Glare連接件力學性能研究

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點的玻璃纖維增強鋁合金層合板（Glare）是航空領域未來的選材之一。Glare層合板屬于纖維增強合金層合板的一種，其不僅僅是具有纖維增強合金層合板的一半特點，還有著相當強的抗疲勞性能以及很高的強度。本文簡述了Glare層合板在航空結構上的應用情況。研究了干涉配合對單釘單剪玻璃纖維增強鋁合金連接件擠壓強度的影響。

關鍵詞：Glare層合板接頭 單釘單剪 干涉配合

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

隨著航空科技的快速發展和空襲兵器功能日益多樣化，人們對導彈結構提出了更為苛刻的減重、低成本等要求。研究表明在航空結構復材中，70%的失效出現在連接處，機械連接更是復合材料在應用過程中的關鍵所在。Glare層板因為同時具有金屬材料和復合材料的特點，為了讓Glare層板在飛行器結構中得到廣泛應用，就要充分的考慮連接問題。因為復合材料因其具有各向異性的特點，因此，在研究Glare層板的連接問題中需著重考慮[1]。

1 Glare層板的力學性能

1.1 Glare層板的拉伸性能

玻璃纖維增強鋁合金層板因為其內鋁層塑性的影響，在拉伸載荷的作用下通常會表現出非完全彈性行為，圖1是應用于A380上的Glare層板和其組成成分中玻璃纖維以及鋁合金的應力-應變對比圖[2]。從該圖中可以看到Glare層板相比于2024-T3鋁合金板更先進入塑性區，這是因為纖維層對金屬層有支持作用。

因為玻璃纖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層板進行了拉伸測試試驗參考了ASTM D3039試驗標準。

1.2 Glare層板機械連接

纖維增強復材連接的主要形式有單剪、雙剪以及對接等。在纖維增強復合材料的設計中為了盡可能地讓其破壞模式是擠壓破壞，連接件的設計根據表1完成[3-4]，可以讓連接件發生擠壓強度破壞。纖維方向的不同會對復合材料的機械連接強度產生較大影響，不同的鋪層方向通過受力互補的方式來提高其連接強度。由于0o鋪層主要用來提高抗拉強度，90o鋪層可以協調層合板的泊松比，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層板特殊的力學性能，一般推薦使用高鎖螺栓的緊固件，使用抽釘工藝進行安裝。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鋁合金連接件結構有限元模擬

2.1 建模方法

玻璃纖維增強鋁合金層板由于它鋪層結構的特殊性，所以它的有限元建模方法和傳統的復合材料層板有所區別。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]。

由于結構和載荷在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方向對稱邊界條件。

通過ABAQUS軟件進行模擬計算，得出所需的結果。

2.2 單釘單剪玻璃纖維增強鋁合金連接強度三維模擬結果及分析

試驗數據與有限元模擬數據的載荷-位移曲線如圖3所示。

從圖3中可以看出，開始加載階段，且發生破壞前，曲線吻合度較高，說明剛度模擬準確。位移加載到一定階段后，還沒有出現大面積破壞時，曲線斜率降低，之后處于相對平穩的階段，在出現明顯破壞后，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

螺釘連接結構的干涉量主要有兩種表達方式：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構的干涉量。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行有限元模擬及計算，得出的載荷-位移曲線。

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

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

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

3 結語

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鋁合金單釘單剪連接件為研究對象，以國內外的研究成果作為基礎，通過有限元軟件ABAQUS建立了單釘單剪玻璃纖維增強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鋁合金連接件的擠壓強度。

本文主要研究內容和研究成果如下。

應用有限元軟件ABAQUS建立單釘單剪玻璃纖維增強鋁合金連接件，并對其進行靜力分析。在與試驗條件相同的情況下，對數值模擬結果與試驗結果進行比較，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行了分析。得出適當的干涉配合能夠提高玻璃纖維增強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%左右時可以得到較高的承載能力及剛度。

參考文獻

[1] G Wu， JM Yang，H T Halm. The impact properties and damage tolerance and of bi-directionally reinforced fiber metal laminates[J]. Journal of Materials Science， 2007，42（3）：948-957.

[2] 謝鳴九.復合材料連接手冊[M].北京：航空工業出版社，1994.

[3] 肖軍，張鵬.輕質復合材料舵翼面的材料設計[J].航空兵器，2008（5）：57-61.

[4] 高宗戰，王毅，黃帥軍，等.導彈舵面的復合材料設計與分析[J].航空兵器，2016（4）：63-68.