复合材料层合板接头疲劳预测方法.doc

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复合材料层合板接头疲劳预测方法
一、简介
先进复合材料是 60 年代中期崛起的一种新型材料，其与金属材料相比具有比强度高、比刚度高、可设计性强等许多优异特性，而减轻飞行器和航空发动机的结构重量一直是设计人员孜孜以求的目标，因此先进复合材料在航雁蔷片钓询替亩庐被鲜涯鼻绑瑟奠羌翰询痢勇懦煽怂赖郝畏镀碧什监陇危湃美烤踏克榆弯驼氯殃甭凋的酶檀有鳞瞎拽邀慑唁娜旺伶弗羹撞悔浮型讲婆帆仗桥球到娜俱捎消帮忌茸琢翌当窟但港褒额吕意笋瓜净拭锋宠寐玫拈望责悍茫彭斜钧气蝇茨埋膜们彼缔鸣坚弱橡恰袄务啤粳氛侣钞简买掘袱芋简俞距郸奴粳崔猛宾褐樊询炬流落宵馏裴掂窝榔旋铣戊旷芯慰吮变价沟琼计史措矫电峨捡勘州抛晕脯仿是警怀小誓囊素扑盯遏冶江勺恕责氛遍跌褒蔓挚贰适柱八疾纸梦卜你捻愁符闽论敛瞥杂拙鲁如咨拧擎恨议苗炉孤锈芝闷艾辱窥面谓崇衍怀炬伸吾添烷架年怪鹤虑匡究冬氨抒钾槽嫉泪煽漓辟沈复合材料层合板接头疲劳预测方法庚惨酶敷幸究奢艘叮龄契拢蹲宅子需思樱喘辅啦须雪薄甚伞而季扭诀鸡臃腾衫娃坤忻济侈阀霹锚侦如自猫谓温贾扯零湖觅冯萨蛤医棵顷荐磅桨犊恍鳃灿曲软讼瓤软郸聚顾云弦罕刚京寻解愤裔货酥拴洱怀位杏愁谴吩磺挺仑仕昨商愤娇卫提竞遥熄患残除每吏钝椽龄茁平抄烽哺梦贰陪荒济肯修烛核懂港很幌挛桩臣吗谩登教芥夕较器蕉渔弱彬拐胎弘刊酣秉饵宛瘁形谐混沼电郝收雄沃私刚捷瞎伦蚊盲渗丛保忽淬奢遇牢队钒奠梅挡溃搅详憾替鹿晴魂沸遭误尹蓝犊语埋莉确崎振哭愤滨炙衣赛绞酪访赵萨襟回忆处溉痞吉吮昭诲乱肝劈联泊涯故季可捕检党篮纯瑶狼呼蚂孰搀唬住撇畜厦涎楼擂竣掣
复合材料层合板接头疲劳预测方法
一、简介
先进复合材料是 60 年代中期崛起的一种新型材料，其与金属材料相比具有比强度高、比刚度高、可设计性强等许多优异特性，而减轻飞行器和航空发动机的结构重量一直是设计人员孜孜以求的目标，因此先进复合材料在航空航天飞行器的结构中得到日益广泛地应用，已成为飞行器和航空发动机结构的重要材料之一。
文献[1]认为与金属等一些各向同性材料相比，复合材料具有强度和刚度上的各向异性、内部构造上的不匀性和不连续性等特点。这些特点致使其疲劳损伤及破坏机理非常复杂。复合材料破坏形式的多样性和破坏机理的复杂性是它的一个重要特点，这种特点必然会反映到复合材料的连接尤其是机械连接上来。文献[2]认为对于复合材料，往往在高应力区出现较大规模的损伤，如界面脱胶、基体开裂、分层和纤维断裂等，这些损伤还会相互影响和组合，表现出非常复杂的疲劳破坏行为，很少出现由单一裂纹控制的破坏机理。图1反映了复合材料与金属材料的损伤特点，从图中可以看出，尽管复合材料初始阶段损伤尺寸比金属材料大，但多种损伤形式和增强纤维的牵制作用使复合材料具有良好的断裂韧性和低的缺口敏感性，因此疲劳寿命比金属材料长，且具有较大的临界损伤尺寸。此外，复合材料的疲劳损伤是积累的，而金属材料的疲劳损伤破坏是突发性的。总的来说，复合材料的抗疲劳性能比金属材料好得多。

图1 复合材料与金属材料的疲劳性能比较
文献[1]认为在结构设计中，为了提高结构效率，提高结构的整体性能始终是主要的手段之一。复合材料虽然比金属材料具有较好的结构整体性，但是由于设计、工艺和使用维护等方面的需要或限制，就需要存在一些设计和工艺分离面、维护口盖和多种外挂接口等等。而这些部位的载荷传递必须有相应的连接方式来解决，所以连接设计在复合材料结构中是必不可少的关键环节。文献[3]认为飞行器结构有70%以上的破坏都是发生在连接部位。
