樹(shù)脂基復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣安裝邊連接強(qiáng)度研究

劉豫霖，溫衛(wèi)東，崔海濤，張宏建

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

復(fù)合材料的飛速發(fā)展，給航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)材料的使用提供了新的選擇，由原先單一地使用金屬材料，逐漸發(fā)展到今天大比重地運(yùn)用復(fù)合材料。航空發(fā)動(dòng)機(jī)安裝邊為典型的法蘭螺栓連接結(jié)構(gòu)，且多采用不含墊片的螺栓聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)形式。隨著復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上大量應(yīng)用，基于《航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行的金屬材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法已經(jīng)趨于落后，一些傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式已不能滿足現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，亟待一些新的設(shè)計(jì)方法來(lái)加以完善和提高。

目前國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)安裝邊機(jī)械連接結(jié)構(gòu)已開(kāi)展大量的試驗(yàn)研究與理論分析。MAYURAM M M等[1]分析了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中螺栓聯(lián)接的計(jì)算分析方法，分析了金屬機(jī)匣法蘭厚度、高度和螺栓的比例在不同軸向力和氣體壓力下的應(yīng)力和變形。GALAI H和BOUZID A H[2]簡(jiǎn)化了機(jī)匣模型，使用有限元計(jì)算和環(huán)形板理論進(jìn)行分析比較，得到了比較好的結(jié)果。鄭權(quán)等[3]對(duì)單點(diǎn)L型復(fù)合材料機(jī)械連接接頭的承載能力與失效行為進(jìn)行研究，還探究不同鋪層所占比例對(duì)于L型復(fù)合材料機(jī)械連接接頭承載能力的影響。陳佳等[4]通過(guò)試驗(yàn)研究表明在連接點(diǎn)粘接金屬墊片，可以有效提升復(fù)合材料L型端框接頭的拉伸承載能力。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖對(duì)安裝邊機(jī)械連接結(jié)構(gòu)的研究取得了一些成果，但對(duì)于復(fù)合材料機(jī)匣安裝邊這一典型結(jié)構(gòu)的關(guān)注較少。航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜多變，本文在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，開(kāi)展不同溫度環(huán)境和不同螺栓預(yù)緊力工況的復(fù)合材料機(jī)匣安裝邊模擬件靜載拉伸試驗(yàn)研究；基于逐漸損傷方法開(kāi)發(fā)APDL參數(shù)化仿真程序，并對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)對(duì)象與試驗(yàn)過(guò)程

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣安裝邊結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。為較好地模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣安裝邊連接結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)?zāi)M件采用金屬-復(fù)合材料連接的模式。

圖1 機(jī)匣安裝邊連接結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)件金屬端材料為T(mén)C11鈦合金；復(fù)合材料端采用T700/EC240A碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料層合板，鋪層數(shù)為48層，鋪層角度為[60/0/-60]s，單層預(yù)浸料厚度為0.125mm。連接結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中連接螺栓使用12.9級(jí)高強(qiáng)度合金鋼螺栓M8×40連接。

試驗(yàn)在南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院MTS試驗(yàn)機(jī)上完成。試驗(yàn)溫度條件分別為室溫22℃和200℃，試驗(yàn)溫度控制系統(tǒng)采用REXC-700智能溫度控制儀與加熱帶組合的方式進(jìn)行試驗(yàn)溫度的控制。制定試驗(yàn)螺栓預(yù)緊力水平分別為 0、0.2σb、0.5σb，其中σb為連接螺栓的抗拉強(qiáng)度。有關(guān)于螺栓預(yù)緊力的經(jīng)驗(yàn)公式粗略計(jì)算，可以認(rèn)為螺栓預(yù)緊力Fm≈T/0.2d(kN)，反推算出所需螺栓擰緊力矩分別為0、15 N·m、35 N·m。具體試驗(yàn)件尺寸以及連接方式見(jiàn)圖2。試驗(yàn)工況及試驗(yàn)件安排見(jiàn)表1。

