膠膜特性對膠螺混合單搭接結構性能的影響

徐 琛，孫永波

（中國民航大學工程技術訓練中心，天津 300300）

復合材料由于比強度高、比模量高、易整體成型等特性，在航空航天領域的重要性與使用率越來越高。受工藝、檢查和維修等方面的制約，復合材料結構中分離面、口蓋等仍必不可少，因此，需要考慮復合材料的連接問題。目前，主要的連接方式有螺栓連接、膠接及混合連接。國內外有關膠膜特性對復合材料混合連接性能影響的研究較少。Kim 等[1]和Lee 等[2]的研究表明，膠螺混合連接中的膠和螺栓同時達到其極限承載力時，可獲得最大的結構強度，但沒有關注膠膜厚度、韌性的影響及受力過程中載荷-位移曲線是否平滑的問題。因此，對膠螺混合連接中的膠膜特性進行研究，分析其對整體結構性能的影響，并給出優化建議，具有重要的工程意義。

1 有限元模型

使用ABAQUS 軟件構建復合材料膠螺混合單搭接結構的三維模型，加入材料損傷判據，進行多步循環計算，模擬結構的加載過程，分析每一步的計算結果，揭示結構內部的損傷形式和損傷擴展情況。

1.1 混合單搭接結構有限元模型

碳纖維復合材料層合板鋪層為T300 平紋布[（±45）/（0，90）]3S，基體為QY9611 環氧樹脂，膠膜為脆性膠膜，金屬板材和高強度螺栓為同種合金鋼30CrMnSi-Ni2A。模型如圖1所示。

圖1 混合單搭接結構Fig.1 Bonded-bolted hybrid single-lap joints

采用C3D8R 實體單元，復合材料按層數劃分網格，膠膜雖薄，也需劃分兩層網格，金屬板材在粘接方向上的網格需與膠膜和復合材料對應，以提高計算精度。網格劃分如圖2所示。

圖2 混合單搭接結構網格劃分Fig.2 Meshing of bonded-bolted hybrid single-lap joints

設定兩對接觸面，分別為螺栓光桿部分與層合板孔壁及螺栓支承面與層合板上表面，摩擦系數取0.3。對層合板單元及膠膜單元用損傷判據進行判定，并對出現損傷的單元利用剛度衰減準則進行材料彈性模量衰減，對其損傷擴展全過程進行多步循環計算，直至層合板的損傷擴展到自由邊或層合板的承載能力出現急劇下降，則終止計算。

1.2 材料參數和損傷判據

復合材料層合板、膠膜及螺栓、金屬板材的主要材料參數如表1所示。

表1 材料參數Tab.1 Material parameters

由于平紋布鋪層的復合材料橫向和縱向都有纖維約束，不能簡單使用Hashin 分類損傷判據[3-6]，而需要對其進行修正。根據Hashin 分類損傷判據和Chang等[7]提出的分層損傷判據修正后的編織布鋪層分類損傷判據如下。

1）徑向纖維拉伸破壞（σ11＞0）

2）徑向纖維壓縮破壞（σ11＜0）

3）緯向纖維拉伸破壞（σ22＞0）

4）緯向纖維壓縮破壞（σ22＜0）

5）纖維基體剪切破壞

6）拉伸分層（σ33＞0）

7）壓縮分層（σ33＜0）

8）膠膜剪切破壞

式中：σ11、σ22、σ33分別代表平紋布經向、緯向及法向正應力；τ12、τ13、τ23則代表層合板剪應力；S11為膠膜面內應力；S33為膠膜法向應力。

在整個計算過程中，金屬材料的應力始終沒有超過900 MPa，低于屈服強度σs，因此，無需考慮金屬材料的損傷。

1.3 剛度衰減準則

對于損傷后的材料單元，采用Song 等[8]針對纖維損傷建立的相關剛度衰減準則進行彈性模量衰減，但該準則并非針對平紋布，與損傷判據類似，需要考慮經向和緯向各自單獨或共同出現損傷時單元鋪層彈性模量的衰減準則，修正后的剛度衰減準則如表2所示。

表2 剛度衰減準則Tab.2 Stiffness attenuation criterion

1.4 計算結果分析

將整個拉伸過程中復合材料加載端的載荷-位移提取出來，并繪制曲線，如圖3所示。

圖3 混合單搭接結構的載荷-位移曲線Fig.3 Load-displacement curve of bonded-bolted hybrid single-lap joints