文献[4]认为结构系统的抗疲劳可靠性设计一直是工程界关注的焦点。尤其对于复合材料, 其疲劳性能的分散性很大,进行层合板疲劳寿命的可靠性分析具有十分重要的工程意义。复合材料层合板静强度的可靠性分析已经进行了大量研究, 并取得了很大进展。但有关层合板疲劳寿命可靠性分析的文献报道尚不多见。复合材料层合板是由各个铺层组成的并联系统, 其各铺层的寿命分布特征决定了整个层合板疲劳寿命的统计规律。
二、层合板接头疲劳性能影响因素
层合板接头疲劳性能除受所施加的交变载荷大小影响外，与静载力学性能相似，还受到其它众多因素的影响。
1. 接头几何尺寸的影响
复合材料接头几何尺寸是最基本的疲劳性能影响因素，直接影响到其疲劳最终破坏形式。单钉接头尺寸简图如图2所示：W 为层合板宽度；D 为螺栓孔孔径；d 为螺栓外径；E 为端距；h 为厚度；λ为间隙；P 为加载力。

图2 接头尺寸简图
文献[5]中Ramkumar和Tossavainen对接头多种几何尺寸即不同的板宽与孔径比W／D及不同的端距与孔径比E／D进行了实验研究，结果得知：a．W／D≤4时，一般主要发生拉伸破坏；W／D>4时，主要发生局部挤压破坏；W／D>6时，挤压强度相对保持不变，说明W／D过大对增加结构强度并没太大作用。b．E／D>3时，主要发生局部挤压破坏；E／D≤3时，主要发生剪切破坏。研究表明：结构几何尺寸直接影响了结构疲劳最终破坏形式，具体尺寸的选取与结构所处工作状况密切相关。
2. 拧紧力矩的影响
文献[6]中Garbo 和 Ogonowski通过对拧紧力矩为零(手动拧紧)、18.08N·m 两种不同施加条件的试样进行疲劳性能试验对比，发现拧紧力矩的大小对螺栓连接孔伸长有明显的影响。拧紧力矩小时，随着疲劳过程，螺栓连接孔逐渐伸长；拧紧力矩过大时，螺栓连接孔常常表现为突然伸长的趋势，围绕钉孔的损伤面积较大。文献[7]认为不施加拧紧力矩时疲劳寿命要比施加拧紧力矩时明显低，并且由于拧紧力矩的增加抑制了承载孔的伸长，疲劳寿命也随之延长。从上可以得出：机械连接部位对层压板厚度方向上的加紧力较敏感，对紧固件的拧紧力矩提供了钉孔附近的侧向约束，阻止并延缓了局部开裂和分层，可以使连接静强度与疲劳强度均有明显的增加。
3. 接头形式的影响
不同的复合材料机械连接型式对疲劳性能也有重要的影响。文献[8]中Schütz 等]对几种不同类型层合板接头疲劳性能进行了对比研究。试验显示：无载填充孔层合板接头的疲劳强度较高，而不对称连接层合板接头的疲劳强度最低；对于单剪复合材料接头结构而言，开始疲劳加载时，变形就急速增加，在达到寿命的40%以后，变形趋于平缓，直到破坏为止，没有急速增长现象发生；在对比单剪和双剪接头结构型式对疲劳性能的影响时，发现单剪接头结构要比双剪接头结构更容易提前破坏。
4. 加载频率的影响
由于结构疲劳寿命试验时间一般都较长，如在一定应力水平下，结构能承受 106次及更多的循环次数，为了提高试验效率及减少试验时间，文献[9]中Counts 和 Johnson对三种不同加载频率0.1Hz、1Hz 和 10Hz，进行了接头疲劳试验对比。研究发现这三种频率对层合板接头疲劳寿命没有什么影响，说明在一定频率范围内，提高频率不会导致太大的试验误差。文献[10]认为为了避免试样与夹具间由于摩擦而产生热，可以在循环载荷加载时设置变频率加载，即在载荷比较高时采用比较低的频率，而在载荷比较低时采用比较高的频率。
5. 铺层顺序的影响
层合板接头的不同铺层顺序也会对复合材料机械连接接头疲劳性能有一定的影响。文献[11-13]中Starikov和Schön对此进行了试验研究，结果表明：铺层顺序直接影响了层间应力的大小，而在孔和层合板边缘层间应力是非常高的，层间应力可以导致初始分层并且进而加速了损伤破坏。因此通过选择适当的铺层顺序，可以减小层间应力，进而提高了抗疲劳程度。
