C/C復(fù)合材料開孔強(qiáng)度研究及典型連接應(yīng)用

譚志勇，，

(空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所，北京100076)

C/C復(fù)合材料開孔強(qiáng)度研究及典型連接應(yīng)用

譚志勇，董威利，占續(xù)軍

(空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所，北京100076)

針對(duì)C/C復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)的開孔和連接問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究。測(cè)試了開孔板的強(qiáng)度性能并分析了點(diǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則的適用性，結(jié)果表明直接采用孔邊應(yīng)力來(lái)評(píng)估開孔和連接強(qiáng)度將明顯偏于保守。測(cè)試了C/C開孔的擠壓強(qiáng)度特性，對(duì)不同的影響參數(shù)進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上完成了典型連接的開孔設(shè)計(jì)和強(qiáng)度試驗(yàn)。

復(fù)合材料；開孔性能；連接

Abstract：Research on the opening hole and connecting problem of C/C composite material and thermal-structure was conducted. The strength characterristic of plate with opening hole was tested and the applicability of stress criteria focused on particular point was analyzed. Results indicate that it’s obviously conservative to evaluate open hole and joint strength by hole-edge stress criteria. Moreover, the extruding strength characteristic of C/C structure with opening hole was tested, and different affecting parameters were analysed. Based on these, design and strength test of typical connection were completed.

Keywords：Composite material； Opening’s character； Connection

0 引言

C/C作為一種新型超高溫復(fù)合材料，是目前高超聲速飛行器主承力熱結(jié)構(gòu)重要備選方案之一，而復(fù)合材料部件之間的連接問(wèn)題是從材料跨越到工程結(jié)構(gòu)的重要環(huán)節(jié)。為保證熱結(jié)構(gòu)部件的可拆卸性要求，機(jī)械連接是一種不可替代的選擇，而機(jī)械連接的基礎(chǔ)是獲得材料開孔的力學(xué)性能。

目前，針對(duì)樹脂基材料的開孔和連接性能已有較多研究。謝鳴九[1]采用工程化的方法對(duì)開孔性能及連接設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)論述和總結(jié)。王富生等[2]對(duì)開孔形狀、配合間隙對(duì)性能的影響進(jìn)行了研究，宋祚禹等[3]研究了不同開孔形狀的連接性能，王佩艷等[4]研究了材料的釘孔擠壓強(qiáng)度及其統(tǒng)計(jì)分布。這些工作也反映出樹脂基復(fù)合材料已較為成熟地應(yīng)用于航空類主承力結(jié)構(gòu)中。但是，C/C復(fù)合材料與樹脂基材料在力學(xué)性能特點(diǎn)、表征方面均有較大的差異，對(duì)此Tzeng[5]、喬志軍[6]和康永等[7]綜述了材料的表現(xiàn)，韓紅梅等[8]討論了高溫環(huán)境對(duì)性能的影響，但進(jìn)一步關(guān)于C/C材料開孔、連接還少見(jiàn)于研究報(bào)道。相關(guān)試驗(yàn)表明，C/C材料開孔的應(yīng)力和應(yīng)變特點(diǎn)以及機(jī)械連接影響因素均不能照搬樹脂基復(fù)合材料的規(guī)律和結(jié)論。

針對(duì)C/C熱結(jié)構(gòu)的開孔連接需求，本文對(duì)典型開孔的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了開孔板的常溫強(qiáng)度性能，發(fā)現(xiàn)材料拉伸強(qiáng)度對(duì)開孔不敏感，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析了點(diǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則的適用性，分析了C/C孔的擠壓強(qiáng)度特性。并以理論分析為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了典型圓軸的開孔連接方式并在常溫和高溫強(qiáng)度試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 C/C開孔板的強(qiáng)度性能測(cè)試及點(diǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則分析

C/C開孔試驗(yàn)件采用碳布層疊縫合工藝，碳布鋪層順序?yàn)?°/90°/45°/0°/90°/-45°，縫合間距為4mm，平板纖維含量約 45%～48%。試驗(yàn)件寬度為20mm。

