in2plane rounding type laminated scheme ; theoretical
析、工藝、試驗(yàn)技術(shù)研究具有重要的理論研究?jī)r(jià)值和實(shí)際工程應(yīng)用意義 [226] ,已成為復(fù)合材料技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。
由于層壓式結(jié)構(gòu)無論在理論研究 ,還是制造成型工藝上都相對(duì)成熟 ,層壓式結(jié)構(gòu)已成為主承力連接接頭首先考慮的設(shè)計(jì)應(yīng)用結(jié)構(gòu)形式 ,現(xiàn)行飛機(jī)采用復(fù)合材料承力接頭大多為層壓式結(jié)構(gòu) ,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(jī)垂直尾翼接頭等 ,均為典型的復(fù)合材料層壓式結(jié)構(gòu)形式并與主結(jié)構(gòu)融為一體。隨著對(duì)接頭承載能力要求的提高 ,對(duì)復(fù)合材料主承力接頭結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)提出了新要求 ,故設(shè)法提高主承力接頭的承載能力成為復(fù)合材料主承力接頭結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)。文獻(xiàn) [7210 ]對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接技術(shù)進(jìn)行了研究 ,提出了通過特殊局部纏繞成型、補(bǔ)加成型、應(yīng)用特種加強(qiáng)件、在加厚端頭中嵌入高強(qiáng)度薄片 (金屬箔、硼砂膜片等 )等設(shè)計(jì)技術(shù)可大大提高復(fù)合材料接頭的強(qiáng)度。近年來 ,紡織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造得到了發(fā)展 ,使得層壓復(fù)合材料層間強(qiáng)度薄弱的致命弱點(diǎn)在三維編織復(fù)合材料中得到克服。總體上講 ,三維編織結(jié)構(gòu)比層壓結(jié)構(gòu)有更高的強(qiáng)度、沖擊韌性和損傷阻抗。此外 ,現(xiàn)在發(fā)展較快的是準(zhǔn)三維復(fù)合材料 ,即在復(fù)合材料厚度方向有部分纖維增強(qiáng) ,這種復(fù)合材料與三維編織結(jié)構(gòu)相比工藝技術(shù)難度較小 ,成本較低而適于批量生產(chǎn)。
針對(duì)層壓板式復(fù)合材料接頭及其與結(jié)構(gòu)融合體的復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析研究 ,并完成了靜力試驗(yàn)考核 ,以期為中國(guó)大型飛機(jī)的設(shè)計(jì)研制提供工程應(yīng)用基礎(chǔ)。
1 平面環(huán)繞型接頭鋪層設(shè)計(jì)
面環(huán)繞型。由于連接接頭具有典型的三維厚壁構(gòu)
型形態(tài) ,因此無論采用哪種鋪層設(shè)計(jì)形式 ,其在受載過程中均會(huì)由于疊層偏厚而產(chǎn)生層間開裂的強(qiáng)度問題 [ 11 ]。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題在于能否對(duì)層壓式復(fù)合材料接頭的層間開裂采取有效的補(bǔ)償設(shè)計(jì)措施 ,豎面環(huán)繞型鋪層設(shè)計(jì)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(bǔ)償設(shè)計(jì) ,但包裹式抗分層的能力不僅與包裹層的厚度相關(guān) ,同時(shí)包裹層的壓緊工藝在技術(shù)上難于控制 ,因而不利于工程實(shí)施與應(yīng)用。
圖 1 典型飛機(jī)連接接頭構(gòu)形示意圖 Fig11 Typical joint configuration of aircraft
本文采用了平面環(huán)繞型接頭鋪層設(shè)計(jì)技術(shù) ,采用該鋪層設(shè)計(jì)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是 :一方面利用環(huán)繞鋪層設(shè)計(jì)可使得纖維走向在接頭部位始終沿主應(yīng)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(shí) ,環(huán)繞鋪層設(shè)計(jì)在過渡區(qū)的方向可以按照載荷擴(kuò)散角安排 ,達(dá)到更有效擴(kuò)散集中載荷的目的 ;另一方面 ,對(duì)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(duì)金屬襯套的壓緊可起到對(duì)平面厚鋪層的分層抑制作用 ;采用大端面金屬襯套同時(shí)還可對(duì)接頭復(fù)合材料制孔起到保護(hù)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(dāng)緩解應(yīng)力集中。
圖 2 平面環(huán)繞型接頭鋪層設(shè)計(jì)示意圖
Fig1 2 In2plane rounding laminated composite joint
平面環(huán)繞鋪層設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是制造出符合設(shè)計(jì)技術(shù)要求的 U形件環(huán)繞預(yù)浸料布層 ,設(shè)計(jì)制造的工裝需能較好地保證環(huán)繞單層厚度、寬度和纖維張緊均勻 ,接頭壓制能實(shí)現(xiàn)無余量成形 ,從而容易保證構(gòu)件幾何尺寸、內(nèi)部質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。為此本文設(shè)計(jì)制造了專門工裝 ,經(jīng)多次試驗(yàn)改進(jìn) ,單層厚度和寬度達(dá)到了技術(shù)要求 ,接頭固化后幾何尺寸可達(dá)到圖紙要求 ,實(shí)現(xiàn)了無余量成形。
2 平面環(huán)繞型鋪層復(fù)合材料接頭強(qiáng)度估算分析
環(huán)繞纖維鋪層接頭的力學(xué)分析重點(diǎn)在緊固件孔壁的圓環(huán)部分。對(duì)于圓環(huán)部分可以認(rèn)為 ,由環(huán)繞圓對(duì)切成兩半 ,加上中間過渡段組成。因此 ,該環(huán)繞纖維鋪層接頭的力學(xué)模型可視為復(fù)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(jié)構(gòu)看成正交各向異性均勻柱面體。利用圓柱坐標(biāo)系及正交各向異性彈性體
的平衡、幾何與物理關(guān)系 ,采用應(yīng)力函數(shù)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(yīng)力函數(shù) ;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(huán)向坐標(biāo) ;t為徑向廣義坐標(biāo)。
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