復合材料螺栓連接結構力學性能研究進展*

豆廣征，劉 峰，王卓煜，李雪江

(中國民用航空飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢 618307)

復合材料因具有比強度高、比剛度高、可設計性強等特點，被廣泛應用在航空航天領域。近年來，飛機結構中采用復材制造的部件從艙門、垂尾等次承力部件逐漸過渡到機身、機翼等主承力部件[1]。螺栓連接以其承載能力高、易拆卸等特點，成為復合材料最重要的連接形式之一。常用的層合復合材料具有正交各向異性力學特征，復材螺栓連接強度問題成為影響結構強度的關鍵問題之一。大量實驗和工程案例表明，連接部位通常是整個結構的薄弱環(huán)節(jié)，對連接進行準確的失效分析和強度預測是保障結構安全的必要條件。復材螺接失效預測主要分為2步：通過試驗測定法或計算分析法給出外載荷作用下釘載的分配情況；對應力水平最高的一些關鍵孔進行失效分析。另外，復合材料鋪層順序、螺栓擰緊力矩等因素也對連接強度有較大影響，國內(nèi)外學者也對此進行了較為深入的研究[2-4]。

本文對復合材料螺接結構的失效機理、分析方法以及強度影響因素進行了綜述，并對未來的相關研究方向進行了展望，為復材螺接結構在航空航天領域的應用提供參考。

1 失效形式

復材螺接結構中，被連接板一般有2種受載方式：剪切和拉伸。2種載荷下螺栓都受剪切載荷作用。該結構失效模式主要有層合板的拉伸、擠壓、剪切和劈裂破壞及螺栓的剪切、拉脫破壞。其中，層合板的拉伸破壞是全局性失效，主要是層合板寬度過小、鋪層過少或垂直于載荷方向鋪層比例過大造成。擠壓破壞出現(xiàn)在層合板緊固件孔壁，屬于局部損傷；剪切破壞和劈裂破壞作為2種低強度破壞會導致連接完全失效，應避免發(fā)生。螺栓的彎曲失效和剪斷破壞一般出現(xiàn)在層合板厚度與螺栓直徑之比較大時。在實際中，往往2～3種破壞模式同時發(fā)生，例如拉伸-剪切、擠壓-剪切等[5]。復合材料螺栓連接失效形式如圖1所示。

2 釘載分配

在幾何構型相同的情況下，復合材料應力集中情況較金屬板更明顯。對于復合材料層合板多釘連接結構，準確地預測釘載分配成為復合材料連接技術中的重要環(huán)節(jié)。確定釘載分配的方法主要有2類：試驗測定法和計算分析法。試驗測定法主要有應變計電測法和測量螺栓法[6]；計算分析法主要為有限元法。

a) 單一型破壞形式

b) 混合型破壞形式

2.1 試驗測定法

應變計電測法確定釘載是一種間接測量方法。通過在試驗件寬度方向黏貼應變片，得到截面上應變分布規(guī)律，進而計算釘載分配。V. P. Lawlor等[7]通過應變計電測法研究了單排三釘雙搭連接接頭中，釘載分配受螺孔間隙量的影響；劉向東等[8]用應變計電測法獲得了連接件應變分布，估算了釘載分配，并與有限元分析方法分析結果作了對比，應變測量情況比較吻合，但釘載分配結果存在較大偏差。

B. Palmberg[9]提出的測量螺栓法是目前應用最廣泛的釘載測試技術，在釘孔兩側開槽，并將應變片粘貼在槽內(nèi)剪切面兩側沿±45°方向，在結構承載過程中，測量螺栓剪應變并基于螺栓輸出應變與載荷對應關系確定傳遞的載荷如圖2所示。V. P. Lawlor等采用測量螺栓法并對復合材料層合板三釘單剪連接接頭釘載分配問題進行了研究。J. Ekh等[10]采用測量螺栓法獲得了復合材料-鋁板四釘單剪連接的釘載分配，試驗測定數(shù)據(jù)與計算結果高度一致。

