液體墊片對復材-鋁單搭接接頭拉伸性能的影響

葉鑫，安魯陵，岳烜德，王楚凡

(南京航空航天大學 江蘇省精密與微細制造技術重點實驗室，江蘇 南京 210016)

0 引言

復合材料因其具有比強度、比剛度高，耐腐蝕好等特性，在飛機結構中發揮著獨特的作用[1]。而鋁合金材料作為當前主要的航空工程材料，在飛機制造中仍占有較高的比例。因此復合材料與鋁合金之間的連接情況越來越多，尤其在對形狀和位置精確度要求較高的飛機裝配中，復合材料與鋁合金的裝配質量就變得越來越重要。

復合材料與鋁合金構件連接裝配時，因為制造以及裝配的偏差，兩者配合面間會產生裝配間隙。一般采用液體墊片補償的方法。然而工程上現行的復合材料裝配間隙補償工藝主要依據操作者的觀察和經驗，缺乏理論指導和科學依據，如波音和空客公司都曾對已生產飛機進行檢查，其中部分質量不合格問題是由墊片設計不合理造成的[2]。

目前研究液體墊片對復合材料接頭拉伸性能的影響已有不少成果，DHTE J X等[2]人通過采用三維數字圖像技術測量使用液體墊片后結構表面的應變和二次彎曲。結果表明，液體墊片層的引入增大了彎曲變形，改變了層內應變集中分布區域，造成了接頭拉伸剛度與峰值載荷的下降，且下降的幅度與墊片厚度成正比。LIU L等[3]人研究了當液體墊片厚度在0.5mm～1.0mm范圍內時，對復合材料-鈦合金結構承載能力的影響較小，加液體墊片后連接件的承載能力比不加墊片時高。崔雁民[4]通過有限元仿真分析了復合材料-鈦合金液體墊片補償后的力學性能，得出液體墊片能夠很好地緩解孔邊應力集中的現象、降低厚度方向上應力的結論。CHENG L等[5]研究了非均勻間隙螺栓連接的填隙效應，得出液體墊片具有較強的粘結力，提高了接頭的剛度。岳烜德等[6]研究了復合材料單搭接螺栓接頭在液體墊片補償后的拉伸力學性能，研究得出：接頭的拉伸剛度與峰值載荷隨著液體墊片厚度的增加均有所降低。

本文以復合材料-鋁合金單搭接頭為研究對象，在0～2.0mm大間隙下，系統研究強迫裝配和液體墊片對接頭力學性能的影響規律。使用3D-DIC全場應變測量系統監測構件表面的三維應變場和變形，同時利用仿真軟件建立三維有限元模型，并與試驗對比，研究液體墊片補償對復合材料-鋁合金接頭拉伸剛度、峰值載荷、表面應變分布的影響規律，進而提高復合材料-鋁合金裝配連接的質量和性能。

1 實驗研究

1.1 問題描述

在飛機裝配結構中，復合材料與鋁合金裝配結構廣泛存在，例如在復合材料翼盒[7]裝配結構中，復合材料固化成型的壁板與鋁合金翼肋之間就存在裝配關系，并且以單搭接的形式連接，如圖1所示。

針對在單搭接接頭中引入裝配間隙的問題，采用鋼墊片制造均勻裝配間隙，并使裝配間隙沿試件橫向貫通，如圖2所示。

圖1 單搭接示意圖

圖2 鋼墊片制造間隙示意圖

1.2 試樣制作

實驗使用的復合材料為CYCOM 977-2-35-24K/IMS-194，單層名義厚度為0.188mm，鋪層順序為[45/90/-45/0/90/0/-45/90/45/-45]s，共鋪疊20層，厚度為3.76mm，孔的直徑為6.35mm。其力學參數參考文獻[6]，如表1所示。鋁合金試樣采用的材料是7050-T7，彈性模量為72GPa，泊松比為0.33，厚度為4mm。試樣尺寸根據ASTM D5961[9]標準確定，基本尺寸如圖3所示，緊固件采用HST10抗剪型鈦合金高鎖螺栓，材料為Ti6Al4V，彈性模量為110GPa，泊松比為0.29，連接時保證施加在試樣上的壓力保持在8000N左右。

