李鵬輝 馬玉娥 郭云芝

摘 要：兼具玻璃纖維和鋁合金兩種材料優(yōu)點(diǎn)的玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板（Glare）是航空領(lǐng)域未來的選材之一。Glare層合板屬于纖維增強(qiáng)合金層合板的一種，其不僅僅是具有纖維增強(qiáng)合金層合板的一半特點(diǎn)，還有著相當(dāng)強(qiáng)的抗疲勞性能以及很高的強(qiáng)度。本文簡述了Glare層合板在航空結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用情況。研究了干涉配合對單釘單剪玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金連接件擠壓強(qiáng)度的影響。

關(guān)鍵詞：Glare層合板接頭 單釘單剪 干涉配合

中圖分類號：TJ85 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）09（a）-0070-03

隨著航空科技的快速發(fā)展和空襲兵器功能日益多樣化，人們對導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)提出了更為苛刻的減重、低成本等要求。研究表明在航空結(jié)構(gòu)復(fù)材中，70%的失效出現(xiàn)在連接處，機(jī)械連接更是復(fù)合材料在應(yīng)用過程中的關(guān)鍵所在。Glare層板因?yàn)橥瑫r(shí)具有金屬材料和復(fù)合材料的特點(diǎn)，為了讓Glare層板在飛行器結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用，就要充分的考慮連接問題。因?yàn)閺?fù)合材料因其具有各向異性的特點(diǎn)，因此，在研究Glare層板的連接問題中需著重考慮[1]。

1 Glare層板的力學(xué)性能

1.1 Glare層板的拉伸性能

玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層板因?yàn)槠鋬?nèi)鋁層塑性的影響，在拉伸載荷的作用下通常會表現(xiàn)出非完全彈性行為，圖1是應(yīng)用于A380上的Glare層板和其組成成分中玻璃纖維以及鋁合金的應(yīng)力-應(yīng)變對比圖[2]。從該圖中可以看到Glare層板相比于2024-T3鋁合金板更先進(jìn)入塑性區(qū)，這是因?yàn)槔w維層對金屬層有支持作用。

因?yàn)椴ＡЮw維層的彈性模量要比2024-T3鋁合金的低，因此Glare層板的彈性模量低于2024-T3鋁合金的。國外對Glare層板進(jìn)行了拉伸測試試驗(yàn)參考了ASTM D3039試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 Glare層板機(jī)械連接

纖維增強(qiáng)復(fù)材連接的主要形式有單剪、雙剪以及對接等。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)中為了盡可能地讓其破壞模式是擠壓破壞，連接件的設(shè)計(jì)根據(jù)表1完成[3-4]，可以讓連接件發(fā)生擠壓強(qiáng)度破壞。纖維方向的不同會對復(fù)合材料的機(jī)械連接強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，不同的鋪層方向通過受力互補(bǔ)的方式來提高其連接強(qiáng)度。由于0o鋪層主要用來提高抗拉強(qiáng)度，90o鋪層可以協(xié)調(diào)層合板的泊松比，所以本文Glare層板玻璃纖維層選擇0o/90o/0o的鋪層方式。

連接緊固件一般選用螺栓，由于Glare層板特殊的力學(xué)性能，一般推薦使用高鎖螺栓的緊固件，使用抽釘工藝進(jìn)行安裝。緊固件的材料一般使用鈦合金，螺母的材料一般選用鋼。

2 單釘單剪玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金連接件結(jié)構(gòu)有限元模擬

2.1 建模方法

玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層板由于它鋪層結(jié)構(gòu)的特殊性，所以它的有限元建模方法和傳統(tǒng)的復(fù)合材料層板有所區(qū)別。層板含有兩種不同的材料，所以要建立兩種不同的屬性單元。本文中所要模擬的層板是100mm×36mm×1.662mm，鋪層為[2024-T3/0°fiber/90°fiber/0°fiber/2024-T3/0°fiber/90°fiber/0°fiber/2024- T3]。

由于結(jié)構(gòu)和載荷在y方向的對稱性，建立1/2模型。在ABAQUS/standard的part模塊按照連接件尺寸建立1/2三維實(shí)體模型，如圖2所示。

在模型右端面上施加X方向的位移；左端施加固定；在XOZ面施加Y方向?qū)ΨQ邊界條件。

通過ABAQUS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，得出所需的結(jié)果。

2.2 單釘單剪玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金連接強(qiáng)度三維模擬結(jié)果及分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元模擬數(shù)據(jù)的載荷-位移曲線如圖3所示。

從圖3中可以看出，開始加載階段，且發(fā)生破壞前，曲線吻合度較高，說明剛度模擬準(zhǔn)確。位移加載到一定階段后，還沒有出現(xiàn)大面積破壞時(shí)，曲線斜率降低，之后處于相對平穩(wěn)的階段，在出現(xiàn)明顯破壞后，曲線開始下降。其曲線吻合度較好，證明有限元模擬的可靠性。

2.3 干涉量對連接件承載能力影響研究

螺釘連接結(jié)構(gòu)的干涉量主要有兩種表達(dá)方式：相對干涉量與絕對干涉量。絕對干涉量是變形后孔徑和初始孔徑之間的差值。如式（1）所示，相對干涉量是絕對干涉量與初始孔徑之間的比值。一般采用相對干涉量來表示螺釘連接結(jié)構(gòu)的干涉量。本文采用的干涉量均為相對干涉量。

（1）

式中：I式為相對干涉量；D為孔直徑；d為螺栓直徑。

對于干涉量，本文選取了0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%6種工況。

圖4是對6種不同干涉量情況下的連接件進(jìn)行有限元模擬及計(jì)算，得出的載荷-位移曲線。

由圖4可知，載荷-位移曲線出現(xiàn)了線性與非線性兩個(gè)階段，不同的干涉量對于玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金材料的機(jī)械連接性能有影響。

對比不同干涉量下單釘單剪玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金連接件的結(jié)構(gòu)剛度值，得出初始剛度C與相對干涉量I之間的關(guān)系曲線如圖5所示。

由圖5可得，在I為0%～1.5%時(shí)，玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金連接件的剛度隨著干涉量的增加而上升；當(dāng)I高于1.5%時(shí)，玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金連接件的剛度反而降低了，且在干涉量為3%時(shí)，其剛度要比不加干涉量時(shí)還要低。在I=1.5%時(shí)C=3.3635kN/mm，相較于I=0時(shí)的剛度（2.89392kN/mm）提高了16.22%。

3 結(jié)語

本文以[2024-T3/0°/90°/0°/2024-T3/0°/90°/0°/202

4-T3]鋪層的玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金單釘單剪連接件為研究對象，以國內(nèi)外的研究成果作為基礎(chǔ)，通過有限元軟件ABAQUS建立了單釘單剪玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金連接件的三維有限元模型。分析了不同的干涉量下單釘單剪玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金連接件的擠壓強(qiáng)度。

本文主要研究內(nèi)容和研究成果如下。

應(yīng)用有限元軟件ABAQUS建立單釘單剪玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金連接件，并對其進(jìn)行靜力分析。在與試驗(yàn)條件相同的情況下，對數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，兩者吻合較好。對施加不同干涉量的情況下承載能力和剛度進(jìn)行了分析。得出適當(dāng)?shù)母缮媾浜夏軌蛱岣卟ＡЮw維增強(qiáng)鋁合金連接件的承載能力和剛度。而過大的干涉量反而會降低其承載能力和剛度。在干涉量為1.5%左右時(shí)可以得到較高的承載能力及剛度。

參考文獻(xiàn)

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