复合材料矩形开孔损伤螺接修理参数分析

杨鹏飞 樊俊铃 宁宁 李念

摘要：复合材料的修理问题越来越受到关注。本文针对复合材料层压板结构的矩形开孔损伤建立了螺接修理方案，通过数值模拟的方法研究了螺栓排布、补片材料和厚度等修理参数对结构强度和刚度的影响，分析了不同修理参数的失效模式的变化情况，对复合材料螺栓修理的工程应用有一定的参考价值。

关键词：复合材料；螺栓连接修理；有限元分析

Keywords：composite materials；bolted joints repair；FEM analysis

0 引言

随着复合材料在飞机结构中的大量应用[1]，其受到损伤后的修理问题也受到越来越多的关注，目前对于飞机复合材料主结构的修理主要采用螺接修理方式。与胶接修理相比，螺接修理具有很多优点，其对结构表面状态要求不高，可以在外场方便实施，工艺成熟度高，可靠性高，对于承载较大的结构来说是一种较为理想的修理方式，在复合材料结构修理中获得广泛使用。国内外对于复合材料螺接修理进行了大量的研究。Her等[2]基于Yamada失效准则与特征曲线法研究了复合材料机械连接修理。Dano等[3]基于Hasin准则和最大应力破坏准则建立了复材螺接修理渐进损伤分析的模型。聂恒昌、关志东等[4]通过试验和有限元方法分析了不同的修理方案对破坏模式、破坏载荷、应力分布、钉载分配等产生的影响。赵英美等[5]针对复合材料穿透损伤不同修理参数对于修理效果的影响进行了研究。

复合材料受到冲击损伤一般要进行切割处理防止应力集中，切割后会形成圆形开孔或矩形开孔。目前，关于复合材料矩形开孔结构的修理参数对结构强度和刚度的影响的研究还不够充分，本文通过有限元分析，研究了矩形开孔损伤修理参数对复合结构修理强度和刚度的影响，可为工程修理设计提供一定的参考。

1 螺接修理有限元建模

主要研究对象为承拉复合材料，复合材料层压板尺寸为300mm×125mm，复合材料体系为CYCOM977-2-35-12KHTSTS-134单向带和CYCOM977-2A-37-3KHTA-5H-280织物，单层厚度分别为0.134mm和0.280mm，详细的材料参数如表1所示。粘接元强度分别取tn=85.9MPa，ts=tt=117MPa，GIc= 0.133N/mm，GIIc=GIIIc=0.459N/mm，采用BK准则，η=2。层压板损伤尺寸切割为50mm×50mm的矩形孔，孔边缘倒角半径5mm，以防止应力集中。对矩形损伤通过螺栓连接进行修理，螺栓采用HST11AP，螺母采用HST79CYWT5，螺栓直径4.2mm。补片尺寸142mm×100mm×2mm。针对复合材料结构的对称性，螺栓连接修理层压板结构采用1/4建模，分析时假设螺栓均位于螺栓孔中间且螺栓不存在间隙，同时忽略预紧力的影响。层压板母体结构采用SC8R壳单元，修理补片和螺栓采用C3D8I实体单元。层压板与修理补片网格尺寸为1.5mm，损伤边缘区域设置0.5mm的网格尺寸，螺栓与螺栓孔周围网格进一步细化。螺栓、层压板、修理补片之间均施加摩擦系数为0.1的硬接触。在层压板一端施加位移载荷，在对称面施加对称边界条件，模型如图1所示。

2 螺接修理参数影响分析

2.1 螺栓列数影响分析

研究了3种螺栓列数结构强度和刚度的变化。螺栓列数对修理结构的影响如表2所示。表2中ERE与SRE分别表示刚度恢复率与强度恢复率，表示修理结构刚度和强度与完好结构的刚度和强度之比。

从表2可以发现，在螺栓列数由4增加到6的过程中，结构刚度呈现出不断增加的趋势，刚度恢复率增加9.2%，结构强度则表现出先增大后减小的趋势。从图2中不同列数螺栓的破坏形貌发现，螺栓列数较小时，修理结构的主要破坏模式為损伤区的拉伸破坏，即复材损伤结构承担了主要的载荷；当螺栓增加时，破坏模式变为以第一排螺栓孔的拉伸破坏为主，此时补片传载增强，增强了结构强度；当螺栓数增加至6时，第一排螺孔距层压板侧边的距离减小，载荷快速传递到边缘，使得截面强度减小，强度降低大于补片传力增加带来的强度增加，整体强度下降。

