梁樂樂，楊勝春，黃光啟

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 材料力學(xué)性能測試與表征研究室，陜西 西安 710065)

1 引 言

復(fù)合材料是一種新型材料，具有高的比強(qiáng)度、比剛度及優(yōu)良的可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)，其應(yīng)用十分廣泛。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，為了便于后期安裝及維護(hù)，往往需要設(shè)計(jì)大量的可拆卸工藝分離面。機(jī)械連接作為復(fù)合材料目前最主要的、承載能力最大的連接方式之一，成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件連接的首選。隨著機(jī)械連接的大量應(yīng)用，對(duì)其連接擠壓強(qiáng)度影響因素的探究也日益迫切。

國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)復(fù)合材料機(jī)械連接問題進(jìn)行了大量研究，但研究內(nèi)容主要集中在釘載分配、強(qiáng)度研究及連接優(yōu)化等方面。吳啟仁等[1]通過試驗(yàn)，對(duì)載荷分配及其影響因素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料多螺栓連接中釘載的分配呈現(xiàn)不對(duì)稱的現(xiàn)象，且釘載分配曲線呈“浴盆”狀；安裝設(shè)計(jì)的螺栓個(gè)數(shù)與連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度會(huì)對(duì)“浴盆”的形狀有一定的輕微影響。Pyner和Matthews[2]對(duì)復(fù)合材料層合板單釘和多釘連接進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，釘載與連接接頭的復(fù)雜程度有關(guān)，連接件的接頭越復(fù)雜，連接件的平均最大承載力會(huì)越小。Madenci等[3]采用有限元模擬的方法，對(duì)復(fù)合材料層壓板多釘連接的釘載分配問題以及機(jī)械連接強(qiáng)度進(jìn)行了分析與研究。

本文以T700級(jí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板為研究對(duì)象，基于Abaqus商用仿真軟件，對(duì)不同釘孔間隙的復(fù)合材料機(jī)械連接單釘雙剪擠壓展開數(shù)值模擬研究，為復(fù)合材料機(jī)械連接釘孔間隙配合設(shè)計(jì)提供數(shù)值仿真參考依據(jù)和分析支撐。

2 數(shù)值仿真模型與方法

2.1 數(shù)值模型

本文所涉及的模型包括3個(gè)部分，分別為夾具、釘及T700級(jí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板。其中，夾具與釘采用三維實(shí)體模型構(gòu)建，復(fù)合材料層壓板采用連續(xù)殼模型構(gòu)建。金屬夾具與釘?shù)膿p傷判據(jù)采用柔性損傷準(zhǔn)則，復(fù)合材料層壓板采用Hashin損傷準(zhǔn)則。數(shù)值模型的試樣尺寸如表1所示(表中，緊固件直徑為d；孔徑為Φ；厚度為h；長度為L；寬度為w；端距為e)，鋪層設(shè)定為[45/0/-45/90]2S。

表1 模型試樣尺寸

在模型網(wǎng)格劃分時(shí)，復(fù)合材料層壓板采用SC8R(八節(jié)點(diǎn)四邊形面內(nèi)通用連續(xù)殼，減縮積分，沙漏控制，有限膜應(yīng)變)單元，金屬夾具采用C3D4(四節(jié)點(diǎn)線性四面體單元)單元，釘采用C3D8R(八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元，減縮積分，沙漏控制)單元。單釘雙剪試樣模型如圖1所示。

圖1 單釘雙剪數(shù)值模型

2.2 模型邊界條件設(shè)置

參考單釘雙剪擠壓試驗(yàn)，給數(shù)值模型的夾具端(圖2中模型左端)區(qū)域施加固定鉸支座約束；層壓板試驗(yàn)件(圖2中模型右端)區(qū)域，限制其2、3方向的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，限制1方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，給該區(qū)域施加1方向的位移載荷。邊界條件詳情如圖2所示。

圖2 模型邊界條件

2.3 模型的材料參數(shù)

仿真模擬單釘雙剪擠壓過程中，所涉及的材料有兩種，分別為夾具和螺釘所使用的鋼、復(fù)合材料層壓板所使用的T700級(jí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，材料參數(shù)詳見表2、表3。

表2 鋼的力學(xué)性能參數(shù)

表3 T700級(jí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值仿真分析

3.1 仿真模型有效性的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模型的有效性和可行性，對(duì)與模型尺寸及鋪層參數(shù)相同的釘孔間隙為0.015mm的T700級(jí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單釘雙剪試樣進(jìn)行擠壓試驗(yàn)。試驗(yàn)測得釘孔間隙為0.015mm的T700級(jí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單釘雙剪試樣的擠壓強(qiáng)度為1033MPa，而釘孔間隙為0.015mm的T700級(jí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單釘雙剪模擬結(jié)果的擠壓強(qiáng)度為1016MPa，誤差為1.65%。這表明，本文提出的數(shù)值仿真模型有效、可行。

3.2 模擬結(jié)果分析

本文對(duì)釘孔間隙分別為0mm、0.005mm、0.010mm、0.015mm、0.020mm及0.025mm的單釘雙剪試樣進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬。通過數(shù)值計(jì)算，得到了不同釘孔間隙模型下的應(yīng)力分布情況及其承載能力。

