積屈服之后，層板剛度下降，層板主要由玻璃纖維預(yù)浸料繼續(xù)承載。載荷進(jìn)一步增大，釘孔切線(xiàn)位置預(yù)浸料基體開(kāi)裂，層板剛度急劇下降。此后擠壓載荷由孔邊兩側(cè)鋁合金和擠壓方向預(yù)浸料共同承當(dāng)，載荷隨螺栓位移緩慢增大，釘孔兩側(cè)鋁合金出現(xiàn)裂紋，裂紋沿?cái)D壓方向擴(kuò)展至端部，載荷突降，最終發(fā)生剪豁破壞。

2.3 GLARE 2B層板連接孔擠壓漸進(jìn)損傷特性

選取最大載荷60%、85%、100%為目標(biāo)載荷進(jìn)行分級(jí)加載，并結(jié)合破壞試件進(jìn)行擠壓漸進(jìn)損傷分析。圖3中GLARE 2B層板擠壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)中各標(biāo)注點(diǎn)載荷與圖6相對(duì)應(yīng)。

最大載荷60%時(shí)，孔邊未見(jiàn)除夾具壓痕以外的其他損傷，通過(guò)超聲C掃描檢測(cè)層板內(nèi)部無(wú)分層。而擠壓截面顯示孔邊纖維超出鋁合金區(qū)域，與GLARE 2A層板類(lèi)似，可見(jiàn)擠壓過(guò)程中GLARE層板中鋁合金優(yōu)先產(chǎn)生塑性變形，鋁合金塑性引起層板起始損傷，使層板剛度下降。

加載至85%最大載荷，層板剛度下降，孔邊有明顯擠壓變形，擠壓局部朝面外鼓起，超聲C掃描結(jié)果顯示鼓起區(qū)域發(fā)生分層。擠壓截面顯示，孔邊預(yù)浸料與鋁合金回彈變形不協(xié)調(diào)加劇，而凈拉伸截面孔邊各鋪層整齊且內(nèi)部完好。

最大載荷100%時(shí)，層板剛度接近于零，孔邊出現(xiàn)兩條橫向裂紋，變形區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大并在擠壓正前方形成一道弧形褶皺，孔邊擠壓分層區(qū)域增大并沿裂紋橫向擴(kuò)展。擠壓截面中預(yù)浸料開(kāi)裂，鋁合金完好;凈拉伸截面中90°纖維平直完整。由此可知，擠壓載荷引起鋁合金形成表面裂紋，基體損傷導(dǎo)致預(yù)浸料開(kāi)裂。

螺栓位移繼續(xù)增大，孔邊裂紋沿厚度方向延伸，鋁合金鋪層均發(fā)生開(kāi)裂;鋁合金和預(yù)浸料中裂紋橫向擴(kuò)展至層板兩側(cè)，最終導(dǎo)致層板凈拉伸破壞，完全喪失承載能力。C掃結(jié)果顯示層板損傷沿橫向擴(kuò)展，而擠壓分層面積與載荷最大時(shí)刻基本相同，說(shuō)明最大載荷以后各鋪層迅速開(kāi)裂，此階段擠壓載荷主要由開(kāi)孔截面承受，而凈拉伸截面中90°纖維平直完整。由此可知，鋁合金內(nèi)部裂紋擴(kuò)展和預(yù)浸料基體損傷是GLARE 2B層板擠壓載荷下發(fā)生凈拉伸破壞的主要原因。

擠壓載荷作用下，GLARE 2B層板首先由孔邊鋁合金鋪層承擔(dān)擠壓載荷，鋁合金進(jìn)入塑性后，孔邊預(yù)浸料繼續(xù)承載。載荷進(jìn)一步增大，釘孔兩側(cè)鋁合金表面出現(xiàn)裂紋并且預(yù)浸料基體開(kāi)裂，層板剛度急劇下降。此后釘孔兩側(cè)區(qū)域鋁合金和預(yù)浸料共同承載，載荷隨螺栓位移緩慢增大，孔邊各鋪層裂紋橫向擴(kuò)展至端部，載荷突降，最終發(fā)生凈拉伸破壞。

2.4 GLARE 3層板連接孔擠壓漸進(jìn)損傷特性

選取最大載荷45%、85%、100%為目標(biāo)載荷進(jìn)行分級(jí)加載，并結(jié)合破壞試件進(jìn)行擠壓漸進(jìn)損傷分析。圖3中GLARE 3層板擠壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)各標(biāo)注點(diǎn)載荷與圖7相對(duì)應(yīng)。

