in2plane rounding type laminated scheme ; theoretical
析、工艺、试验技术研究具有重要的理论研究价值和实际工程应用意义 [226] ,已成为复合材料技术的重要发展方向之一。
由于层压式结构无论在理论研究 ,还是制造成型工艺上都相对成熟 ,层压式结构已成为主承力连接接头首先考虑的设计应用结构形式 ,现行飞机采用复合材料承力接头大多为层压式结构 ,即由两层或多层同种或不同种材料层和压制而成 ,如 A320飞机垂直尾翼接头等 ,均为典型的复合材料层压式结构形式并与主结构融为一体。随着对接头承载能力要求的提高 ,对复合材料主承力接头结构形式设计提出了新要求 ,故设法提高主承力接头的承载能力成为复合材料主承力接头结构形式设计的基本点。文献 [7210 ]对复合材料结构连接技术进行了研究 ,提出了通过特殊局部缠绕成型、补加成型、应用特种加强件、在加厚端头中嵌入高强度薄片 (金属箔、硼砂膜片等 )等设计技术可大大提高复合材料接头的强度。近年来 ,纺织复合材料结构设计与制造得到了发展 ,使得层压复合材料层间强度薄弱的致命弱点在三维编织复合材料中得到克服。总体上讲 ,三维编织结构比层压结构有更高的强度、冲击韧性和损伤阻抗。此外 ,现在发展较快的是准三维复合材料 ,即在复合材料厚度方向有部分纤维增强 ,这种复合材料与三维编织结构相比工艺技术难度较小 ,成本较低而适于批量生产。
针对层压板式复合材料接头及其与结构融合体的复合材料铺层设计技术进行设计分析研究 ,并完成了静力试验考核 ,以期为中国大型飞机的设计研制提供工程应用基础。
1 平面环绕型接头铺层设计
面环绕型。由于连接接头具有典型的三维厚壁构
型形态 ,因此无论采用哪种铺层设计形式 ,其在受载过程中均会由于叠层偏厚而产生层间开裂的强度问题 [ 11 ]。设计的关键问题在于能否对层压式复合材料接头的层间开裂采取有效的补偿设计措施 ,竖面环绕型铺层设计方式沿紧固件孔的径向可采取沿接头周向的包裹式层间开裂补偿设计 ,但包裹式抗分层的能力不仅与包裹层的厚度相关 ,同时包裹层的压紧工艺在技术上难于控制 ,因而不利于工程实施与应用。
图 1 典型飞机连接接头构形示意图 Fig11 Typical joint configuration of aircraft
本文采用了平面环绕型接头铺层设计技术 ,采用该铺层设计技术的主要优点是 :一方面利用环绕铺层设计可使得纤维走向在接头部位始终沿主应力方向 ,这样可充分利用纤维的高承载能力 ,如图 2所示 ;同时 ,环绕铺层设计在过渡区的方向可以按照载荷扩散角安排 ,达到更有效扩散集中载荷的目的 ;另一方面 ,对于厚铺层的层间开裂问题 ,可采用在紧固件孔壁加装大端面金属衬套 ,通过对金属衬套的压紧可起到对平面厚铺层的分层抑制作用 ;采用大端面金属衬套同时还可对接头复合材料制孔起到保护作用 ,有利于钉载更均匀地作用于接头孔壁。在保证层间不开裂情况下 ,可利用高、低性能纤维的合理搭配来适当缓解应力集中。
图 2 平面环绕型接头铺层设计示意图
Fig1 2 In2plane rounding laminated composite joint
平面环绕铺层设计的关键是制造出符合设计技术要求的 U形件环绕预浸料布层 ,设计制造的工装需能较好地保证环绕单层厚度、宽度和纤维张紧均匀 ,接头压制能实现无余量成形 ,从而容易保证构件几何尺寸、内部质量满足设计技术要求。为此本文设计制造了专门工装 ,经多次试验改进 ,单层厚度和宽度达到了技术要求 ,接头固化后几何尺寸可达到图纸要求 ,实现了无余量成形。
2 平面环绕型铺层复合材料接头强度估算分析
环绕纤维铺层接头的力学分析重点在紧固件孔壁的圆环部分。对于圆环部分可以认为 ,由环绕圆对切成两半 ,加上中间过渡段组成。因此 ,该环绕纤维铺层接头的力学模型可视为复合材料纤维带条一层一层地沿柱面体或圆孔缠绕而成 ,显然在理论分析上 ,可将此类结构看成正交各向异性均匀柱面体。利用圆柱坐标系及正交各向异性弹性体
的平衡、几何与物理关系 ,采用应力函数解方法可得到柱面正交各向异性体微分控制方程[12215] ,为 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 : <为待解的应力函数 ;λ= Eθ/ Er。由于
Eνrθr=Eθνθr
则有
νθ= λνθ ,α = μ-2λνθ ;
rrr
β =-νr+μ,μ = θ/ Gr
2λ(1 θ)Eθ ;其中 :θ为柱面环向坐标 ;t为径向广义坐标。
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