對圖3 中結果分析可知，整個結構在拉伸過程中，膠膜首先發生損傷，然后螺栓和孔壁受到充分擠壓，膠膜逐步損傷的過程中，結構剛度慢慢下降，直至復合材料出現擠壓損傷，結構剛度進一步下降，最終結構破壞。

2 不同膠膜特性對結構的影響

2.1 膠膜厚度的影響

工程中使用的膠膜厚度分為多種級別，但大多在0.1～0.3 mm 之間。模型中初始膠膜厚度為0.1 mm，為分析不同膠膜厚度對結構受力性能的影響，增加計算膠膜厚度為0.2 mm 和0.3 mm 的情況。在不同膠膜厚度下的計算結果中，將位移及對應的載荷提取出來，得到載荷-位移曲線如圖4所示。

圖4 不同膠膜厚度下結構的載荷-位移曲線Fig.4 Load-displacement curve under different film thicknesses

從圖4 中可看出：隨著膠膜厚度的增加，膠膜發生初始破壞的載荷也相應增大，這是由于膠膜可承受的變形量隨著厚度增加也相應增加；后期的載荷-位移曲線基本一致，最終破壞載荷也基本相同。

2.2 膠膜韌性的影響

為了研究膠膜韌性對混合單搭接結構性能的影響，在保持膠膜厚度為0.1 mm 的情況下，將脆性膠膜用韌性膠膜來替代。脆性膠膜和韌性膠膜的應力-應變曲線如圖5所示，脆性膠膜可用線性彈性材料來模擬，而韌性膠膜的應力-應變曲線呈現為非線性，無法給出簡單的材料參數，需要使用兩條斜線來模擬。

圖5 不同性質膠膜應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curve with different films

取破壞應變為25000、30000、35000、40 000、50 000、60 000 με（其韌性段應變為5 000～40 000 με）的膠膜代入有限元模型，得到的計算結果如圖6所示。

圖6 不同韌性膠膜下結構的載荷-位移曲線Fig.6 Load-displacement curve of films with various toughnesses

從圖6 可看出：使用不同韌性的膠膜，計算所得的載荷-位移曲線基本一致，在載荷40 kN 之前都很平滑，而脆性膠膜在載荷20 kN 時就出現了載荷波動；使用韌性膠膜得到的最大破壞載荷均高于脆性膠膜。

在使用韌性膠膜的基礎上（韌性段應變10 000 με），改變膠膜的厚度，厚度分別取0.1、0.2、0.3 mm，得到的載荷-位移曲線如圖7所示。

圖7 不同韌性膠膜厚度下結構的載荷-位移曲線Fig.7 Load-displacement curve with various film thicknesses

從圖7 中可看出，不同韌性膠膜厚度下，結構破壞過程基本一致。因此，在使用韌性膠膜（韌性段應變10 000 με）的情況下，膠膜厚度對混合單搭接結構破壞模式沒有影響。

3 結語

建立膠螺混合單搭接結構模型并研究膠膜厚度、韌性等特性對該結構的影響，得到以下結論。

1）膠螺混合單搭接結構若使用脆性膠膜，在出現初始損傷后，剛度開始下降，直到復合材料孔壁與螺栓光桿部位充分擠壓，膠膜隨后逐步發生全面性損傷。

2）使用脆性膠膜時，增加膠膜厚度可推遲初始損傷的發生。

3）使用韌性膠膜時，初始損傷不會造成載荷的明顯波動，且結構的極限載荷高于使用脆性膠膜的情況。此類結構應該優先選用韌性膠膜。

4）在5 000～40 000 με 的韌性段范圍內改變膠膜韌性，損傷過程較為相似，載荷-位移曲線具有高度一致性。根據不同的結構尺寸，膠膜的韌性只需大于某臨界值即可。

5）使用韌性膠膜時，不同膠膜厚度（大于0.1 mm）對結構破壞過程及極限強度基本無影響。膠膜厚度對結構承載能力影響不大。

6）在工程實際中選擇膠膜時，膠膜的韌性段只要能保證混合單搭接的載荷-位移曲線平滑，就可提高極限承載能力，有利于發揮結構的承載性能。