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金属/复合材料混合连接结构高温承载特性与失效行为研究

戴亚光 王东 万小朋 黄河源

戴亚光, 王东, 万小朋, 黄河源. 金属/复合材料混合连接结构高温承载特性与失效行为研究[J]. 机械科学与技术, 2023, 42(10): 1753-1759. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230269
引用本文: 戴亚光, 王东, 万小朋, 黄河源. 金属/复合材料混合连接结构高温承载特性与失效行为研究[J]. 机械科学与技术, 2023, 42(10): 1753-1759. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230269
DAI Yaguang, WANG Dong, WAN Xiaopeng, HUANG Heyuan. High-temperature Load-bearing Characteristics and Failure Behavior of Metal/composite Hybrid Connection Structures[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(10): 1753-1759. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230269
Citation: DAI Yaguang, WANG Dong, WAN Xiaopeng, HUANG Heyuan. High-temperature Load-bearing Characteristics and Failure Behavior of Metal/composite Hybrid Connection Structures[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(10): 1753-1759. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230269

金属/复合材料混合连接结构高温承载特性与失效行为研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20230269
基金项目: 

中央高校基本科研业务费专项 D5000230052

详细信息
    作者简介:

    戴亚光(1981-), 高级工程师, 研究方向为飞机强度设计与验证, daisy1981sy@163.com

    通讯作者:

    黄河源, 副研究员, 硕士生导师, huangheyuan@nwpu.edu.cn

  • 中图分类号: V258+.3

High-temperature Load-bearing Characteristics and Failure Behavior of Metal/composite Hybrid Connection Structures

  • 摘要: 针对3种不同搭接板厚度的铝合金和碳纤维增强树脂(Carbon fiber reinforced polymers, CFRP)复合材料三钉螺栓连接结构, 分别进行了常温(25 ℃)和高温(150 ℃)环境下的准静态拉伸力学性能测试。同时建立有限元三维模型, 结合Hashin失效准则和渐进损伤准则进行数值模拟分析, 获得了结构的高温承载特性与损伤演化规律。研究结果表明, 对于D1D2D3这3种不同铝合金厚度的连接结构, 在150 ℃时的极限载荷试验值相对25 ℃分别降低6.63%、13.07%、8.48%, 且常温环境下3种结构破坏模式分别为铝合金拉伸断裂、复合材料挤压失效、复合材料拉伸断裂, 而在150 ℃高温环境下, 3种结构损伤模式都为复合材料孔边的挤压剪切失效。
  • 图  1  试验件示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of the test piece

    图  2  试验件夹持形式及试验环境箱

    Figure  2.  Test piece clamping form and test environment

    图  3  铝合金与复合材料螺栓连接结构有限元分析模型

    Figure  3.  Finite element analysis model of aluminum alloy and its composite bolted structure

    图  4  25 ℃环境下CFRP复合材料和铝合金螺栓连接结构的破坏样貌

    Figure  4.  Failure pattern of CFRP composite materials and aluminum alloy bolted structure under 25 ℃ environment

    图  5  150 ℃环境下CFRP复合材料和铝合金螺栓连接结构的破坏样貌

    Figure  5.  Failure pattern of CFRP composite materials and aluminum alloy bolted connection structure at 150 ℃

    图  6  150 ℃高温环境下D2结构的损伤演化过程

    Figure  6.  Damage evolution of D2 structure at 150 ℃

    图  7  铝合金面板厚度对结构极限载荷的影响曲线

    Figure  7.  Influence of aluminum alloy panel thickness on the ultimate load of the structure

    图  8  温度对结构承载能力的影响图

    Figure  8.  Influence of temperature on the bearing capacity of the structure

    表  1  试验件尺寸及试验矩阵

    Table  1.   Test piece size and test matrix

    编号 几何尺寸/mm
    tm tc e p l d g w
    D1 1.5
    D2 2.0 2.5 18 30 200 6 50 36
    D3 2.5
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    表  2  2024铝合金弹塑性模型参数

    Table  2.   2024 aluminum alloy elastoplastic model parameters

    屈服应力/MPa 260 279 294 313 340 380 427
    塑性应变 0 0.000 413 0.001 036 0.002 651 0.008 131 0.022 934 0.044 134
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    表  3  CFRP复合材料力学性能参数[18]

    Table  3.   Mechanical property parameters of CFRP composites[18]

    性能 数值 强度 数值
    纵向弹性模量E11/GPa 146.22 纵向拉伸强度Xt/MPa 1 986
    纵向弹性模量E22, E33/GPa 10.84 横向、厚度方向拉伸强度YtZt/MPa 58
    面内剪切模量G12, G13/GPa 5.62 纵向压缩强度Xc/MPa 1 349
    面外剪切模量G23/GPa 9.34 横向、厚度方向压缩强度YcZc/MPa 255
    泊松比υ12, υ13, υ23 0.30, 0.30, 0.42 面内剪切强度S12/MPa 105
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    表  4  材料热膨胀系数[18]

    Table  4.   Thermal expansion coefficient of materials[18]

    参数 2024铝合金 TC4钛合金 复合材料(纤维方向) 复合材料(基体方向)
    热膨胀系数/10-6 K-1 25 8.1 0.25 32.6
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    表  5  复合材料损伤准则及刚度退化模型[19]

    Table  5.   Composite damage criteria and stiffness degradation model[19]

    失效模式 损伤准则 刚度退化
    纤维拉伸失效(σ11>0) E11=0.07E11
    纤维压缩失效(σ11<0) E11=0.14E11
    基体拉伸失效(σ22>0) E22=0.2E22, G12=0.2G12, G23=0.2G23
    基体压缩失效(σ22<0) E22=0.4E22, G12=0.4G12, G23=0.4G23
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    表  6  数值仿真与试验结果比较

    Table  6.   Comparison of numerical simulation and test results

    结构形式 D1(tm=1.5 mm) D2(tm=2.0 mm) D3(tm=2.5 mm)
    温度/℃ 25 150 25 150 25 150
    试验值Fmax/kN 38.74 36.17 43.85 38.12 44.23 40.48
    仿真值Fmax/kN 36.73 35.79 40.24 39.55 40.62 39.15
    误差/% 5.19 1.05 8.23 -3.75 8.16 3.29
    断裂模式 铝板断 复合材料剪切失效 复合材料挤压失效 复合材料剪切失效 复合材料拉伸断裂 复合材料剪切失效
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  • 收稿日期:  2022-08-23
  • 刊出日期:  2023-10-25

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