圖3 鋁合金-復合材料接頭尺寸

表1 材料性能參數

表2 強迫裝配下復合材料-鋁合金單搭接接頭峰值載荷和拉伸剛度實驗值

實驗使用液體墊片牌號為Henkel Loctite Hysol EA9394，其基本性質如圖4所示[9]。制作墊片層時，首先在復合材料構件上加入具有一定厚度的鋼墊片，然后將配置好的液體墊片涂抹在復合材料構件表面，使用隔離劑將其鋁合金構件隔開，最后用C型夾加壓、固定兩塊構件，去除流出的多余液體墊片，在室溫條件下固化80 h。等液體墊片固化完成后，再進行制孔連接等操作。

圖4 EA9394的應力-應變關系

1.3 實驗操作

拉伸實驗使用的是SANS CMT520/5305萬能實驗機，最大拉力為100kN。實驗采用某公司的3D-DIC系統對構件的表面應變和面外變形進行了全場三維測量，如圖5所示。該系統以數字圖像相關技術為基礎，實現了非接觸式三維測量。測量需要兩個CCD工業相機和光源。實驗前需要對復合材料板和鋁合金板噴上白色底漆，再在白色底漆上噴灑黑色小斑點制作成散斑，如圖6所示。

圖5 拉伸實驗示意圖

圖6表面散斑

實驗采用兩組相機分別對復合材料板和鋁合金板進行全場應變測量。在測試過程中，實驗加載速度為2mm/min，以一定的頻率拍攝記錄散斑圖像，當載荷從峰值下降20%或發生明顯復合材料損傷時停止加載。通過將后續圖像與第一張參考圖像進行比較，進而得到全場的位移和應變信息。

2 有限元模型

2.1 網格設置、邊界與接觸屬性

利用ABAQUS中有限元軟件，建立了復合材料-鋁合金單搭接接頭的有限元模型。為了減少接觸面，縮短計算時間，將螺栓、螺母和墊圈組合成一個整體來簡化模型。螺栓與板接觸區域是應力集中區，為了較精確地得到這一區域的應力-應變，在接觸部位進行局部網格細化。各構件網格均使用六面體線性減縮積分單元C3D8R，它可避免剪切閉鎖問題，且對計算精度影響不大。網格劃分設置情況如圖7所示。

圖7 網格劃分設置

2.2 邊界條件設置

有限元模型邊界條件如圖8所示，試件左端面限制實體單元的3個自由度來模擬實驗室被夾頭夾緊固定的情況。而夾頭拉伸的模擬則采用加載位移的方法來實現。為了便于收斂，在螺栓頭與螺母端面以及試件自由端面使用輕彈簧來約束限制Ux，Uy，Uz三個方向。螺栓載荷通過Load功能模塊中的Bolt Loa施加，施加的預緊力為8 000N。

圖8 邊界條件設置

3 結果分析與討論

3.1 載荷-位移曲線

1) 強迫裝配分析

圖9所示是實驗與有限元分析得到的強迫裝配下復合材料-鋁合金單搭接接頭載荷-位移曲線，各間隙下接頭峰值載荷和拉伸剛度實驗數據如表2，其中拉伸剛度根據文獻[10]中提到的公式計算得到，公式如下：