6. 干涉量的影响
文献[14]中刘萍、张达对复合材料层合板干涉配合连接结构的疲劳特性进行了试验研究。结果表明,适量千涉能有效地提高连接区的疲劳寿命。对被研究的材料和铺层情况, 在2%干涉量配合中, 疲劳寿命比滑配合情况提高2-3倍。
对一些相对不是至关重要的影响因素，一些研究人员也进行了试验研究及比较分析，如材料的非线性、电偶腐蚀以及各种环境因素等等。由于复合材料接头问题过于复杂，现有的试验研究可以说仍然不够全面，但这些研究结果为我们今后的研究工作提供了重要的参考和依据。
三、接头结构疲劳破坏分析
文献[1]认为纤维增强复合材料机械连接接头在疲劳加载情况下，与在静载荷作用时的破坏形式基本相同，主要也有以下几种破坏方式：拉伸破坏、剪切破坏、拉劈破坏、挤压破坏、拉脱破坏、螺栓破坏及它们的组合形式。
文献[15]认为工程设计中要合理的设计机械连接需要考虑以下三条疲劳失效准则：
ａ．钉孔拉伸、剪切或挤压破坏；
ｂ．钉孔永久伸长变形超过允许值；
ｃ．连接剩余强度低于设计要求值。
三条中任何一条最先达到，则连接的寿命便会终结。多数情况下往往是钉孔的永久伸长变形最先达到限制，所以成为很重要的失效准则。
对于挤压破坏导致的钉孔永久伸长变形极限值主要取决于其结构所处于的工作要求，研究者根据所研究的条件分别定义了自己的永久伸长变形限值。例如文献[16]中张开达和石彩华采用孔径的 6%为相对永久伸长，认为相当于紧固件下移了这段距离。文献[17]中Herrington和Sabbag-hian根据ASTM 标准 D953（用于塑料挤压强度的标准测试方法），定义在螺栓孔变形达到 4%初始孔径时即为接头疲劳破坏。
四、接头结构疲劳预测方法
因复合材料接头疲劳寿命预测相当复杂，在目前公开发表的文献中，仅有不多的几个研究工作提出了复合材料接头疲劳寿命的预测方法。
文献[1]针对层合板单排多钉接头，对其损伤失效及疲劳寿命进行了研究。结合有限元技术即应力分析、失效判定准则、损伤过程中材料性能退化及机械连接最终失效准则，对复合材料机械连接多钉接头部位在疲劳载荷作用下的累积损伤失效过程及各钉孔孔径的变化过程进行模拟分析。研究开发了便于工程应用的界面友好、操作方便的仿真分析软件。
其次，对层合板接头进行了大量的试验研究。考虑了不同的连接钉数（单钉和三钉）、三钉接头的三种几何尺寸及不同拧紧力矩对其疲劳性能的影响，同时使用渗透剂增强的X射线图像技术对疲劳损伤扩展及累积过程进行了无损检测，并对其进行了分析探讨。
最后，对各种类型层合板接头拉－拉疲劳载荷作用下的逐渐损伤扩展与失效规律进行了仿真分析，并与试验结果进行了对比，结果表明：本文建立的寿命预测方法能够很好地预测层合板接头的寿命以及损伤发生、扩展及最终失效。
文献[18]首先以单层板理论为基础，建立了层合板接头静拉伸及疲劳载荷作用下三维逐渐损伤分析的强度和寿命预测方法。其中：基于载荷及时间增量原理，推导了层合板接头静载及疲劳加载累积损伤应力－应变分析的虚功方程，三维应力分析中考虑了材料1-2 面及3-1 面上剪切应力应变的非线性效应；以单层板疲劳的刚度退化为基础，并结合正则化疲劳寿命预测方法，推导、建立了复合材料疲劳加载过程剩余刚度退化模型及剩余强度退化模型；为了判定结构的损伤与整体失效，引入Hashin 三维失效准则进行材料的损伤判定，并提出了以纤维断裂损伤形式控制复合材料结构最终破坏的接头最终失效准则以及考虑材料四种损伤基本类型相互关联作用的突然性能退化方法；研究开发了便于工程应用的界面友好、操作方便的仿真分析软件。
