李家春 王德鑫

摘要：以復(fù)合材料層合板典型的T型連接結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用含漸進(jìn)損傷的有限元模型計(jì)算分析復(fù)合材料層合板的損傷機(jī)理、破壞模式、裂紋擴(kuò)展和極限強(qiáng)度，并通過(guò)試驗(yàn)手段驗(yàn)證了分析方法的可信度，為該型構(gòu)件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了依據(jù)，為無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性提供了保障。

關(guān)鍵詞：T型連接結(jié)構(gòu);漸進(jìn)損傷;裂紋擴(kuò)展;復(fù)合材料

中圖分類(lèi)號(hào)：TB331;V214.8? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）03-0083-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.024

0? ? 引言

碳纖維復(fù)合材料因其高比強(qiáng)度、比剛度和可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)中[1]，其連接形式和破壞形式也越來(lái)越多樣，因此有必要對(duì)其典型連接結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理進(jìn)行深入研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用了多種方法對(duì)復(fù)合材料混合連接的破壞模式與破壞載荷進(jìn)行研究，如E. Madenci[2]、A. Aktas[3]等人通過(guò)試驗(yàn)方法研究了碳纖維層合板機(jī)械連接的擠壓強(qiáng)度，J. Ekh等人[4]運(yùn)用有限元技術(shù)模擬了復(fù)合材料機(jī)械連接的承載過(guò)程，M. M. Shokrieh等人[5-8]基于數(shù)值仿真對(duì)復(fù)合材料層合板機(jī)械連接結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)損傷進(jìn)行了模擬。

本文以復(fù)合材料機(jī)械連接的典型T型連接結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用含漸進(jìn)損傷的有限元模型計(jì)算分析復(fù)合材料層合板的損傷機(jī)理、破壞模式、裂紋擴(kuò)展模式和極限強(qiáng)度，為該型構(gòu)件的使用與優(yōu)化提供依據(jù)，為無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全性與可靠性提供保障。

1? ? 典型結(jié)構(gòu)連接描述

T型連接方式是一種較為典型的金屬與復(fù)合材料的連接方式，常用于直升機(jī)主減速器與復(fù)合材料壁板之間的連接，金屬件與復(fù)合材料壁板機(jī)械連接后，分別通過(guò)垂直和平行于復(fù)合材料壁板的力傳遞來(lái)自主減速器的拉力和扭矩反作用力。本文以平行于復(fù)材壁板的載荷為例，分析復(fù)合材料層合板T型連接結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)損傷。

此類(lèi)型結(jié)構(gòu)各個(gè)部件設(shè)計(jì)的剛度匹配問(wèn)題，使其在承載過(guò)程中下墊塊邊緣處容易對(duì)復(fù)材層合板造成擠壓甚至剪切，進(jìn)而導(dǎo)致層合板局部應(yīng)力集中直至損傷斷裂。為了驗(yàn)證該T型典型結(jié)構(gòu)連接區(qū)域設(shè)計(jì)的合理性，通過(guò)有限元仿真技術(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。

某型無(wú)人直升機(jī)金屬T型安裝座與碳纖維復(fù)合材料機(jī)身主安裝板連接簡(jiǎn)化示意圖及其主要尺寸參數(shù)如圖1所示，通過(guò)高鎖螺栓依次將T型接頭、復(fù)合材料層合板、下墊塊緊固成一體，層與層之間采用結(jié)構(gòu)膠粘接，為確保破壞位置在T型連接區(qū)域，將復(fù)合材料層合板兩端約束的部位上下各粘接一層復(fù)合材料加強(qiáng)。作用于金屬T型安裝座的平行于復(fù)合材料層合板的載荷F模擬來(lái)自主減速器的扭矩反作用力。

2? ? 仿真分析

2.1? ? 有限元模型

該結(jié)構(gòu)前后對(duì)稱(chēng)，取其1/2建立有限元模型，其受力方式為X拉伸，故選擇實(shí)體單元模擬其結(jié)構(gòu)，膠層采用的是Cohesive[9-10]粘聚力單元，且對(duì)孔邊、層合板與T型接頭、下墊塊接觸位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理。依據(jù)Camanho線(xiàn)性退化準(zhǔn)則確定結(jié)構(gòu)破壞損傷狀態(tài)，而Cohesive單元可模擬裂紋擴(kuò)展，有限元模型如圖2所示。

2.2? ? 材料參數(shù)

T型安裝座和下墊塊的材質(zhì)為7075鋁合金，高鎖螺栓材質(zhì)為T(mén)C4（有限元模型用MPC模擬傳遞載荷），層合板由預(yù)浸了某中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂的T300級(jí)碳纖維雙向布預(yù)浸料制作，固化后單層厚度約為0.22 mm，總厚度約為4.4 mm，具體鋪層為（45°/0°/0°/45°）5，圖1中X方向?yàn)?°方向。材料具體參數(shù)如表1和表2所示。

3? ? 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

當(dāng)載荷達(dá)到18 kN左右時(shí)，T型安裝座與層合板接觸擠壓的邊緣位置出現(xiàn)了較為明顯的裂紋損傷，且在層合板的0°方向和90°方向纖維出現(xiàn)壓縮破壞，在層合板背面相應(yīng)位置及靠近T型安裝座另一側(cè)邊緣位置出現(xiàn)了輕微的0°方向和90°方向纖維拉伸破壞，但結(jié)構(gòu)承載強(qiáng)度與剛度仍在保持，說(shuō)明結(jié)構(gòu)整體未發(fā)生破壞。當(dāng)載荷達(dá)到22.91 kN時(shí)，金屬T型安裝座與層合板接觸擠壓的邊緣位置出現(xiàn)了貫穿性裂紋和纖維的斷裂損傷，且結(jié)構(gòu)承載強(qiáng)度和剛度發(fā)生退化，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)已經(jīng)整體失效。因此，在拉伸載荷作用下，該結(jié)構(gòu)的失效原因?yàn)榻饘偌c復(fù)材層合板接觸位置的纖維壓縮破壞，結(jié)構(gòu)破壞載荷為22.91 kN。

4? ? 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證復(fù)合材料層合板T型連接結(jié)構(gòu)漸進(jìn)損傷分析的可行性與準(zhǔn)確度，基于伺服拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)T型連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。圖5所示為T(mén)型接頭板試件在試驗(yàn)后的破壞形態(tài)，試件斷裂位置出現(xiàn)在上面板靠T型接頭邊緣的位置，破壞位置、破壞形式與仿真結(jié)果相符，破壞時(shí)的載荷為23.603 kN，仿真分析精度為-2.94%，滿(mǎn)足工程使用要求。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

由復(fù)合材料層合板T型連接結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，采用含漸進(jìn)損傷的有限元模型可以模擬復(fù)合材料層合板的破壞及裂紋擴(kuò)展模式，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析方法的可信度。因此，基于該方法可以較為客觀(guān)地描述層合板的損傷機(jī)理，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其極限強(qiáng)度，為該型構(gòu)件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供依據(jù)，為無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性提供保障。此方法可用于其他形式結(jié)構(gòu)連接的細(xì)觀(guān)分析，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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收稿日期：2021-11-10

作者簡(jiǎn)介：李家春（1983—），男，江蘇東海人，博士，工程師，主要從事無(wú)人直升機(jī)復(fù)合材料機(jī)體結(jié)構(gòu)、起落架設(shè)計(jì)等工作。