其中：Fmax表示極限載荷；u表示載荷對應的位移。

從圖9和表2中可以看出，隨著間隙的不斷增大，峰值載荷和拉伸剛度不斷減小。仿真結果與實驗結果相比較有一點誤差。產生誤差的原因是有限元建模時對局部結構進行簡化，影響了計算精度。從間隙0到間隙2.0mm，其中峰值載荷從17.5kN降為14.4kN，降幅為17.7%；拉伸剛度從20.7kN/mm降為8.27kN/mm，降幅為60.0%。這是因為拉伸過程中，接頭的承載能力取決于螺栓桿與孔壁接觸面積的大小，接觸面積越大，拉伸剛度和峰值載荷就越大。螺栓安裝過程中，存在較大裝配間隙的接頭，復合材料板和鋁合金板的彎曲變形較大，因而拉伸過程中螺栓桿與孔壁接觸面積顯著減小，接觸區域應力集中程度較高，導致拉伸剛度和峰值載荷的降低(因本刊黑白印刷，如有疑問可咨詢作者)。

圖9 強迫裝配下載荷-位移曲線

2) 液體墊片補償分析

圖10所示是實驗分析得到的液體墊片補償下復合材料-鋁合金單搭接接頭載荷-位移曲線。圖11是強迫裝配與液體墊片補償下復合材料-鋁合金單搭接接頭的峰值載荷和拉伸剛度。相比于強迫裝配情況，液體墊片補償后接頭極限載荷和拉伸剛度均表現出增大的趨勢。

圖10 液體墊片補償下載荷-位移曲線

從圖10曲線中可以得出，隨著墊片厚度的增加，接頭的峰值載荷呈增加趨勢，峰值載荷所對應的位移不斷增大，而從圖11可以看出拉伸剛度隨著墊片厚度的增加呈減小的趨勢。

圖11 填隙補償下復合材料-鋁合金單搭接接頭峰值載荷和拉伸剛度

含有液體墊片的接頭進行螺栓連接時，墊片可以顯著減小復合材料板與鋁合金板的彎曲變形，降低孔邊裝配應力，從而使得拉伸過程中螺栓桿與孔壁的接觸面積基本保持不變。從分析結果中可以看出，液體墊片也具有一定的承載能力，對峰值載荷的提升有一定的作用。盡管墊片厚度的增加會導致載荷偏心程度的不斷增加，但由于鋁合金具有較好的彈塑性，發生較大彎曲變形的情況下仍能與螺栓桿保持較大的接觸面積，因此峰值載荷會不斷提高。但拉伸過程中鋁合金板變形的加劇導致峰值載荷所對應的位移不斷增大，最終導致接頭剛度的降低。

3.2 復合材料表面與液體墊片變形分析

圖12所示是液體墊片補償下拉伸載荷在15kN時復合材料表面應變趨勢，間隙間隔為0.4mm。由圖可以發現，隨著液體墊片厚度的不斷增大，孔邊應變集中區范圍增大，應變峰值也增大。這是因為接頭剛度降低引起相同載荷下所對應的位移增大，導致復合材料變形增大，孔邊應變集中區域變大。

圖13所示是液體墊片厚度為2.0mm時損傷情況，液體墊片沿著拉伸方向變形最為嚴重，甚至出現裂紋，與復合材料表面應變趨勢相對應。

圖13 液體墊片損傷情況

4 結語

1) 強迫裝配時，隨著間隙的不斷增大，螺栓桿與孔壁接觸面積不斷減小，復合材料-鋁合金單搭接接頭的峰值載荷和拉伸剛度呈現減小趨勢，從間隙0到間隙2.0mm，峰值載荷和拉伸剛度降幅分別為17.7%和60.1%。

2) 液體墊片補償時，墊片可以顯著減小復合材料板與鋁合金板的彎曲變形，使得拉伸過程中螺栓桿與孔壁的接觸面積基本保持不變。且液體墊片也具有一定的承載能力，對峰值載荷的提升有一定的作用。但拉伸過程中鋁合金板變形的加劇導致峰值載荷所對應的位移不斷增大，最終導致接頭剛度的降低。

3) 隨著液體墊片厚度的增加，復合材料-鋁合金接頭峰值載荷提升，剛度開始減小，使得復合材料和液體墊片發生較大的變形。