最大載荷45%時(shí)，孔邊無(wú)可見(jiàn)變形并且超聲C掃描結(jié)果也未見(jiàn)明顯損傷。觀(guān)察擠壓截面，孔邊纖維超出鋁合金區(qū)域，可知鋁合金局部已產(chǎn)生塑性變形而預(yù)浸料中未見(jiàn)明顯損傷，可見(jiàn)孔邊鋁合金塑性變形是層板起始剛度下降的主要原因。

最大載荷85%時(shí)，層板剛度大幅下降，孔邊擠壓區(qū)域明顯變形，并向面外鼓起，超聲C掃描結(jié)果顯示鼓起區(qū)域發(fā)生分層。擠壓截面顯示，孔邊預(yù)浸料超出鋁合金區(qū)域擴(kuò)大，說(shuō)明孔邊鋁合金大量進(jìn)入塑性，對(duì)擠壓承載貢獻(xiàn)微弱，鋁合金塑性變形導(dǎo)致的鋪層間變形不協(xié)調(diào)成為分層起始的主要原因，此時(shí)0°鋪層內(nèi)少量纖維屈曲折斷。

圖5 GLARE 2A層板擠壓漸進(jìn)損傷過(guò)程Fig.5 Phenomenon of progressive damage of the GLARE 2A laminate during the loading procedure of the bearing experiment(a)501MPa;(b)801MPa;(c)862MPa;(d)after the maximum stress

圖6 GLARE 2B層板擠壓漸進(jìn)損傷過(guò)程Fig.6 Phenomenon of progressive damage of the GLARE 2B laminate during the loading procedure of the bearing experiment(a)545MPa;(b)772MPa;(c)909MPa;(d)after the maximum stress

最大載荷100%時(shí)，孔邊變形和分層區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，擠壓截面中預(yù)浸料中基體多處開(kāi)裂，0°鋪層大量纖維屈曲折斷。由此推斷，層板擠壓載荷主要由0°纖維承擔(dān)，基體開(kāi)裂減弱了對(duì)纖維的支撐作用，導(dǎo)致纖維屈服強(qiáng)度降低。0°纖維折斷導(dǎo)致層板擠壓承載能力下降。

0°鋪層大量纖維折斷后，載荷隨位移的增加而降低，承載能力下降，層板內(nèi)部纖維基體破壞并沿?cái)D壓區(qū)域擴(kuò)展，鋁合金變形進(jìn)一步擴(kuò)大，鋪層間變形不協(xié)調(diào)嚴(yán)重，分層沿孔邊急劇擴(kuò)展，最終各鋪層在孔邊擠壓位置開(kāi)裂，載荷突降，層板破壞，GLARE 3層板單釘雙剪連接破壞模式為擠壓。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明:GLARE 3層板擠壓起始損傷為鋁合金塑性變形，由此層板剛度開(kāi)始下降;損傷擴(kuò)展階段，0°纖維主要承受擠壓載荷，鋪層間變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致分層起始和擴(kuò)展;0°纖維屈曲折斷后，層板承載開(kāi)始下降，剛度接近為零，隨位移增大，纖維基體大量損傷并且分層急劇擴(kuò)展，最終層板發(fā)生擠壓破壞。

圖7 GLARE 3層板擠壓漸進(jìn)損傷過(guò)程Fig.7 Phenomenon of progressive damage of the GLARE 3 laminate during the loading procedure of the bearing experiment(a)397MPa;(b)708MPa;(c)885MPa;(d)after the maximum stress

2.5 鋪層形式對(duì)連接孔擠壓特性的影響

通過(guò)擠壓破壞實(shí)驗(yàn)、分級(jí)加載實(shí)驗(yàn)對(duì)三種鋪層方式的GLARE層板連接孔擠壓性能進(jìn)行探究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三組層板起始損傷均由鋁合金鋪層塑性變形引起，損傷起始后各層板剛度下降，但剛度變化趨勢(shì)各不相同。由表2可知，三組層板中0°纖維含量越高，擠壓強(qiáng)度越低，而三組層板在擠壓載荷下最終破壞模式各不相同，說(shuō)明玻璃纖維鋪層方式對(duì)層板擠壓特性有較大影響。