圖2 機(jī)匣安裝邊連接結(jié)構(gòu)示意圖

表1 試驗(yàn)件安排

試驗(yàn)過(guò)程中，將施加擰緊力矩后的試驗(yàn)件裝夾到試驗(yàn)機(jī)上，使用溫控設(shè)備進(jìn)行加溫至指定溫度并保溫10min后，進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)。拉伸載荷加載速率為2mm/min，載荷加至螺栓接頭失去承載能力。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

無(wú)論是室溫環(huán)境下，還是200℃溫度環(huán)境下，安裝邊連接結(jié)構(gòu)都呈現(xiàn)相似的破壞過(guò)程。所以選擇0.2σb預(yù)緊力水平的試驗(yàn)件在室溫和200℃環(huán)境下的全程載荷-位移曲線來(lái)對(duì)整個(gè)加載過(guò)程進(jìn)行分析，如圖3所示。整個(gè)加載過(guò)程大致可以分為3個(gè)階段：第1階段為彈性階段，載荷與位移呈線性關(guān)系，隨位移增加載荷迅速增大到最大值；第2階段為結(jié)構(gòu)屈服階段，在經(jīng)過(guò)載荷峰值后，載荷值下降到峰值的一半左右，隨位移增加載荷不再增加；第3階段為非線性增長(zhǎng)階段，結(jié)構(gòu)屈服階段結(jié)束后，隨位移增加，載荷值繼續(xù)上升，載荷值上升過(guò)程呈現(xiàn)非線性。同在0.2σb預(yù)緊力水平下，室溫環(huán)境試件的載荷峰值為18.71kN；200℃溫度環(huán)境試件的載荷峰值為9.45kN，相比室溫環(huán)境強(qiáng)度下降明顯。

圖3 試驗(yàn)全程載荷-位移曲線

在室溫情況下，試驗(yàn)載荷施加過(guò)程中，在彈性階段可觀察到復(fù)合材料試件發(fā)生輕微彎曲，當(dāng)達(dá)到第一個(gè)載荷峰值時(shí)，試件發(fā)出劈裂聲，隨即載荷下降，進(jìn)入結(jié)構(gòu)屈服階段；結(jié)構(gòu)屈服階段過(guò)程中，復(fù)合材料試件不斷發(fā)出劈裂聲，復(fù)合材料試件彎曲變形加劇，側(cè)面可觀察到明顯的分層損傷，折角處基體開(kāi)裂；當(dāng)試件的彎曲折角處幾乎被拉直時(shí)，進(jìn)入非線性增長(zhǎng)階段，此階段除了試件不斷發(fā)出劈裂聲外，還可聽(tīng)到纖維斷裂聲。200℃溫度情況下，由于溫度升高使樹(shù)脂基體軟化，試驗(yàn)過(guò)程中不發(fā)出分層劈裂聲，整個(gè)加載過(guò)程更短，試件破壞過(guò)程與室溫情況相似。室溫情況下加載過(guò)程破壞圖片見(jiàn)圖4。

圖4 室溫下各破壞階段圖片

由試驗(yàn)可知，安裝邊模擬試驗(yàn)件經(jīng)過(guò)彈性階段進(jìn)入結(jié)構(gòu)屈服階段后便發(fā)生不可恢復(fù)的損傷，在工程實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)把彈性階段的載荷峰值作為連接結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度。

兩個(gè)溫度條件下以及各個(gè)預(yù)緊力工況的試件彈性階段的載荷位移曲線如圖5所示。由圖5可知，室溫環(huán)境下，彈性階段位移在4mm以內(nèi)。室溫環(huán)境下施加螺栓預(yù)緊力能夠提高復(fù)合材料安裝邊連接結(jié)構(gòu)的拉伸剛度，預(yù)緊力水平越高，連接結(jié)構(gòu)拉伸剛度越大；在200℃溫度環(huán)境下，彈性階段位移在2mm以內(nèi)。200℃溫度環(huán)境下復(fù)材安裝邊連接結(jié)構(gòu)拉伸強(qiáng)度下降明顯，此時(shí)螺栓預(yù)緊力對(duì)安裝邊連接機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度影響較小，螺栓預(yù)緊力的施加會(huì)使安裝邊連接結(jié)構(gòu)在加載過(guò)程中呈現(xiàn)出更強(qiáng)的塑性。