2.2 螺栓排数影响分析

对于螺栓连接修理层压板的螺栓排数，研究了2、3、4排螺栓对结构的影响。表3给出了螺栓排数对修理结构的影响。

如表3所示，螺栓排数对结构强度和刚度的影响较大，螺栓由2排变为4排，结构的强度和刚度均呈现出增加的趋势，其中刚度恢复率增加8.8%。这主要是由于螺栓排数增加，相应的修理补片长度也增加，使得补片传载增加，且净承载截面未减少，因此结构的强度和刚度均增加。不同螺栓排数下破坏时纤维拉伸损伤形貌如图3所示。

2.3 螺栓列距影响分析

对于螺栓列距，分别研究了16mm、20mm、22mm和24mm的列距参数，表4给出了螺栓列距对结构强度和刚度的影响。

由表4可以发现，随着列距的增加，修理结构刚度变化不明显。对于修理后强度而言，则呈现出先增加后减少的趋势。螺栓列距的增加使得补片传力路线刚度增加，结构刚度随之增加，列距增加会使补片传载增加，结构的强度可能增加；螺栓列距增加的同时，会减少最外侧螺栓到结构自由边缘的距离，螺栓孔边的裂纹可能很早地扩展到侧边缘，造成结构强度减小。因此，随着螺栓列距的增加，修理后强度恢复率先增加后减小。不同螺栓列距下破坏时纤维拉伸损伤形貌如图4所示。

2.4 螺栓排距影响分析

螺栓排距分别取12mm、16mm、20mm，螺栓排距对结构强度和刚度的影响如表5所示。可以发现，螺栓排距增加，由于补片的长度增加，修理后结构刚度增加，但变化幅度有限。补片传力路线的刚度随之增加，结构刚度增加，同时补片传载增加，最终结构的强度增加。图5为破坏载荷时的损伤形貌，可见改变螺栓排距对损伤模式基本没有影响。

2.5 螺栓直径影响分析

选取直径分别为4.2mm、4.8mm和6.3mm的三种螺栓，分析直径对结构强度、刚度的影响，结果如表6所示。可以看出随着螺栓直径的增大，结构的刚度恢复率稍微有所降低、强度恢复率降低较明显。经过分析，螺栓直径增大，补片传力路线刚度增加，结构刚度增加，同时补片传载增加；但是随着螺栓孔的增大，螺栓孔截面和损伤侧边截面的强度、刚度均减小，且后者产生的影响大于前者，因此结构的强度、刚度均降低。图6为破坏载荷时的损伤形貌，可以看出，当螺栓直径较大会带来螺孔与边缘距离减小，使得孔边裂纹更容易扩展至截断层压板截面，对结构的刚度和强度的恢复造成一定的影响。

2.6 补片材料影响分析

航空结构补片主要采用铝合金、钛合金，2种补片材料对结构强度、刚度的影响如表7所示。可以发现，采用钛合金材料的补片，结构的强度、刚度均增加，铝合金补片改为钛合金补片，刚度恢复率增加7.4%。经过分析，补片材料增强，会使得补片传力路线刚度增加，结构刚度增加，同时补片传载也增加，导致结构强度增加。

如图7所示，当采用钛合金，补片传载能力增强，破坏模式为第一排螺栓孔的截面拉伸破坏，此时损伤开口周围应力下降，矩形开口处没有出现纤维损伤，而铝合金补片会造成矩形开口处出现损伤。