圖2 測量螺栓法

測量螺栓法相較于應變計電測法，在安裝精度上有著更高的要求，同時也表現(xiàn)出更好的測量精度。

2.2 計算分析法

有限元法是目前最常用的釘載分配分析方法，該方法考慮連接板與螺栓接觸面上由接觸面變化和摩擦作用引起的接觸非線性問題，在模擬層合板螺栓連接結構時具有更高的真實性。根據(jù)有限元模型單元維數(shù)不同對有限元模擬法進行分類。一類是將連接板和螺栓用低維單元模擬建立有限元模型，J. Ehk等[11]采用一維單元梁模型模擬層合板和螺栓。劉向東等將層合板用Shell99殼單元模擬，螺栓用Beam188梁單元模擬，研究釘載分配特性。二維有限元模擬法模擬連接條件，計算方便，結果可靠。但在研究釘載分配影響因素時，需要附加單元或約束。另一類是J. Kim等[12]采用的三維實體有限元建模。該類模型對螺栓和連接板之間的接觸進行了詳細定義[13-15]，載荷分配計算結果精度高，并且可以模擬幾何參數(shù)及外界因素對載荷分配的影響，但模型劃分復雜，計算效率降低。隨著有限元技術的發(fā)展，P. J. Gray等[16]提出了全局螺栓連接模型，即對于螺栓及螺孔附近區(qū)域采用三維單元建模，其余部分采用二維單元建模，且對連接板和螺栓之間用剛性接觸面進行耦合。該模型在確保預測精度的前提下，大大提高了計算效率，充分發(fā)揮了有限元法的優(yōu)勢，但剛性接觸面無法模擬接觸應變，無法對復材板的漸進損傷進行分析。

有限元法能夠真實地模擬層合板螺栓連接，且相較于試驗測定法，在計算效率以及預測精度上存在明顯優(yōu)勢，因此有限元法成為了目前最常用的釘載分配預測方法。

3 失效預測

復合材料螺接結構失效預測方法主要有強度包線法、特征曲線法和漸進損傷法。強度包線法是一種經(jīng)驗法，采用破壞包線評定螺栓連接強度；特征曲線法和漸進損傷法屬于分析方法，采用材料失效準則通過強度分析進行預測。

3.1 強度包線法

強度包線法是一種工程應用的經(jīng)驗方法，由L. J. Harm-smith等[17]通過大量試驗總結提出，能夠方便預測螺栓連接擠壓強度(見圖3中ACE段)。另外，L. J. Hart-smith等在研究層合板拉伸破壞時，給出了多釘連接板拉伸破壞強度包線方程：

Kbcσbr+Ktcσby=[σt]

(1)

式中，Ktc為應力集中縮減系數(shù)；σbr和σby分別為擠壓應力和旁路應力；[σt]為無缺口層壓板的拉伸強度。

圖3 強度包絡線

該方法通過找出與所研究復合材料同樣形狀的各向同性材料，計算其理論彈性應力集中系數(shù)，結合復合材料試件試驗結果所得應力集中縮減系數(shù)Ktc確定應力減緩因子，通過經(jīng)驗公式計算Kbc值。

Liu等[18]對L. J. Hart-smith等所提強度包線法進行了改進，考慮了旁路載荷對擠壓強度的影響，如圖3中AHE段所示，直線AH的斜率由拉伸和壓縮尺度因子決定，試驗表明該模型對于失效模式以及破壞載荷預測更準確。趙麗濱等[19]提出以漸進損傷分析代替應力集中減緩因子C測定實驗，基于數(shù)值分析建立強度包線，預測多釘連接失效模式和失效載荷。該方法與傳統(tǒng)強度包線法預測結果具有良好的一致性。

3.2 特征曲線法

J. M. Whitney等[20]在研究復材結構時，首先提出特征尺寸的概念，并延伸建立特征曲線法：用孔邊以某種函數(shù)表達的曲線上的應力代入失效準則確定機械強度；R. J. Nusimer等[21]將該失效分析法引入實際應用中；F. K. Chang等[22]將復材結構特征長度法進行延伸，結合點應力準則，提出了具有余弦形式的特征曲線(見圖4)，表達式為：

rc(θ)=r0+Rt+(Rc-Rt)cosθ

(2)

3.3 漸進損傷法

漸進損傷法很好地揭示了復合材料連接結構失效機理。該方法預測螺栓連接強度主要分為如下步驟：復合材料層合板建模，應力分布計算，選取失效準則判斷材料是否發(fā)生失效，具體分析流程圖如圖5所示。