圖5 溫度環(huán)境試件彈性階段載荷-位移曲線

2 數(shù)值仿真

復(fù)合材料失效過(guò)程并不像各項(xiàng)同性材料，而是一個(gè)累積損傷、漸進(jìn)失效的過(guò)程。對(duì)復(fù)材安裝邊連接結(jié)構(gòu)運(yùn)用逐漸損傷分析方法進(jìn)行數(shù)值仿真分析,以預(yù)測(cè)其在各個(gè)工況下彈性階段破壞強(qiáng)度和損傷擴(kuò)展過(guò)程。

2.1 失效準(zhǔn)則與性能退化方式

在分析復(fù)合材料安裝邊螺栓連接結(jié)構(gòu)過(guò)程中，采用Hashin三維失效準(zhǔn)則判斷各單元是否失效，表達(dá)式如下：

1)纖維拉伸失效：σ1>0

(1)

2)纖維壓縮失效：σ1<0

(2)

3)基體拉伸失效：σ2>0

(3)

4)基體壓縮失效：σ2<0

(4)

5)纖基剪切失效：σ1<0

(5)

6)法向拉伸分層失效：σ3>0

(6)

7)法向壓縮分層失效：σ3<0

(7)

其中：σi為各個(gè)主方向上正應(yīng)力；σij為相應(yīng)面內(nèi)單層板的剪應(yīng)力；Xk、Yk、Zk、Sij分別為溫度環(huán)境下各個(gè)主方向上單層板的強(qiáng)度，k為C時(shí)表示壓縮，k為T(mén)時(shí)表示拉伸；Eij為相應(yīng)溫度的面內(nèi)初始切變模量；α是材料非線性因子。

復(fù)合材料隨著載荷的增加將產(chǎn)生各種形式的單元損傷，復(fù)合材料單元失效后，承載能力也隨之降低，載荷將重新分配。在計(jì)算中使用合適的剛度折減來(lái)表示材料承載能力的變化。

本文采取的參數(shù)退化準(zhǔn)則對(duì)失效單元進(jìn)行剛度折減，具體方案如下[5]：

1)纖維拉伸斷裂或纖維壓縮破壞。E1、E2、E3、G12、G13、G23、v12、v13、v23均乘以退化系數(shù)k=0.02；

2)基體拉伸或壓縮破壞。僅E2乘以退化系數(shù)k=0.04，其他剛度參數(shù)不變；

3)基體-纖維剪切破壞。僅G12、v12退化到0，其他剛度參數(shù)不變；

4)法向拉伸或壓縮破壞(分層破壞)。E3乘以退化系數(shù)k=0.04，G12、G23、v13、v23退化到0；

上述準(zhǔn)則中E、v、G分別表示彈性模量、泊松比和切變模量。

2.2 APDL仿真程序設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果

基于逐漸損傷分析方法、Hashin三維失效準(zhǔn)則以及上文中提到的材料參數(shù)退化方式建立復(fù)合材料安裝邊螺栓連接結(jié)構(gòu)拉伸加載的有限元分析模型[6]。利用ANSYS有限元分析平臺(tái)APDL參數(shù)化語(yǔ)言編寫(xiě)了有限元分析程序。仿真程序流程圖見(jiàn)圖6。