對(duì)開孔平板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)獲得強(qiáng)度性能，開孔直徑分別為2mm、4mm、6mm、8mm，材料的開孔拉伸強(qiáng)度采用名義強(qiáng)度計(jì)算公式，即：

(1)

式中，σbn為試件的名義拉伸強(qiáng)度，Pmax為最大破壞載荷，A0為包括孔截面的名義截面面積。σbn隨孔徑的變化規(guī)律以及典型破壞情況在圖1給出，開孔直徑為0即為材料的平均拉伸強(qiáng)度值。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試件在開孔直徑小于4mm時(shí)強(qiáng)度沒(méi)有明顯的降低，表明材料對(duì)圓形開孔不敏感。

圖2分別給出了2個(gè)不開孔試件以及單個(gè)6mm開孔試件在開孔面不同位置的應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試情況。分析可知，不開孔試驗(yàn)件具有較好的一致性，由于C/C拉伸性能主要由纖維控制，表現(xiàn)出明顯的線性和脆性特點(diǎn)，破壞應(yīng)變約為1600με。而開孔試驗(yàn)件在離孔較遠(yuǎn)的應(yīng)變略低于無(wú)孔狀態(tài)破壞應(yīng)變，在孔邊具有應(yīng)力和應(yīng)變集中，是首先發(fā)生破壞的位置。對(duì)比圖1和圖2看出，若直接采用孔邊應(yīng)力來(lái)評(píng)估開孔和連接強(qiáng)度明顯偏于保守，6mm開孔試件的保守量達(dá)到1.9倍左右。

針對(duì)開孔的應(yīng)力集中條件下強(qiáng)度可采用點(diǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)估，即采用距離開孔位置特定距離的應(yīng)力狀態(tài)來(lái)評(píng)估在拉/壓載荷下開孔試件的破壞載荷，它是基于不開孔強(qiáng)度σb0和特征尺寸d0的兩參數(shù)簡(jiǎn)單模型。Ahmed等[9]給出了點(diǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則的理論計(jì)算公式，定義拉伸特征尺寸d0為開孔破壞發(fā)生時(shí)，板上應(yīng)力達(dá)到不開孔拉伸/壓縮強(qiáng)度的點(diǎn)距孔邊的距離，有：

σb(0,R+d0)=σb0

(2)

當(dāng)滿足式(2)時(shí)開孔板發(fā)生破壞。針對(duì)半無(wú)限大開孔平板進(jìn)行線性條件下的應(yīng)力分析，可得到開孔板強(qiáng)度與無(wú)孔板強(qiáng)度的比值為：

(3)

(4)

式中，Ex、Ey為兩個(gè)方向的楊氏模量，Gxy為面內(nèi)剪切模量，μxy為泊松比。

d0是與破壞區(qū)域相關(guān)的幾何量，一般可用有限元計(jì)算及試驗(yàn)得到，但有限元計(jì)算具有某些人為假定因素，本文由6mm開孔試驗(yàn)件拉伸破壞載荷時(shí)的應(yīng)變實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲得特征尺寸為4.0mm。按照無(wú)孔拉伸以及Ex=Ey=85GPa、μxy=0.035、Gxy=20GPa代入上述公式，得到開孔板強(qiáng)度與無(wú)孔板強(qiáng)度的比值為0.88，而試驗(yàn)實(shí)際測(cè)得兩者比值為0.84。表明點(diǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則作為一種簡(jiǎn)單有效的預(yù)測(cè)方法在本試驗(yàn)中的適用性較好，可以得出在d0≈R具有獲得較為吻合且偏安全的結(jié)果。由于特征尺寸與材料、開孔尺寸、邊界條件等諸多因素有關(guān)，得出的結(jié)論一般只適用于特定條件。

2 C/C開孔的擠壓強(qiáng)度特性及連接設(shè)計(jì)

孔擠壓應(yīng)力按式(5)定義計(jì)算：

(5)

式中Fa、Fb、Fc分別為圖3的a、b、c點(diǎn)載荷。針對(duì)一定板寬的試驗(yàn)件，可獲得不同面內(nèi)載荷方向、不同開孔直徑和不同預(yù)緊力等連接參數(shù)對(duì)擠壓強(qiáng)度、破壞模式的影響，如圖4、圖5所示。