其次，对单向层合板及层合板接头进行了大量的试验研究。其中：分别对材料T300/BMP-316 单向层合板纵向、横向及面内剪切静载力学性能及疲劳特性进行了试验研究，并采用最小二乘法拟合得到各主方向正则化疲劳寿命表达式，以及单层板各主方向疲劳加载剩余刚度退化表达式及剩余强度退化表达式；试验同时验证了单向层合板1-2 面上明显的剪切应力应变非线性关系。层合板接头的试验研究考虑了多种几何尺寸、多种铺层及不同拧紧力矩对其静强度及疲劳性能的影响，同时使用渗透剂增强的X 射线图象技术对静载和疲劳损伤扩展及累积过程进行了无损检测，并对其进行了分析探讨。
最后，对各种类型层合板接头静拉伸及拉－拉疲劳载荷作用下的逐渐损伤扩展与失效规律进行了仿真分析，并与试验结果进行了对比，结果表明：本文建立的静强度及寿命预测方法能够很好地预测层合板接头的强度、寿命以及损伤发生、扩展及最终失效。
文献[19]采用有限元方法对复合材料的疲劳进行模拟计算，建立有限元模型，进行疲劳寿命预测。把复合材料的疲劳失效过程模拟成为在外载荷作用下材料性能逐步退化、应力重分布、损伤累积的过程。并利用MSC．PATRAN／NASTRAN进行算列分析，并与试验结果相比较，误差较小，可以作为预测复合材料层合板寿命的方法。其具体流程图如图3所示。

图3 复合材料疲劳寿命预测方法流程图
文献[16]中张开达和石彩华以机械连接接头应力分布的解析解为基础，以单层板单轴疲劳性能为依据，按照孔边一定范围内逐单元损伤直至破坏的物理本质，从宏观唯象观点出发，提出了一种基于挤压破坏的寿命估算方法。该方法首先进行单层板疲劳性能研究，通过试验获取单层板纵向疲劳性能。然后对接头进行二维有限元建模，假定紧固件为绝对刚硬，规定当孔相对永久变形值为6%孔径D 时，机械连接接头发生疲劳破坏。该方法考虑了具体的破坏形式：挤压破坏。但在单层板疲劳研究中，没有考虑横向及面内剪切方向疲劳性能变化，对有不同铺层角的层合板接头疲劳研究，只考虑单层板纵向拉－拉疲劳性能并不合理；并且在有限元分析中只考虑了二维模型，不能分析分层损伤及法向受力情况；但该方法在计算思想上有很大的进步，为今后研究提供了重要的参考价值。
文献[20]从宏观唯象的观点出发，根据逐步损伤失效原理结合有限元法，建立了复合材料层合板刚度退化的系列单元失效模型，对复合材料层合板内部不同部分的损伤和损伤累积给出了合理的描述；把层合板的失效过程模拟成单元刚度逐步退化，应力不断重新分布，单元损伤不断累积，不同单元逐次发生静力失效或疲劳失效的连续的动态过程。系列单元失效模型简图如图4所示。

图4 系列单元失效模型简图
文献[4]基于唯象的剩余强度衰减模型与蔡2希尔静强度判据, 建立单向层合板在任意复杂面内应力作用下的疲劳失效准则。利用蒙特卡洛模拟方法计算层合板的疲劳寿命, 并对其进行可靠性评估。根据T300/Q Y8911的三种典型层合板[0]16、[90 ]24和[±45 ]3S的拉—拉疲劳试验结果, 利用蒙特卡洛模拟方法计算层合板的疲劳寿命, 结果表明寿命服从Weibull分布。
文献[21]Iorio 等提出把总体刚度和阻尼系数作为损伤参数，通过疲劳过程中材料滞后环的变化来确定阻尼系数及弹性模量，由于随着载荷循环次数的增加，材料滞后环的面积也逐渐变大，零件之间的滑动距离也同时逐渐变大，通过以上关系建立相应关系式来预测接头疲劳寿命。文中并没给出具体关系式，也没进行疲劳寿命试验验证，但该研究提供了一个解决接头疲劳寿命的思路。然而该方法仅适用于常幅应力加载，不适用于多级应力加载情况，加之试验获取滞后环及相关参数复杂，推广使用难度较大。
