配合間隙對陶瓷基復合材料連接結構高溫拉伸性能的影響

呂 超，李 鋒，趙淑媛，孫 茜，蒲澤良

（1.中國航天空氣動力技術研究院，北京，100074；2.哈爾濱工業大學特種環境復合材料技術國家級重點實驗室，哈爾濱，150080；3.中國航空工業集團公司沈陽飛機設計研究所，沈陽，110035）

0 引 言

在復合材料機械連接結構中，沉頭螺栓連接結構因具有外表面光滑且傳遞載荷平穩等優勢而廣泛應用于航空航天飛行器結構領域，特別是具有平滑氣動外形及隱身性能要求的飛行器蒙皮結構。然而，由于連接材料的不連續或結構形狀的間斷，導致沉頭螺栓緊固件孔周產生復雜的應力集中，從而顯著降低復合材料連接結構的承載效率。因此，沉頭螺栓連接件的強度分析與設計對提高結構承載效率及維護結構完整性起著至關重要的作用，成為飛行器結構設計中的關鍵技術[1～4]。目前，針對沉頭螺栓緊固件對連接結構力學性能的影響研究大多集中于纖維增強樹脂基復合材料機械連接結構[5～10]，而對于陶瓷基復合材料沉頭螺栓連接結構力學行為及失效模式的相關研究還較少。本研究將采用Abaqus有限元軟件對2D編織C/SiC陶瓷基復合材料與高溫合金組成的沉頭螺栓連接結構承受高溫拉伸載荷時的漸進損傷失效過程進行模擬，研究不同豁口深度條件下間隙配合精度對連接結構高溫拉伸性能的影響，并討論了結構失效損傷擴展機制，所得結果為陶瓷基復合材料與金屬混合連接結構的高溫結構分析與設計提供理論指導。

1 沉頭螺栓連接結構的有限元建模

研究對象為2D編織C/SiC復合材料-高溫合金單釘單搭沉頭螺栓連接結構，其材料類型及結構參數見表1。

表1 材料類型及結構參數 Tab.1 Material Types and Structural Parameters

2D編織C/SiC陶瓷基復合材料假設為橫觀各向同性材料，其本構模型呈現非線性行為，關于本研究所采用的非線性本構模型詳見文獻[11]和文獻[12]。由于高溫合金的屈服強度遠高于陶瓷基復合材料，因此螺栓連接結構的失效過程主要由復合材料的性能決定，因此在有限元分析中暫不考慮高溫合金的塑性和破壞，材料處于彈性變形階段。2D平面編織C/SiC陶瓷基復合材料及高溫合金的力學性質及熱物理性能見文獻[11]和文獻[12]。采用ABAQUS軟件建立了2D編織C/SiC復合材料-高溫合金螺栓連接結構有限元模型，如圖1所示。采用八結點線性縮減積分六面體單元并設置增強沙漏控制對結構進行網格劃分。根據高溫合金板、復合材料板及螺栓之間的接觸關系，在Abaqus中定義5組接觸對，分別為螺釘上豁口與復材板上豁口接觸，螺釘中徑表面與復材板中徑表面接觸，螺釘中徑表面與高溫合金板中徑表面接觸，復材板下表面與合金板上表面接觸，螺母上表面與合金板下表面接觸，并定義各接觸面間摩擦系數為 0.3。使用 Abaqus中的Bolt load命令在螺栓桿的橫截面上施加6000 N的軸向預緊力。整個連接結構施加750 ℃的均勻溫度載荷。在對混合連接結構拉伸性能的模擬中，對連接結構左端部（即高溫合金板一側）所有方向施加固支約束，即Ux=Uy=Uz=0，對連接結構右端部（即陶瓷基復合材料板一側）x方向施加單軸拉伸力學載荷，并約束其他2個方向的位移，即Uy=Uz=0，Rx=Ry=Rz=0。

圖1 2D C/SiC陶瓷基復合材料及高溫合金沉頭螺栓連接結構 Fig.1 2D C/SiC Composite-superalloy Countersunk Bolted Joint

2 沉頭螺栓連接結構漸進損傷分析及流程

在 C/SiC陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓連接結構的漸進損傷失效分析中，采用 2D平面編織C/SiC復合材料的唯象宏觀本構模型描述材料的非線性行為，Tsai-Wu強度理論作為陶瓷基復合材料的失效判據[13]。采用Fortran語言將非線性本構模型、失效準則及材料退化模型編寫成用戶子程序UMAT文件，并嵌入到 Abaqus有限元軟件中實現混合連接結構的漸進損傷分析，其流程如圖2所示。

圖2 漸進損傷分析流程 Fig.2 Flowchart for Progressive Damage Analysis

首先，建立陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓連接結構的有限元模型，并輸入材料屬性、邊界條件等參數。根據2D編織C/SiC復合材料及高溫合金材料的本構模型對連接結構模型進行應力計算，將計算得到的單元應力代入到強度準則中判斷材料單元點是否發生失效，若發生失效則將失效單元點的材料性能折減，然后將增大施加載荷，并在新的載荷水平下重新進行應力計算。當連接結構發生最終失效時，連接結構損傷失效模擬終止。關于2D平面編織C/SiC陶瓷基復合材料本構模型及漸進損傷分析方法的驗證可詳見文獻[11]和文獻[12]。

