DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 08. 014
刘衍峰，张达，周振功，等. 纤维金属层合板连接结构拉脱失效机理分析［J］ . 机电工程技术，2020，49（08）：44-49.
纤维金属层合板连接结构拉脱失效机理分析
刘衍峰1，张达1※，周振功2，高志良1
（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 长春130033；2.哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所， 哈尔滨150001）
摘要：对面外钉载作用下纤维金属层合板螺接结构拉脱失效机理进行了研究，考查了纤维铺层方向和金属体积分数对其拉脱性能的影响。基于应变形式的Hashin失效准则、金属延性断裂准则及层间内聚力本构模型，建立了复合材料连接结构三维渐进失效模型。通过有限元仿真方法，预测了螺接结构的拉脱强度，并基于试验验证了数值模型的可靠性。研究结果表明，拉脱载荷作用下，复合材料开孔区域逐渐呈锥形隆起，最终螺栓嵌入纤维金属层合板导致螺接结构承载失效，拉脱失效特征与冲击破坏相似。铝锂合金的压溃破坏及纤维金属界面的层间分离是结构拉脱破坏的主要机理。螺接结构刚度折减至亚临界损伤值后，受材料压缩效应，刚度出现二次升高趋势。纤维沿±45°方向对称铺层下的纤维金属层合板正交性最高，拉脱强度最大。螺接结构拉脱极限载荷与金属体积分数成正比。
关键词：功能梯度复合材料；螺栓连接；渐进失效；拉脱破坏
中图分类号：TB33 文献标志码：A 文章编号：1009－9492 ( 2020 ) 08－0044－06
Pull-through Failure Properties Analysis of Fiber-metal Laminates Bolted
Joint Structure
Liu Yanfeng1，Zhang Da1※，Zhou Zhengong2，Gao zhiliang1
（1. Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033, China;
2. Institute of Composites and Structures, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China）
Abstract: The pull-out failure mechanism of fiber-reinforced metal laminate （FML） bolted structure under external nailing load was studied. The effects of fiber ply direction and metal volume fraction on the pull-out performance were investigated. Based on the Hashin failure criterion of strain form, the ductile fracture criterion of metal and the constitutive model of interlayer cohesion, a three-dimensional progressive failure model of composite connection structure was established. Through the finite element simulation method, the pull-out strength of the bolted structure was predicted, and the reliability of the numerical model was verified based on the test. The results show that under the pull-out load, the opening area of the composite material gradually presents a cone-shaped uplift, and finally the bolt embedded into the fiber metal laminate leads to the bearing failure of the bolted structure, and the pull-out failure characteristics are similar to the impact failure. The collapse failure of Al Li alloy and the interlayer separation of fiber metal interface are the main mechanisms of pull-out failure. After the stiffness of the bolted structure is reduced to the subcritical damage value, the stiffness increases twice due to the material compression effect. The results show that the orthogonality and pull-out strength of fiber metal laminates with symmetrical fiber ply along ± 45°direction are the highest. The pull-out limit load of bolted structure is proportional to the volume fraction of metal.
Key words: functional gradient composites; bolted joint; progressive failure; pull-through failure
引言
纤维金属层合板（Fiber-Metal Laminates，FMLs） 是一种由金属与纤维复合材料交替铺层后固化形成的混杂型复合材料[1-3]。因其兼具复合材料的高比刚度、比强度及金属的抗冲击、高损伤容限性等优点，广泛应用于航空航天领域[4]。螺栓连接是复合材料主承载结构内部载荷传递的常用方式之一。
由于存在各向异性特征，复合材料螺接结构法向承载性较差，在面外载荷作用下极易发生拉脱破坏[5-8]。拉脱强度预测及失效机理分析是复合材料连接结构设计的关键。
国内外学者深入研究了基体材料、纤维铺层方向、螺栓参数等因素对碳纤维树脂基复合材料螺接结构拉脱性能的影响。Camanho[9]提出复合材料结构内部的初始损伤主要由纤维层间分离导致；Pearce[10]结合最大应力理论，基于三维渐进失效的本构模型，探究复合材料连接结构在面外载荷作用下的刚度退化特征。国内学者还通过非线性数值模型，预测了复合材料泡沫夹芯板[11]、夹层预埋玻璃纤维板[12]等螺接结构的拉脱强度，但关于纤维金属复合材料螺接结构的相关研究较少，且金属塑性、金属与纤维间的界面特性使得该材料的拉脱破坏机理与传统复合材料存在差异，以往的数值研究结果不能准确表征纤维金属材料的面外失效特征。
本文针对玻璃纤维增强铝锂合金复合材料，基于应变形式的Hashin 失效准则、延性断裂判据及层间内聚力本构方程，建立三维渐进失效模型。利用数值仿真法研究连接结构在面外载荷工况下的拉脱失效特征及破坏机理。讨论纤维铺层方向、金属体积分数等复合材料设计参数对连接结构拉脱失效特征的影响。研究结果为复合材料连接结构性能优化设计提供参考。
结束语
本文建立的纤维金属复合材料三维渐进失效模型可以有效模拟拉脱工况下连接结构的损伤演化情况。数值仿真结果与试验对比误差为8.39%、11.99%，满足工程计算要求。
螺接结构在面外载荷作用下，力学响应呈非线性趋势，具有4个阶段性特征。拉脱失效特征与冲击破坏近似，连接孔区域锥形隆起，螺栓深嵌入层合板结构。铝锂合金的压溃破坏、纤维金属界面的层间分离是导致拉脱破坏的主要因素。
纤维铺层的正交性与连接结构拉脱强度成正比。相邻层间夹角越大，承载时层间分离情况越严重。适当增加±45°铺层可以提升螺接结构力学性能。金属体积分数可以改变螺接结构面外承载时力学响应规律。MVF值越小，极限载荷及失效位移也随之降低。