圖4 余弦變化的特征曲線

圖5 漸進損傷法分析流程圖

漸進損傷法發(fā)展歷程中，F(xiàn). K. Chang等[23]首次提出用漸進損傷法對復材螺接結構進行失效預測研究，有效模擬了螺接結構在承受拉伸、擠壓、剪切條件下的初始損傷及失效過程。P. P. Camanho等[24]對復合材料機械連接漸進損傷法研究進行了總結，認為目前有限元模型并不理想，對接觸、摩擦等因素考慮不完善。U. M. Yan等[25]建立有限元模型，運用漸進損傷法研究了拉伸作用下，復材螺接結構鋪層方向、墊片尺寸等對連接強度的影響。M. L. Dano等[26]研究不同失效準則對連接強度的影響。M. M. Shokrich等[27]運用漸進損傷法預測螺栓接頭的疲勞性能。

漸進損傷法發(fā)展已較為成熟，該方法預測精度受到幾何模型準確性、強度準則、剛度折減系數(shù)的影響很大，目前仍未具有統(tǒng)一的失效準則和材料退化方法。

4 連接強度影響因素

4.1 鋪層方式

航空飛行器結構中復合材料層壓板一般采用0°、±45°、90°4種鋪層角，各鋪層角所占比例以及順序對層合板連接強度有著重要影響。H. J. Park[28]通過研究鋪層順序為[906/06]S和[06/906]S兩種層合板，發(fā)現(xiàn)[906/06]S相較于[06/906]S連接強度高出100%，并且在分析[903/±453/03]s、[903/03/±453]s、[03/±453/903]s3種層合板強度時，得出[903/±453/03]s具有最大極限擠壓強度，[903/03/±453]s具有最大層間強度。

王丹勇等[29]選取同文獻[30]中9種試驗件進行計算與實驗，分析了各鋪層損傷機理。通常損傷區(qū)先出現(xiàn)纖維和基體剪切損傷，隨后誘發(fā)基體斷裂。參數(shù)化三維漸進損傷模型計算結果表明：0°、90°、±45°鋪層比例均衡的層合板連接強度一般高于其他鋪層方案。顧亦磊等[31]認為在螺栓連接中可以通過改善90°鋪層和0°鋪層比例，改善層合板的連接性能。

鋪層方式作為復合材料的設計參數(shù)，對層合板力學性能有著很大影響。將90°鋪層置于表面層、選擇比例均勻的0°、90°、±45°以及基于層合板抗拉能力和抗劈裂能力的要求選擇90°或0°鋪層等，都可以有效提高層合板的連接強度。

4.2 擰緊力矩

圖6給出了HTS/RLA4617碳纖維復合材料層合板擠壓強度隨側向約束的變化[32]。當側向約束達到22 MPa后，連接強度沒有隨著側向約束變化而明顯提高。顧亦磊[33]和張岐良等[34]研究不同擰緊力矩對連接強度影響時，發(fā)現(xiàn)連接強度隨著擰緊力矩增加而增大，但存在極限值，超過該值后增加擰緊力矩反而會降低連接強度。另外，施加擰緊力矩會使墊片產(chǎn)生壓應力，可以緩解復合材料分層破壞以及由螺栓桿擠壓導致0°層纖維的彎曲，進而提高層合板中薄弱層的擠壓強度。

圖6 擠壓強度隨側向約束變化

5 總結與展望

5.1 結論

本文綜述了復材螺接結構失效形式，并對螺接性能相關的釘載分配、失效預測和強度影響因素等研究進行了分析，得出如下結論。

1)現(xiàn)有的釘載分配試驗測試法中，測量螺栓法測定數(shù)據(jù)與計算結果高度一致，得到了研究人員的廣泛認可。作為分析方法的有限元法，通過精確模擬螺栓與層合板之間的接觸行為，可建立更為真實的模型，釘載分配預測結果精度較高。

2)3種失效預測方法中，強度包線法和特征曲線法因其簡單方便的特點在工程上被廣泛應用。漸進損傷法在預測螺接失效行為上表現(xiàn)更好，可以清楚了解材料損傷情況及其擴展過程。

3)螺接強度影響因素較多，各角度鋪層比例均勻時，層合板性能最好；螺孔配合為-0.2%～0.3%時，接頭強度最理想。

5.2 展望

1)有限元分析模型在復材螺接結構研究中充當著重要角色，有必要建立更加精確的模型，為釘載分配預測和漸進失效分析建立可靠基礎。

2)目前研究一般僅考慮單一因素對螺栓連接強度的影響，實際上不同因素之間存在耦合。研究多變量對螺接性能影響，得到復材螺接結構連接強度的最佳參數(shù)值是未來的研究方向。