3 結果及討論

圖3 不同豁口深度下間隙配合精度對陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓連接結構高溫單軸拉伸性能的影響 Fig.3 The Load-displacements Curves of the CMC/superalloy Countersunk Joints with Different Values of Clearance Level under Given Values of Countersunk Height

續圖3

在對2D 編織 C/SiC陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓連接結構進行高溫拉伸性能模擬中，釘頭直徑取9.4 mm，不同豁口深度下間隙配合精度對陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓連接結構高溫單軸拉伸性能的影響如圖3所示。 由圖3可知，所有工況下陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓連接結構的載荷-位移曲線均呈現出明顯的非線性。在加載過程中，由于單元損傷和破壞的產生，連接結構的剛度會發生折減。隨著載荷的繼續增加，結構完全破壞。在不同豁口深度下，間隙配合精度對單軸拉伸條件下結構初始剛度的影響均較小，而對連接結構的失效載荷影響較大。不同豁口深度條件下間隙配合精度對拉伸失效載荷的影響情況見表2。

表2 不同豁口深度條件下間隙配合精度對高溫拉伸失效 載荷的影響 Tab.2 Effect of Clearance Level on The High Temperature Failure Load under Different Countersunk Height 單位：N

由表2可知，除豁口深度 1.9 mm 工況外，其他3種豁口深度條件下結構失效載荷均隨間隙配合精度的增加先增大后減小，當間隙配合精度達到0.8%時，結構達到最大的失效載荷。對1.9 mm工況下，失效載荷隨間隙量的增加而增大，但具有0.8%間隙的連接結構的失效載荷為2956.19 N，僅稍低于間隙1.2%結構的失效載荷3112.01 N。在間隙配合精度為0.4%時，當豁口深度從1.5 mm增加到2.1 mm時，結構的失效載荷從2181.12 N持續降低到646.34 N，而其他2種間隙配合精度下結構的失效載荷則隨豁口深度的增大先增加后減小。陶瓷基復合材料沉頭螺栓連接結構剛度及失效載荷發生變化的原因主要考慮如下，室溫裝配的不同配合間隙的連接結構在升高到750 ℃時由于結構熱失配效應導致結構間隙配合精度及預緊力發生顯著變化，而在相同的豁口深度下，相同溫度變化對結構裝配預緊力的影響幾乎相近，因此結構承受拉伸載荷時克服的摩擦力相近，從而使同豁口深度下間隙配合精度對結構拉伸剛度的影響較小。

除此之外，增加沉頭螺栓沉頭高度使得螺栓沉頭部分承擔了更多的載荷，沉頭螺栓與復合材料層合板的接觸面積增大，在拉伸時沉頭部分對層合板厚度方向上的擠壓減少，導致復合材料沉頭螺栓連接結構孔周應力的重新分布，因此產生了陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓連接結構失效載荷隨間隙配合精度及沉頭高度的復雜變化趨勢。當結構的豁口深度為1.7 mm，間隙配合精度為0.8%時沉頭螺栓連接結構的承載能力達到最大值3134.89 N。不同間隙配合精度下沉頭螺栓連接結構破壞后的失效單元分布見圖4。連接結構的損傷失效過程一般優先在陶瓷基復合材料板左側底層單元發生失效，然后逐步向上側擴展，將上下側的失效單元貫穿后再向外圍擴展，直至結構完全發生破壞。

圖4 不同間隙配合精度下沉頭螺栓連接結構破壞后的失效 單元分布 Fig.4 Failure Element Distribution of the CMC/superalloy Countersunk Bolted Joint under Different Clearance Levels

續圖4

由圖4可知，在間隙配合精度為0.4%的工況下，陶瓷基復合材料的損傷失效擴展范圍小，主要集中在孔周左側接觸面一個很狹長的區域，結構發生過早失效，而間隙配合精度為0.8%和1.2%的情況下，損傷單元擴展范圍較大，當連接結構間隙配合精度為0.8%時，沉頭螺栓連接結構失效載荷達到最優。

4 結束語

采用Abaqus有限元軟件對2D編織C/SiC陶瓷基復合材料與高溫合金組成的沉頭螺栓連接結構承受高溫拉伸載荷時的漸進損傷失效過程進行模擬，研究了不同豁口深度條件下間隙配合精度對連接結構高溫拉伸性能的影響，并對結果進行了分析。結果表明，由于陶瓷基復合材料與高溫合金沉頭螺栓連接結構高溫熱失配效應及螺栓與復合材料孔周接觸面積的變化導致螺栓連接件裝配區域的復雜應力分布狀態，750 ℃工況下連接結構的間隙配合精度對結構的剛度影響較小，而對結構失效載荷影響較大。當結構的豁口深度為1.7 mm，間隙配合精度為0.8%時沉頭螺栓連接結構的承載能力達到最大值3134.89 N。合理設計連接結構的幾何及裝配參數有助于提高陶瓷基復合材料連接結構的高溫承載效率。