摘 要：復合材料是一種具有高清度、高比剛度的材料，同時具有耐疲勞、力學性能可設計等優(yōu)勢。不過，相比鈦合金等，其也具有一些缺點，例如制造費用較高、疲勞壽命難以準確預測、受濕熱環(huán)境影響大、沖擊損傷容限低、材料性能分散性大等，因而在實際應用中仍難以對金屬材料完全取代。為了對二者優(yōu)勢綜合利用，在飛機結(jié)構(gòu)當中，對復合材料應用范圍，需要不斷擴大，同時對金屬材料固有優(yōu)勢充分發(fā)揮。所以，金屬結(jié)構(gòu)和復合材料結(jié)構(gòu)連接位置十分重要。本文研究了復合材料加筋板-鈦合金機械連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，從而使其能夠發(fā)揮出更好的綜合優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：復合材料；加筋板；鈦合金；機械連接；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：V214.8 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）15-0220-01

前 言

和傳統(tǒng)的金屬材料相比，復合材料具有很多方面的優(yōu)勢，因而在航空航天領(lǐng)域中應用逐漸廣泛，在飛機結(jié)構(gòu)上應用復合材料，飛機重量可明顯減輕。不過，飛機承力構(gòu)件受力情況復雜，復合材料平板無法滿足要求，復合材料加筋板能夠承受較大彎矩、拉力，因而逐漸成為承力構(gòu)件基本結(jié)構(gòu)形式。在實際應用中，復合材料也具有一些不容忽視的缺陷，因而并不能完全取代金屬材料。對此，在復合材料結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)的連接位置，采用機械連接的方式，發(fā)揮出受環(huán)境影響小、可靠性高、拆卸方便等有優(yōu)勢，成為承力部位首選連接方式。

1 復合材料加筋板-鈦合金機械連接的拉伸試驗

在飛機結(jié)構(gòu)中，通常使用加筋板作為尾翼、機翼、機身主承力結(jié)構(gòu)，潛艇、輪船結(jié)構(gòu)中也經(jīng)常使用。加筋板是重要的傳力構(gòu)件，復合材料加筋板需要與其它結(jié)構(gòu)連接，一般采用機械連接的方式，但作為開孔結(jié)構(gòu)，具有幾何不連續(xù)、纖維不連續(xù)的特點，因此需要對承載能力加以研究。常采用靜拉伸試驗測試其性能，根據(jù)ASTMD5961標準，利用MTS Landmark微機控制電液伺服萬能試驗機進行，額定荷載為1000kN，試驗機準確度在0.5級，是指相對誤差在±0.5%。試驗溫度在20℃，相對濕度在68%[1]。實驗結(jié)果顯示，選取的3個試驗件，在25t荷載前，荷載-位移曲線能夠保持現(xiàn)行，在25t之后，荷載-位移曲線斜率降低，說明材料開始初步破壞，在28t是荷載突然降低，說明結(jié)構(gòu)最終破壞。結(jié)構(gòu)破壞形式是鈦合金緊固件剪切破壞，鈦合金版釘孔周圍出現(xiàn)韌性破壞。

2 復合材料加筋板-鈦合金機械連接的模型驗證

通過運用三維有限元的方法，能夠?qū)秃喜牧蠈訅喊迨茌d過程中，損傷起始、性能演化等過程進行準確模擬，同時，對于鈦合金塑形破壞、韌性破壞、連接中非線性接觸等問題，也能夠進行有效的模擬。對連接結(jié)構(gòu)承載力進行分析，運用有限元軟件模擬，對復合材料加筋板-鈦合金機械連接受拉伸荷載的作用過程加以分析。復合材料建模中，分析單元應力，對破壞單元及材料屬性退化加以判斷。選擇復合材料單元，實體離散，設置材料漸進損傷，對荷載-位移曲線，部分位置應變-荷載曲線，材料損傷破壞模式等，進行試驗、有限元對比，從實驗結(jié)果中選擇3組試驗平均值，以確保準確性。根據(jù)實驗結(jié)果表明，有限元模擬方法準確性較好，對此種方法進一步應用，模擬復合材料加筋板-鈦合金拉伸試驗，證明有限元模擬下腹板特定點應變-荷載曲線、荷載-位移曲線等，與試驗能夠良好吻合。