GLARE 2A和GLARE 2B層板只有0°或90°方向纖維，擠壓初期兩組層板承載特性基本相同，直至鋁合金塑性變形區(qū)域增大，擠壓載荷重新分配時(shí)兩層板擠壓特性出現(xiàn)不同。GLARE 2A層板在釘孔兩側(cè)的預(yù)浸料開(kāi)裂并隨加載沿縱向擴(kuò)展，而GLARE 2B層板釘孔兩側(cè)預(yù)浸料開(kāi)裂后裂紋沿橫向擴(kuò)展，厚度方向相同位置的鋁合金也伴隨預(yù)浸料一同開(kāi)裂。由圖8可知，GLARE 2A因預(yù)浸料中裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致層板最終剪切破壞，說(shuō)明鋁合金塑性變形后擠壓載荷主要由受壓區(qū)域預(yù)浸料承擔(dān)，而GLARE 2B層板預(yù)浸料和鋁合金鋪層均發(fā)生開(kāi)裂導(dǎo)致凈拉伸破壞，說(shuō)明受壓區(qū)域鋁合金塑性變形后擠壓載荷由釘孔兩側(cè)預(yù)浸料和鋁合金共同承擔(dān)。

GLARE 3層板中0°和90°纖維比例相同，加載初始階段層板擠壓性能與其余兩種層板相同，當(dāng)鋁合金進(jìn)入塑性之后，擠壓載荷主要由擠壓區(qū)域0°纖維承擔(dān)。斷口切片顯示各預(yù)浸料鋪層內(nèi)部均出現(xiàn)基體裂紋，部分0°纖維屈曲折斷，而GLARE 2A和2B層板斷口中纖維均平直完整，僅出現(xiàn)基體開(kāi)裂，說(shuō)明GLARE 3中基體裂紋擴(kuò)展受到限制。由于0°和90°鋪層相鄰，兩種鋪層內(nèi)部裂紋擴(kuò)展方向相互垂直，因而纖維均對(duì)相鄰鋪層裂紋擴(kuò)展造成阻礙，最終各鋪層裂紋均未擴(kuò)展至層板端部或者側(cè)邊。由于基體未完全開(kāi)裂，對(duì)纖維仍起約束和支撐作用，纖維在受壓方向保持一定承載能力，所以鋁合金大量進(jìn)入塑性之后載荷由0°纖維承擔(dān)，隨載荷增大，0°纖維屈曲折斷，最終層板擠壓破壞。

圖8 GLARE 2A層板端部損傷情況Fig.8 Damage location on the edge of GLARE 2A laminate

鋁合金塑性變形后，GLARE 2A層板主要由預(yù)浸料承受擠壓載荷，而基體不斷開(kāi)裂并沿縱向擴(kuò)展，導(dǎo)致擠壓剛度不斷減小，層板載荷增加緩慢。剪切破壞說(shuō)明層板最終主要由基體承載，而基體強(qiáng)度均低于纖維和鋁合金，所以GLARE 2A層板擠壓強(qiáng)度最低。GLARE 2B層板釘孔兩側(cè)預(yù)浸料和鋁合金均參與承載，提供較大的擠壓剛度，載荷隨位移增大較快，層板擠壓強(qiáng)度較高。GLARE 3層板預(yù)浸料僅在擠壓區(qū)域內(nèi)開(kāi)裂，0°纖維承受擠壓載荷，纖維壓縮強(qiáng)度和模量高于基體但又低于纖維金屬層合結(jié)構(gòu)，所以GLARE 3在鋁合金屈服后的模量及最終擠壓強(qiáng)度介于GLARE 2A和GLARE 2B層板之間。

3 結(jié)論

(1)GLARE層板擠壓初始階段主要由鋁合金承載，鋁合金塑性變形造成層板起始損傷，不同鋪層層板損傷擴(kuò)展過(guò)程不同:GLARE 2A層板0°鋪層基體開(kāi)裂并沿纖維方向擴(kuò)展至層板端部，最終發(fā)生剪豁破壞;GLARE 2B層板90°鋪層基體從孔邊沿纖維方向開(kāi)裂并伴隨鋁合金裂紋橫向擴(kuò)展至層板兩側(cè)，發(fā)生凈拉伸破壞;GLARE 3層板中正交鋪層阻礙內(nèi)部裂紋擴(kuò)展，最終擠壓破壞。

(2)鋪層方式不同導(dǎo)致層板破壞模式不同，三組層板中:GLARE 2A層板基體開(kāi)裂發(fā)生剪豁破壞，擠壓強(qiáng)度最低;GLARE 2B層板凈拉伸破壞，釘孔兩側(cè)鋁合金與纖維鋪層共同承載，擠壓強(qiáng)度最高;GLARE 3層板擠壓破壞，主要由0°纖維承載，擠壓強(qiáng)度介于GLARE 2A與GLARE 2B層板之間。

(3)GLARE層板擠壓漸進(jìn)損傷特性明顯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為GLARE連接設(shè)計(jì)提供參考。

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