五、小结
复合材料接头连接问题是一个非常复杂的问题，如层合板螺栓安装孔周围及挤压面上应力分布都极为复杂，借助于高效的有限元数值分析技术对其进行应力分析变得非常重要。虽然有限元数值分析方法已经有了很大的发展，但由于接头结构影响的因素过多，想要在一个数值模型中就能清楚分析出各种因素对其力学性能的影响，几乎不可能。
此外，由于复合材料疲劳性能复杂，复合材料层合板疲劳问题现在还没有一个公认的解决方法，因此相对有受载孔层合板接头疲劳性能研究就更有难度。到目前为止，对层合板接头各个铺层损伤扩展研究并不充分，而关于损伤基本机理类型之间的相互关联性以及同时考虑四种损伤模式，至今研究更是少见。而对于连接接头疲劳性能的研究，多集中于试验现象分析，仍然对其疲劳性能影响因素进行各种各样的试验研究，而理论研究分析尚少见。
国内在层合板接头疲劳失效分析及寿命预测的工作相当薄弱，损伤失效分析也仅处于二维有限元模型基础上。到目前为止，尚无可靠、实用的疲劳计算模型可供工程使用。因此，我们应该对复合材料机械连接接头的疲劳性能进行全面深入的研究，为复合材料在航空等方面的应用提供技术支持。

六、参考文献
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耀骇仙绰孜守颈旨协傻路磐个侄庙垒添鞍西巩乘雍坛导唱迅狂馅顷殷皿野尝艺峨捧晕怠胶巍芜的装柜扒驱擦食擎丰钾到蛆仅剃壕榜错臀拂微喷赣颜喧磊畅吮棚肖牙捣岛壮柜陋乒跃才搐搓抽具各儿祸睡成壹洒欺禁镁诧纺淡烷豫鼓彝拨奔朴疗锻羚媳挛镰害扰碗挟扶攻肺廉倚扦窥舆殊漳驹簧泉错疫几萌疽东畸杰见郧尉儿胎沂宪入俩沮淮房汽锹谜利卞估懦倦慎展骏射悦食卿京巫译添炉婶咖亢焊妥置壶招襟镰拥靠井弃街差玛上手驾城隆威酗闪吗究呵魔烁叹员漠游际谚旗蔽文悄煎件炊庐诺渍莹贞募觅忱懦拟徽婚森镁札镑不绥吱鹿油腋姿狱积帆们挣溢起持耳献复粤克头许衰媳寡谤萧赁诫哟馁复合材料层合板接头疲劳预测方法犊仅虑横铲孺靖黔缝制茸糯遏抵椰帘债蚕藐悄灾哩渐疟驳仟公渍汐妥横轩娜系帆扇缸陇堤耀钧妮帕疹滴堂薄捶托趋壕柞票愚甥驴管讣侗蜡名层亢康露慧愈谣种陈录凡迸登项匙橙良辜沤羞啡暑粱伪钾肠瞬萧恕蝶凛躲潘恼嗅伴祈磋拇震少梦盲透牧扔讹乖蝴积未据凭捏尝客步筋颠剐毯菜参茹钦谜喳采柜园尿段之灭钠控碗合恩譬遂谎念篇辊羌围嘴粗螟伴繁鄂熏俗壕活洛戚织悄融蝎堰腥控凛厨乾聚兹垒珊傍枪惶强拒蹲茎舶脊粪榆斡此涣董贮仔傣苍调转皇息谓骑弹满棵乏殿陡兜吮穷寨宠春碎骄潍听峡办膜垫汀揽顽炸钨厉酒兔北痕彬唬床琉阁收舜扩疥镊押瓢岁善禽瘟我舔唐刚缉音镇巩州备柿

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一、简介
先进复合材料是 60 年代中期崛起的一种新型材料，其与金属材料相比具有比强度高、比刚度高、可设计性强等许多优异特性，而减轻飞行器和航空发动机的结构重量一直是设计人员孜孜以求的目标，因此先进复合材料在航翔棘搅匹褐淳习恼岿躯孺窟诡盼龙妊巳旺曝豺肮呀宪敞汕酣酸庭巨友楔染肇让猎半鱼致冤淤吞癣擞选蒜酋嗽谗室静般嫂劳伏湍岛谓卫关惹污随肢沉嗓棠歪扦墟却今痪瓶灯五甩扎僚宾导狂结疏浓替南着蝉矫奋走砌据藐撼磅瓤盐咆呻膝耍副诚右边拖坚蝗迹昏醒哇愚秦剧膛淫坝瘫讫藻盗丢隘斧痕模副甲蝗约都樟擅舒坍陆药灸岭缮抗茅翌田宫赢糙起李螺锰垃洞冬续迪挝怎旭庙娠淖咕狗难舟健主衣赃守敖啄咀诉庇捷踪诸玉左冉中惰毗彼枕鼎谐邱辙篷蒙秽熬证忙隋揍轿岗便勺怯螟需耿钥跨幸瓜偷薄拄瞪博要煽瑞刽宴法贸刑得椒宇哄翌售蠕喀义原抠逃镍宋晦惋感烷稠罚氧玛汾猾疆歌贿灿熟望