液体垫片对碳纤维复合材料的接头力学性能影响

  碳纤维复合材料凭借其高于金属材料的比强度、比模量等优良特性,在现代航空制造业中得到了广泛应用。波音B787使用的复合材料比例超过50%。随着制造技术的不断进步,复合材料的使用已经由次承力构件扩展到主承力构件,空客A380的中央翼盒就由复合材料制成。

  然而复合材料的应用还面临诸多问题,例如,目前的复合材料构件主要使用半模成型,由于树脂的流动性、固化过程中温度、压力等参数的变化和树脂体系的相变等原因,其非贴模面成型精度较低,构件厚度方向的误差较大,此外,成型过程中构件容易发生变形。因此复合材料构件的尺寸与形状误差相对较高,而飞机装配过程中要求装配件达到较高的形状与位置准确度,二者之间不可避免地会产生矛盾,阻碍了复合材料在飞机制造中的进一步应用。

  飞机装配过程中出现间隙时,如果不加处理直接进行强迫装配,容易造成较大的装配应力,会对结构的承载性能、疲劳特性等造成潜在的危害。为了减小间隙对装配结构性能的影响,-般采用垫片进行填隙补偿,如液体垫片、可剥垫片等。但是,垫片对复合材料装配结构力学性能的影响还缺乏系统的研究,因而飞机复合材料装配结构中已经出现诸多问题,如空客A380和波音B787,复合材料装配连接处均在使用过程中过早地产生了损伤。

  因此,研究垫片对复合材料装配结构力学性能的影响就变得非常重要。目前已有研究人员对此进行了初步研究,研究表明,增加液体垫片厚度会减小接头刚度,但是未明显减小接头的承载能力。使用液体垫片的复合材料-铝合金混合连接结构的性能,得出的结论主要包括:在每个热循环中液体垫片的刚度退化并不明显,且在拉伸过程中未产生明显的损伤:液体垫片的使用导致接头刚度降低,降低的幅度与垫片厚度有关。研究人员指出液体垫片放大了混合连接接头的二次、三次弯曲和面外变形,改变了复合材料表面的应变分布,并造成局部区域的应力集中。

  研究人员研究了在不填隙、填液体垫片与填可剥垫片时复合材料铝合金接头的承载性能,文章指出随着垫片厚度的增加,接头刚度在承载早期即发生折减,峰值承载能力下降;厚度相同时,使用可剥垫片接头的刚度与最终承载能力大于使用液体垫片的接头。研究人员研究了液体垫片对复合材料~钛合金多螺栓连接力学性能的影响,指出随着垫片厚度的增加,破坏载荷与刚度显著减少,然而,当厚度为0.5~1mm时影响较小;不加垫片的试件,承载能力与刚度均低于加垫片的情况。