吳承思

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

航空航天工業(yè)的發(fā)展和需求推動(dòng)了先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展, 而先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用也促進(jìn)了航空航天的進(jìn)步。先進(jìn)復(fù)合材料繼鋁、鋼、鈦之后, 迅速發(fā)展成四大結(jié)構(gòu)材料之一。將先進(jìn)復(fù)合材料用于航空航天結(jié)構(gòu)可減重20%～30%[1]。

目前復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)身、機(jī)翼等主承力結(jié)構(gòu)。但出于制造性、維修性和安全可靠性的考慮，大型商用運(yùn)輸飛機(jī)上復(fù)合材料零件之間仍采用大量的機(jī)械連接。目前部分國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于該問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究。王芳等[2]采用有限元軟件及逐步失效處理方法對(duì)層壓板螺栓連接結(jié)構(gòu)的首層失效強(qiáng)度及最終失效強(qiáng)度進(jìn)行了研究。劉魏光等[3]針對(duì)具有明顯剪切非線(xiàn)性的復(fù)合材料，提出了一種考慮剪切非線(xiàn)性影響、能夠分析和預(yù)測(cè)復(fù)合材料層合板極限承載能力的損傷模型。寧莉等[4]研究了40年來(lái)歐、美國(guó)家一系列復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用、國(guó)內(nèi)航空用復(fù)合材料的發(fā)展?fàn)顩r，以及各個(gè)時(shí)期國(guó)內(nèi)軍用、民用飛機(jī)的復(fù)合材料用量。

由分塊的復(fù)合材料壁板裝配形成機(jī)身筒段的結(jié)構(gòu)中，復(fù)合材料蒙皮縱向連接結(jié)構(gòu)由于傳遞載荷較大，屬于關(guān)鍵連接區(qū)，為保證其連接性能，一般采用螺栓機(jī)械連接[5-6]。

本文針對(duì)復(fù)合材料蒙皮的3種不同縱向連接形式，進(jìn)行拉剪載荷破壞試驗(yàn)，分析3種連接結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力及破壞模式的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)規(guī)劃

本文共研究了蒙皮3種不同縱向連接形式在拉剪復(fù)合載荷下的承載能力。試驗(yàn)件由兩塊蒙皮通過(guò)金屬接頭機(jī)械連接而成。其中蒙皮選用復(fù)合材料epsilon 97702.1/HTS-130，接頭選用鋁合金7075-T7351。試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，尺寸為400 mm×300 mm。為了考察緊固件大小對(duì)承載能力的影響，選擇了連接形式B的連接件進(jìn)行不同直徑緊固件的試驗(yàn)對(duì)比。試驗(yàn)規(guī)劃見(jiàn)表1。

圖1 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式

表1 試驗(yàn)規(guī)劃

1.2 加載裝置

試驗(yàn)加載裝置如圖2所示，其中拉伸載荷與剪切載荷的比值為1∶5。

圖2 蒙皮對(duì)接選型試驗(yàn)裝置

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

本次試驗(yàn)包括4組，每組3個(gè)試驗(yàn)件，共12個(gè)試驗(yàn)件，如圖3所示。試驗(yàn)過(guò)程中4組試驗(yàn)的試驗(yàn)件破壞現(xiàn)象基本一致。在加載過(guò)程中，具有如下特點(diǎn)：

圖3 試驗(yàn)加載照片

1)在載荷較小時(shí)，載荷-位移曲線(xiàn)呈線(xiàn)性變化。

2)當(dāng)載荷加至垂直載荷10 kN、水平載荷50 kN左右時(shí)，試驗(yàn)件發(fā)出聲響，蒙皮對(duì)接處左側(cè)縫隙變小至無(wú)，右側(cè)縫隙變大，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)件變形圖

3)當(dāng)載荷加至垂直載荷22 kN、水平載荷110 kN左右時(shí)，右下角連接部位的螺栓與連接件明顯拉開(kāi)，如圖5所示。

圖5 螺栓與連接件拉開(kāi)圖

4)載荷繼續(xù)增大至最大時(shí)，試驗(yàn)件嚴(yán)重破壞，右下側(cè)螺栓完全脫開(kāi)，部分試驗(yàn)件左下角復(fù)合材料處發(fā)生斷裂，如圖6所示。