釘孔間隙為0mm的單釘雙剪試驗(yàn)?zāi)M的Mises應(yīng)力云圖及孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖如圖3和圖4所示，圖5為相應(yīng)的載荷-位移曲線。由圖中曲線可以得知，試樣的破壞載荷為23.09kN，破壞載荷所對(duì)應(yīng)的位移為0.598mm，擠壓強(qiáng)度為962.08MPa。

圖3 間隙0mm的Mises應(yīng)力云圖

圖4 間隙0mm的孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖

圖5 間隙0mm的載荷-位移曲線

圖6和圖7分別給出了釘孔間隙為0.005mm的單釘雙剪試驗(yàn)?zāi)M的Mises應(yīng)力云圖及孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖，圖8為相應(yīng)的載荷-位移曲線。由圖中曲線可知，試樣的破壞載荷為24.70kN，破壞載荷所對(duì)應(yīng)的位移為0.555mm，擠壓強(qiáng)度為1029.17MPa。與0mm間隙的試樣結(jié)果相比，0.005mm間隙對(duì)連接件的連接強(qiáng)度有所提高。

圖6 間隙0.005mm的Mises應(yīng)力云圖

圖7 間隙0.005mm的孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖

圖8 間隙0.005mm的載荷-位移曲線

圖9和圖10分別給出了釘孔間隙為0.010mm的單釘雙剪試驗(yàn)?zāi)M的Mises應(yīng)力云圖及孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖，圖11為相應(yīng)的載荷-位移曲線。由圖中曲線可知，試樣的破壞載荷為24.72kN，破壞載荷所對(duì)應(yīng)的位移為0.554mm，擠壓強(qiáng)度為1030MPa。與無間隙試樣相比，0.010mm間隙提高了連接件的承載能力。

圖9 間隙0.010mm的Mises應(yīng)力云圖

圖10 間隙0.010mm的孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖

圖11 間隙0.010mm的載荷-位移曲線

圖12和圖13是釘孔間隙為0.015mm的單釘雙剪試驗(yàn)?zāi)M的Mises應(yīng)力云圖及孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖，圖14為相應(yīng)的載荷-位移曲線。由圖中曲線可知，試樣的破壞載荷為24.39kN，破壞載荷所對(duì)應(yīng)的位移為0.564mm，擠壓強(qiáng)度為1016.25MPa。間隙為0.015mm的連接強(qiáng)度相較于間隙0.010mm，連接強(qiáng)度有所下降，但高于無間隙連接。

圖12 間隙0.015mm的Mises應(yīng)力云圖

圖13 間隙0.015mm的孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖

圖14 間隙0.015mm的載荷-位移曲線

圖15和圖16分別給出了釘孔間隙為0.020mm的單釘雙剪試驗(yàn)?zāi)M的Mises應(yīng)力云圖及孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖，圖17為相應(yīng)的載荷-位移曲線。由圖中曲線可知，試樣的破壞載荷為24.27kN，破壞載荷所對(duì)應(yīng)的位移為0.564mm，擠壓強(qiáng)度為1011.25MPa，擠壓強(qiáng)度相比間隙0.015mm有所下降。

圖15 間隙0.020mm的Mises應(yīng)力云圖

圖16 間隙0.020mm的孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖

圖17 間隙0.020mm的載荷-位移曲線

圖18和圖19分別給出了釘孔間隙為0.025mm的單釘雙剪試驗(yàn)?zāi)M的Mises應(yīng)力云圖及孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖，圖20為相應(yīng)的載荷-位移曲線。由圖中曲線可知，試樣的破壞載荷為24.12kN，破壞載荷所對(duì)應(yīng)的位移為0.572mm，擠壓強(qiáng)度為1005MPa。釘孔間隙為0.025mm時(shí)，連接件擠壓強(qiáng)度繼續(xù)保持下降趨勢(shì)。

圖18 間隙0.025mm的Mises應(yīng)力云圖

圖19 間隙0.025mm的孔邊擠壓應(yīng)力分布云圖

圖20 間隙0.025mm的載荷-位移曲線

4 結(jié) 論

本文通過Abaqus仿真軟件分別對(duì)釘孔間隙為0mm、0.005mm、0.010mm、0.015mm、 0.020mm、 0.025mm的T700級(jí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板單釘雙剪試樣模型進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，得到了不同釘孔間隙的破壞載荷、破壞載荷所對(duì)應(yīng)的位移、孔邊應(yīng)力分布情況以及擠壓強(qiáng)度，研究發(fā)現(xiàn)：

(1)孔邊應(yīng)力分布受釘孔間隙的影響較小，在0mm～0.025mm范圍內(nèi)，隨著釘孔間隙的增大，局部擠壓應(yīng)力最大值整體呈先減小后增大的趨勢(shì)。

(2)在0mm～0.025mm范圍內(nèi)，隨著釘孔間隙的增大，T700級(jí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板單釘雙剪試樣的破壞載荷先增大后減小，最大值出現(xiàn)在釘孔間隙為0.010mm時(shí)；而釘孔間隙對(duì)破壞載荷所對(duì)應(yīng)位移的影響不明顯。

(3)在0mm～0.025mm范圍內(nèi)，隨著釘孔間隙的增大，T700級(jí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板單釘雙剪試樣的擠壓強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，最大值也出現(xiàn)在孔隙為0.010mm時(shí)。

本文的研究結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)尼斂组g隙有助于提高T700級(jí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板單釘雙剪試樣的連接性能，但當(dāng)釘孔間隙超過某一值后，復(fù)合材料層壓板單釘雙剪試樣的連接性能會(huì)逐漸降低。