圖6給出了C/C材料在不同方向鋪層工藝下的擠壓力學(xué)性能對(duì)比。表明以±45°鋪層為主的材料開孔擠壓剛度、擠壓初始破壞強(qiáng)度均大于以0°/90°鋪層為主的材料開孔，這與樹脂基復(fù)合材料的規(guī)律相符。而±45°鋪層的擠壓極限強(qiáng)度相對(duì)偏小，主要是試驗(yàn)件邊距偏小導(dǎo)致試驗(yàn)件產(chǎn)生了凈拉伸破壞。

總結(jié)C/C材料的開孔和孔擠壓試驗(yàn)結(jié)果得出，對(duì)于C/C多列開孔連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以0°/90°鋪層為主的材料孔間距在3～4倍孔徑即可，而以±45°鋪層為主的材料孔間距需要≥5倍孔徑，需要具體權(quán)衡單孔強(qiáng)、剛度增加與連接個(gè)數(shù)減少對(duì)綜合承載能力的影響。

3 復(fù)合材料典型圓軸的連接開孔應(yīng)用

圓軸是舵、襟副翼類熱結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵承載部位，其強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)一般都與開孔應(yīng)力集中以及螺栓連接導(dǎo)致的孔擠壓強(qiáng)度有關(guān)。在開孔位置附近的應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，需要考慮的因素眾多。為保證足夠的載荷傳遞能力，圓軸會(huì)采用雙排甚至多排的開孔螺栓連接，這就需要分析孔擠壓載荷與旁路載荷的影響，保證各排開孔承載的合理性。建立受剪螺栓連接結(jié)構(gòu)在受載孔附近承受孔擠壓與凈截面拉伸應(yīng)力的比值關(guān)系，兩者的共同作用效果可通過(guò)式(6)確定：

Kjyσjy+Ktcσb=σb0

(6)

式中，σb0為無(wú)開孔的材料拉伸強(qiáng)度，σjy為受載孔擠壓應(yīng)力，σb為由旁路載荷引起的凈截面拉伸應(yīng)力。Kjy為受載孔擠壓應(yīng)力集中減縮系數(shù)，Ktc為開孔拉伸應(yīng)力集中減縮系數(shù)。按照相關(guān)文獻(xiàn)[10-11]的公式并代入前面8mm開孔試驗(yàn)件獲得的數(shù)據(jù)，可以得到單孔在拉伸、擠壓聯(lián)合作用下的破壞包線示意，如圖7所示。在灰色的OAB區(qū)域內(nèi)，連接結(jié)構(gòu)發(fā)生擠壓破壞；在白色的OBC區(qū)域內(nèi)，連接結(jié)構(gòu)發(fā)生拉伸破壞，以此作為C/C典型圓軸在彎、扭聯(lián)合載荷下連接強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

從圖7看出這類開孔更應(yīng)關(guān)注拉伸破壞模式的影響。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮開孔形狀、大小尺寸、間距，以及連接螺栓剛度、預(yù)緊力矩和間隙要求等因素。不僅要實(shí)現(xiàn)常溫條件下的優(yōu)化，還需要考慮高溫?zé)崤蛎浐蛯?dǎo)致的附加熱應(yīng)力影響。通常情況下，增加圓軸開孔直徑與降低螺栓剛度的要求是矛盾的，這可以通過(guò)開槽或空心的方法來(lái)削弱大直徑金屬螺栓的剛度、實(shí)現(xiàn)多排螺栓的剛度匹配，使得孔擠壓載荷與旁路載荷具有合理的分配。此外，適度改變開孔形狀可以減小特定載荷下的應(yīng)力集中，這可以通過(guò)螺栓襯套的方式實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)得到典型圓軸的開孔連接之后進(jìn)行了常溫、高溫試驗(yàn)，如圖8所示。圓軸承受彎、扭矩復(fù)合載荷，彎扭矩比例約為1∶2，高溫為800℃以上的穩(wěn)態(tài)條件。常溫、高溫試驗(yàn)結(jié)果表明圓軸破壞均未發(fā)生在開孔位置，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