3 復合材料加筋板-鈦合金機械連接的結(jié)構(gòu)強度

復合材料加筋板-鈦合金機械連接結(jié)構(gòu)，很多因素會對其靜強度產(chǎn)生影響。采用了經(jīng)過驗證有限元方法，分析了強度相關(guān)影響因素，調(diào)整緊固件直徑，是緊固件直徑改變，將結(jié)構(gòu)承載能力大幅提升，同時轉(zhuǎn)變釘孔部位破壞模式，使之成為復合材料擠壓破壞。對腹板端部集合幾何參數(shù)加以分析，包括端部斜削角度、腹板縮進距離等對結(jié)構(gòu)強度的影響，同時研究其損傷機理。結(jié)果表明，端部斜削角度改變，在腹板不同位置上，會引起應力集中，對結(jié)構(gòu)初始破壞強度產(chǎn)生影響。腹板縮進距離，對加筋板不同位置彎曲剛度、橫截面積產(chǎn)生影響，進而影響蒙皮由于擠壓導致應力集中位置[2]。結(jié)構(gòu)最終破壞荷載和承載能力最小情況相比，提高幅度達到9.0%，由此，通過優(yōu)化腹板端部幾何元素，使復合材料加筋板-鈦合金機械連接結(jié)構(gòu)受拉過程中承載能力更高。

4 復合材料加筋板-鈦合金機械連接的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

特定的腹板縮進距離下，結(jié)果最終破壞荷載值，和初始破壞荷載值相比增加了8.03%，復合材料在實際應用中，其結(jié)構(gòu)初始破壞，會在很大程度上影響結(jié)構(gòu)，從而帶來損壞的風險。通過優(yōu)化筋條腹板，使應力集中的情況得到緩解，將初始破壞消除，進而使結(jié)構(gòu)強度提高。采用有限元軟件優(yōu)化結(jié)構(gòu)，最終是結(jié)構(gòu)承載能力提升。將資模型從結(jié)構(gòu)中提取出，確保計算精度，優(yōu)化腹板端部結(jié)構(gòu)。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，減輕結(jié)構(gòu)組件重量，對耐久性、剛度要求加以滿足。給予一系列優(yōu)化目標和約束，完成拓撲優(yōu)化，首先對需要優(yōu)化的模型進行創(chuàng)建，同時創(chuàng)建相應的優(yōu)化任務，設計響應等[3]。利用設計響應，對目標函數(shù)及約束加以設計，最后將優(yōu)化進程創(chuàng)建并提交分析。選取適當?shù)母拱鍍?yōu)化區(qū)域，對計算精度加以滿足，并將優(yōu)化效率提升。拓撲優(yōu)化之后，緩解了模型關(guān)鍵部位應力集中的情況。理論分析和優(yōu)化結(jié)果相結(jié)合，給予優(yōu)化結(jié)構(gòu)再設計細節(jié)部位，并帶入驗證，最終提高了結(jié)構(gòu)承載能力。

5 結(jié) 論

復合材料加筋板-鈦合金機械連接，是當前航天航空等領(lǐng)域中常用的材料及連接方式，基于安全性的需要，對其性能也具有很高的要求。很多因素會對其產(chǎn)生影響，進而降低安全性，可能發(fā)生破壞等。對此，研究了解其破壞條件與具體參數(shù)，結(jié)合實際情況，采取有效措施對其進行優(yōu)化，進而提高結(jié)構(gòu)強度，增強使用安全性。

參考文獻

[1]劉衰財，劉 偉，余梓豪，等.復合材料壁板與鈦合金接頭連接強度試驗與分析[J].機械設計與制造工程，2017，46（1）：99～102.

[2]陳向明，張阿盈，王力立，等.復合材料加筋壁板修理后壓縮性能試驗研究[J].工程與試驗，2017，57（1）：9～13.

[3]王 燕，李 書，許秋怡，等.復合材料加筋板剪切后屈曲分析與優(yōu)化設計[J].航空學報，2016，37（5）：1512～1525.

收稿日期：2018-4-23