圖6 仿真程序設(shè)計(jì)流程圖

安裝邊螺栓連接結(jié)構(gòu)有限元模型圖見(jiàn)圖7。有限元模型上端為復(fù)合材料端，采用層單元分層建模，共48層，每層根據(jù)對(duì)應(yīng)鋪層角度單獨(dú)設(shè)置單元坐標(biāo)系及材料參數(shù)。T700/EC240A復(fù)合材料單向板性能見(jiàn)表2。安裝邊連接結(jié)構(gòu)下端為金屬端。

圖7 安裝邊連接結(jié)構(gòu)有限元模型

表2 T700/EC240A單向板性能

結(jié)構(gòu)最終失效定義為：任意鋪層當(dāng)分層損傷擴(kuò)展到整個(gè)連接結(jié)構(gòu)寬度時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)最終失效。

仿真過(guò)程與試驗(yàn)加載過(guò)程的載荷-位移曲線對(duì)比見(jiàn)圖8。室溫環(huán)境下仿真加載的連接結(jié)構(gòu)剛度略高于試驗(yàn)值，仿真破壞強(qiáng)度約20kN，與試驗(yàn)值相差7.75%；200℃溫度環(huán)境下，仿真位移載荷曲線塑性表現(xiàn)不如試驗(yàn)曲線，仿真破壞強(qiáng)度約10kN，與試驗(yàn)值相差5.93%。總體來(lái)說(shuō)仿真加載曲線與試驗(yàn)加載曲線擬合度較好，可以認(rèn)為仿真加載過(guò)程能夠較好地體現(xiàn)試驗(yàn)實(shí)際加載過(guò)程。

圖8 試驗(yàn)仿真載荷-位移曲線圖

仿真過(guò)程各鋪層破壞形式與試驗(yàn)對(duì)比如圖9所示。仿真過(guò)程中，鋪層損傷以中間鋪層的60°層和-60°層為主，損傷形式以基體開(kāi)裂(灰色區(qū)域)和分層損傷(黃色區(qū)域)為主，這都與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。由此可驗(yàn)證逐漸損傷分析方法對(duì)于復(fù)材安裝邊連接結(jié)構(gòu)損傷過(guò)程分析的有效性(本刊為黑白印刷，如有疑問(wèn)請(qǐng)咨詢作者)。

基體開(kāi)裂和分層損傷這兩種損傷形式主要與復(fù)合材料的層間性能有關(guān)。復(fù)合材料層合板的層間性能主要取決于所用樹(shù)脂基體，而樹(shù)脂性能受環(huán)境溫度影響很大，這也從側(cè)面解釋了試驗(yàn)中安裝邊連接結(jié)構(gòu)在200℃環(huán)境下強(qiáng)度衰減程度較大的原因。

圖9 彈性階段試驗(yàn)仿真損傷對(duì)比圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)試驗(yàn)與仿真，探究復(fù)合材料安裝邊連接結(jié)構(gòu)在不同溫度環(huán)境和不同預(yù)緊力工況下的破壞過(guò)程和行為。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在室溫情況下，螺栓預(yù)緊力水平會(huì)增加連接結(jié)構(gòu)的剛度。安裝邊連接結(jié)構(gòu)在200℃環(huán)境下，強(qiáng)度下降明顯，且整個(gè)加載過(guò)程呈現(xiàn)出更強(qiáng)的塑性。

基于逐漸損傷分析方法的仿真能對(duì)復(fù)合材料安裝邊連接結(jié)構(gòu)的損傷過(guò)程進(jìn)行較好地模擬，對(duì)于復(fù)合材料安裝邊連接結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)與工程維護(hù)有一定的參考意義。仿真結(jié)果中損傷形式主要以基體開(kāi)裂和分層損傷為主，這兩種損傷形式主要與復(fù)合材料的層間性能有關(guān)，即與復(fù)合材料樹(shù)脂基體的性能相關(guān)。樹(shù)脂基體的性能受環(huán)境溫度影響較大，這也解釋了安裝邊連接結(jié)構(gòu)在200℃下強(qiáng)度衰減程度大的原因。