4 結(jié)論

C/C復(fù)合材料的開孔強(qiáng)度、孔擠壓強(qiáng)度規(guī)律是這類熱結(jié)構(gòu)采用螺栓機(jī)械連接設(shè)計(jì)和分析的重要基礎(chǔ)。本文通過(guò)典型試驗(yàn)件獲得了具體的應(yīng)力集中敏感系數(shù)以及采用點(diǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則的特征尺寸。試驗(yàn)表明孔擠壓初始損傷強(qiáng)度可以表征為材料的固有特性，而擠壓極限強(qiáng)度、剩余強(qiáng)度則是與連接參數(shù)有關(guān)的結(jié)構(gòu)特性，這與以往的樹脂基復(fù)合材料有著明顯的區(qū)別。以此為基礎(chǔ)，本文進(jìn)行了典型復(fù)合材料圓軸的開孔連接設(shè)計(jì)和試驗(yàn)考核驗(yàn)證。

后續(xù)相關(guān)工作將進(jìn)行高溫環(huán)境下典型試驗(yàn)件的開孔力學(xué)特性研究，探討熱應(yīng)力與外載荷應(yīng)力的耦合特性以及熱匹配特性，而高溫條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取是需要解決的難點(diǎn)。

[1] 謝鳴九. 復(fù)合材料連接[M].上海：上海交通大學(xué)出版社, 2011.

[2] 王富生, 劉洋, 岳珠峰. 復(fù)合材料層合板連接件力學(xué)性能影響因素分析[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2010, 28(1): 58-61.

[3] 宋祚禹, 王西昌, 曹正華, 等. 碳纖維/聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料開孔件的連接力學(xué)性能[J]. 航空制造技術(shù), 2009 (S1): 139-140.

[4] 王佩艷, 朱振濤, 王富生, 岳珠峰. 復(fù)合材料螺栓連接性能的分散性和可靠性分析[J]. 力學(xué)季刊, 2008, 29(4): 573-577.

[5] Tzeng S S, Lin W C. Mechanical behavior of two-dimensional carbon/carbon composites with interfacial carbon layers[J]. Carbon, 1999, 37(12): 2011-2019.

[6] 喬志軍. 碳/碳復(fù)合材料力學(xué)性能的研究進(jìn)展[J]. 天津化工, 2011, 25(3): 1-7.

[7] 康永, 柴秀娟. 碳/碳復(fù)合材料的性能和應(yīng)用進(jìn)展[J]. 合成材料老化與應(yīng)用, 2010, 39(3): 38-48.

[8] 韓紅梅, 李賀軍, 李克智,等. 高溫對(duì)碳/碳復(fù)合材料性能影響的研究[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 21(3): 352-355.

[9] Ahmed K S, Vijayarangan S, Naidu A C B. Elastic properties, notched strength and fracture criterion in untreated woven jute-glass fabric reinforced polyester hybrid composites[J]. Materials & Design, 2007, 28(8): 2287-2294.

[10] Hart-Smith L J. Adhesively bonded joints for fibrous composite structures[M]//Recent Advances in Structural Joints and Repairs for Composite Materials,Springer Netherlands, 2003: 173-210.

[11] Hart-Smith L J. Bolted joints in graphite/epoxy composites[R]. Technical Report NASA CR-144899, National Aeronautics and Space Administration, USA,1977.

StrengthResearchofC/CCompositeMaterialwithOpeningHoleandApplicationofTypicalConnection

TANZhi-yong，DONGWei-li，ZHANXu-jun

(ScienceandTechnologyonSpacePhysicsLaboratory,BeijingInstituteofNearspaceVehicle’sSystemsEngineering,Beijing100076，China)

TB332/O341

A

2096-4080(2017)03-0039-06

2017-07-04；

2017-07-31

國(guó)家自然科學(xué)基金(11572086)；國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(61422110205162211002)

譚志勇(1965-), 男, 博士，研究員，研究方向?yàn)閺?fù)合材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)。E-mail:tanzhy_01@163.com