in2plane rounding type laminated scheme ; theoretical
析、工藝、試驗技術研究具有重要的理論研究價值和實際工程應用意義 [226] ,已成為復合材料技術的重要發展方向之一。
由于層壓式結構無論在理論研究 ,還是制造成型工藝上都相對成熟 ,層壓式結構已成為主承力連接接頭首先考慮的設計應用結構形式 ,現行飛機采用復合材料承力接頭大多為層壓式結構 ,即由兩層或多層同種或不同種材料層和壓制而成 ,如 A320飛機垂直尾翼接頭等 ,均為典型的復合材料層壓式結構形式并與主結構融為一體。隨著對接頭承載能力要求的提高 ,對復合材料主承力接頭結構形式設計提出了新要求 ,故設法提高主承力接頭的承載能力成為復合材料主承力接頭結構形式設計的基本點。文獻 [7210 ]對復合材料結構連接技術進行了研究 ,提出了通過特殊局部纏繞成型、補加成型、應用特種加強件、在加厚端頭中嵌入高強度薄片 (金屬箔、硼砂膜片等 )等設計技術可大大提高復合材料接頭的強度。近年來 ,紡織復合材料結構設計與制造得到了發展 ,使得層壓復合材料層間強度薄弱的致命弱點在三維編織復合材料中得到克服。總體上講 ,三維編織結構比層壓結構有更高的強度、沖擊韌性和損傷阻抗。此外 ,現在發展較快的是準三維復合材料 ,即在復合材料厚度方向有部分纖維增強 ,這種復合材料與三維編織結構相比工藝技術難度較小 ,成本較低而適于批量生產。
針對層壓板式復合材料接頭及其與結構融合體的復合材料鋪層設計技術進行設計分析研究 ,并完成了靜力試驗考核 ,以期為中國大型飛機的設計研制提供工程應用基礎。
1 平面環繞型接頭鋪層設計
面環繞型。由于連接接頭具有典型的三維厚壁構
型形態 ,因此無論采用哪種鋪層設計形式 ,其在受載過程中均會由于疊層偏厚而產生層間開裂的強度問題 [ 11 ]。設計的關鍵問題在于能否對層壓式復合材料接頭的層間開裂采取有效的補償設計措施 ,豎面環繞型鋪層設計方式沿緊固件孔的徑向可采取沿接頭周向的包裹式層間開裂補償設計 ,但包裹式抗分層的能力不僅與包裹層的厚度相關 ,同時包裹層的壓緊工藝在技術上難于控制 ,因而不利于工程實施與應用。
圖 1 典型飛機連接接頭構形示意圖 Fig11 Typical joint configuration of aircraft
本文采用了平面環繞型接頭鋪層設計技術 ,采用該鋪層設計技術的主要優點是 :一方面利用環繞鋪層設計可使得纖維走向在接頭部位始終沿主應力方向 ,這樣可充分利用纖維的高承載能力 ,如圖 2所示 ;同時 ,環繞鋪層設計在過渡區的方向可以按照載荷擴散角安排 ,達到更有效擴散集中載荷的目的 ;另一方面 ,對于厚鋪層的層間開裂問題 ,可采用在緊固件孔壁加裝大端面金屬襯套 ,通過對金屬襯套的壓緊可起到對平面厚鋪層的分層抑制作用 ;采用大端面金屬襯套同時還可對接頭復合材料制孔起到保護作用 ,有利于釘載更均勻地作用于接頭孔壁。在保證層間不開裂情況下 ,可利用高、低性能纖維的合理搭配來適當緩解應力集中。
圖 2 平面環繞型接頭鋪層設計示意圖
Fig1 2 In2plane rounding laminated composite joint
平面環繞鋪層設計的關鍵是制造出符合設計技術要求的 U形件環繞預浸料布層 ,設計制造的工裝需能較好地保證環繞單層厚度、寬度和纖維張緊均勻 ,接頭壓制能實現無余量成形 ,從而容易保證構件幾何尺寸、內部質量滿足設計技術要求。為此本文設計制造了專門工裝 ,經多次試驗改進 ,單層厚度和寬度達到了技術要求 ,接頭固化后幾何尺寸可達到圖紙要求 ,實現了無余量成形。
2 平面環繞型鋪層復合材料接頭強度估算分析
環繞纖維鋪層接頭的力學分析重點在緊固件孔壁的圓環部分。對于圓環部分可以認為 ,由環繞圓對切成兩半 ,加上中間過渡段組成。因此 ,該環繞纖維鋪層接頭的力學模型可視為復合材料纖維帶條一層一層地沿柱面體或圓孔纏繞而成 ,顯然在理論分析上 ,可將此類結構看成正交各向異性均勻柱面體。利用圓柱坐標系及正交各向異性彈性體
的平衡、幾何與物理關系 ,采用應力函數解方法可得到柱面正交各向異性體微分控制方程[12215] ,為 d4 d3 λ) d2 4 -43 +(5 -2 + 2 (λ-1) dd<t+
dt<dt<dt<
4 32
+λd4
α 92 <2 -2α 9<2 +β92< dθ4<= 0 (1)9t9θ9t9θ9θ式中 : <為待解的應力函數 ;λ= Eθ/ Er。由于
Eνrθr=Eθνθr
則有
νθ= λνθ ,α = μ-2λνθ ;
rrr
β =-νr+μ,μ = θ/ Gr
2λ(1 θ)Eθ ;其中 :θ為柱面環向坐標 ;t為徑向廣義坐標。
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