圖6 斷裂位置圖

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)件破壞載荷分析

各試驗(yàn)件的破壞載荷見(jiàn)表2。不同連接方式的破壞載荷標(biāo)準(zhǔn)差均遠(yuǎn)小于平均值，最大標(biāo)準(zhǔn)差僅為均值的5%，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

表2 試驗(yàn)件破壞載荷

相同孔徑下，不同連接方式的破壞載荷相差較小，連接形式A試驗(yàn)件所能承受的拉剪載荷最大，連接形式C試驗(yàn)件所能承受的剪力載荷最小?？讖接?.76 mm增大到6.35 mm后，相同連接方式試驗(yàn)件的水平與垂直破壞載荷均增大，試驗(yàn)件的抗拉剪破壞性能平均提升18%。

2.2 試驗(yàn)載荷位移曲線(xiàn)分析

將試驗(yàn)過(guò)程中各試驗(yàn)件的前點(diǎn)位移、后點(diǎn)位移和水平位移與水平方向、垂直方向的試驗(yàn)載荷相結(jié)合繪制位移-載荷曲線(xiàn)。垂直方向分析前、后點(diǎn)位移與垂直載荷關(guān)系，水平方向分析水平位移與水平載荷關(guān)系，結(jié)果如圖7～18所示。

圖7 C50號(hào)試驗(yàn)件水平位移-水平載荷曲線(xiàn)

圖8 C50號(hào)試驗(yàn)件前點(diǎn)位移-垂直載荷曲線(xiàn)

圖9 C50號(hào)試驗(yàn)件后點(diǎn)位移-垂直載荷曲線(xiàn)

圖10 C52號(hào)試驗(yàn)件水平位移-水平載荷曲線(xiàn)

圖11 C52號(hào)試驗(yàn)件前點(diǎn)位移-垂直載荷曲線(xiàn)

圖13 C51號(hào)試驗(yàn)件水平位移-水平載荷曲線(xiàn)

圖14 C51號(hào)試驗(yàn)件前點(diǎn)位移-垂直載荷曲線(xiàn)

圖15 C51號(hào)試驗(yàn)件后點(diǎn)位移-垂直載荷曲線(xiàn)

圖16 C53號(hào)試驗(yàn)件水平位移-水平載荷曲線(xiàn)

為分析不同連接方式對(duì)水平位移-水平載荷的影響，繪制全試驗(yàn)件試驗(yàn)結(jié)果，如圖19所示。

從圖7～圖18可觀察到各試驗(yàn)件不同方向的位移-載荷曲線(xiàn)、各次試驗(yàn)的吻合程度及破壞點(diǎn)。從圖19可觀察試驗(yàn)件受到水平載荷后，線(xiàn)性范圍內(nèi)的位移變化規(guī)律。比較各試驗(yàn)件線(xiàn)性范圍內(nèi)曲線(xiàn)斜率，可分析出各試驗(yàn)件的剛度，由大到小依次為C53號(hào)試驗(yàn)件、C50號(hào)試驗(yàn)件、C51號(hào)試驗(yàn)件、C52號(hào)試驗(yàn)件。

圖17 C53號(hào)試驗(yàn)件前點(diǎn)位移-垂直載荷曲線(xiàn)

圖18 C53號(hào)試驗(yàn)件后點(diǎn)位移-垂直載荷曲線(xiàn)

圖19 全試驗(yàn)件水平位移-水平載荷曲線(xiàn)

相同孔徑下，連接方式A的水平剛度最大，連接方式B的水平剛度最小。連接方式B的C53試驗(yàn)件剛度大于C52和C50，說(shuō)明增大孔徑對(duì)水平剛度的影響大于不同連接形式對(duì)水平剛度的影響。

3 結(jié)論

1) 3種連接形式的試驗(yàn)件所能承受的破壞載荷差別不大。連接形式A試驗(yàn)件所能承受的拉剪載荷最大，連接形式B試驗(yàn)件所能承受的拉力載荷最小，連接形式C試驗(yàn)件所能承受的剪力載荷最小。

2)在此試驗(yàn)中，緊固件直徑越大，試驗(yàn)件所能承受的破壞載荷也越大。

3)水平方向連接方式A剛度最大，連接方式B剛度最小，相同連接方式下，試驗(yàn)件的剛度隨孔徑的增大而增大。