2.7 补片厚度影响分析

补片厚度依次取1.0mm、1.5mm、2mm、3mm、4mm，补片厚度对力学性能的影响如表8所示。可以发现，随着补片厚度增加，结构刚度恢复率不断增加，结构强度恢复率也呈现不断增加的趋势，与刚度恢复率变化趋势不同的是，当厚度增加到一定值后，强度增加缓慢。经过分析，刚度方面，补片厚度增加，补片传力路线刚度增加，整个结构的刚度随之增加；补片厚度从1.0mm增加到4mm，刚度恢复率增加22%。强度方面，随着补片厚度的增大，补片传载增加，结构强度增加。当补片厚度较小时，破坏模式为损伤区域的纤维拉伸破坏，如图8所示。随着补片厚度的继续增大，破坏模式为层压板第一排螺栓孔拉伸破坏，但是厚度增加到一定程度后，第一排螺栓的传载也增大，对应螺栓孔的应力集中加剧，导致第一排螺栓孔截面拉伸强度降低，故补片较厚时结构强度增加缓慢。

2.8 修理参数对结构强度和结构刚度的整体影响分析

对于承拉复合材料，螺栓排距、螺栓列距、补片材料和补片厚度通过补片刚度影响整个结构的刚度；螺栓直径通过连接刚度和层压板螺栓孔截面刚度影响整个结构的刚度；螺栓排数和螺栓列数通过连接刚度、补片刚度和层压板截面刚度影响整个结构的刚度。螺接参数对于结构刚度恢复率的影响如图9所示，其中横坐标为计算参数的个数，纵坐标为刚度恢复率。补片厚度对结构刚度的影响最大，补片材料的影响次之，螺栓列数与排数对结构刚度也有一定程度的影响，螺栓直径对刚度影响不大。

对于承拉复合材料，各参数对结构强度的影响主要是通过连接刚度和补片刚度影响补片的传力和螺栓孔边的应力集中，进而影响到结构的强度，同时各参数变化带来的损伤模式的变化也会影响到结构强度的变化。当破坏模式为损伤截面拉伸破坏时，补片的载荷较低，应适当增加连接结构的刚度，提升补片传载；减小螺栓直径、减小螺栓列数可以提高层压板第一排螺栓孔截面的强度，从而使结构强度提高；增加螺栓列距会加强连接强度，但是可能会使最外侧螺栓孔边萌生的裂纹过早地扩展到侧边缘，造成结构强度有所减少。增加螺栓排数使第一排螺栓传载减小，从而减缓层压板螺栓孔的应力集中，截面承载能力增强，最终使结构强度增加；增加补片厚度，增强补片材料，加强了补片的传载，同时也加剧了层压板螺栓孔的应力集中，使截面的承载能力降低，会在一定程度上降低结构的强度，其中补片厚度存在一定的最优值；其余连接参数对结构强度影响有限。螺接参数对于结构强度恢复率的影响如图10所示，其中橫坐标为计算参数的个数，纵坐标为强度恢复率。

3 结论

针对承拉复合材料的修理参数设计，螺栓列数、排数、螺栓直径以及补片厚度等修理参数的增加均会一定程度地提升结构刚度，其中，补片厚度对结构刚度的影响最为明显，螺栓排数影响次之，螺栓直径对刚度的影响相对较小。

其次，应使复合材料结构的破坏模式尽量为层压板结构第一排螺栓孔截面拉伸破坏，此时可以得到更好的强度恢复率；同时还应优先选择增加螺栓排数，且保证螺栓与结构边缘有一定距离，防止孔边损伤快速扩展至结构边缘，进而得到最大的强度恢复率。

对于螺栓结构修理，应先确定螺栓结构和排布参数，再选择补片材料；对于修理补片材料确定的情况，其厚度存在最优值。

参考文献

[1] 张丽华，范玉青.复合材料在飞机上的应用评述[J].航空制造技术，2006（3）：64-66.

[2] S C HER，D L SHIE. The failure analysis of bolted repair on composite laminate [J]. International Journal of Solids and Structures，1998，35（15）：1679-1693.

[3] M L DANO，E KAMAL，GENDR ON G. Analysis of bolted joints in composite laminates：Strains and bearing stiffness predictions [J]. Composite structure，2007，79（4）：562-570.

[4] 聂恒昌，谭日明，郭霞，关志东.复合材料层合板机械连接修理拉伸性能[J].北京航空航天大学学报，2016（2）：318-327.

[5] 赵英美，万小朋，刘浩.复合材料螺接修补参数优化[J].航空学报，2001（5）：458-460.

作者简介

杨鹏飞，工程师，研究方向：损伤检测与结构维修技术。