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复合材料层合板接头疲劳预测方法
一、简介
先进复合材料是 60 年代中期崛起的一种新型材料，其与金属材料相比具有比强度高、比刚度高、可设计性强等许多优异特性，而减轻飞行器和航空发动机的结构重量一直是设计人员孜孜以求的目标，因此先进复合材料在航空航天飞行器的结构中得到日益广泛地应用，已成为飞行器和航空发动机结构的重要材料之一。
文献[1]认为与金属等一些各向同性材料相比，复合材料具有强度和刚度上的各向异性、内部构造上的不匀性和不连续性等特点。这些特点致使其疲劳损伤及破坏机理非常复杂。复合材料破坏形式的多样性和破坏机理的复杂性是它的一个重要特点，这种特点必然会反映到复合材料的连接尤其是机械连接上来。文献[2]认为对于复合材料，往往在高应力区出现较大规模的损伤，如界面脱胶、基体开裂、分层和纤维断裂等，这些损伤还会相互影响和组合，表现出非常复杂的疲劳破坏行为，很少出现由单一裂纹控制的破坏机理。图1反映了复合材料与金属材料的损伤特点，从图中可以看出，尽管复合材料初始阶段损伤尺寸比金属材料大，但多种损伤形式和增强纤维的牵制作用使复合材料具有良好的断裂韧性和低的缺口敏感性，因此疲劳寿命比金属材料长，且具有较大的临界损伤尺寸。此外，复合材料的疲劳损伤是积累的，而金属材料的疲劳损伤破坏是突发性的。总的来说，复合材料的抗疲劳性能比金属材料好得多。
图1 复合材料与金属材料的疲劳性能比较
文献[1]认为在结构设计中，为了提高结构效率，提高结构的整体性能始终是主要的手段之一。复合材料虽然比金属材料具有较好的结构整体性，但是由于
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设计、工艺和使用维护等方面的需要或限制，就需要存在一些设计和工艺分离面、维护口盖和多种外挂接口等等。而这些部位的载荷传递必须有相应的连接方式来解决，所以连接设计在复合材料结构中是必不可少的关键环节。文献[3]认为飞行器结构有70%以上的破坏都是发生在连接部位。
文献[4]认为结构系统的抗疲劳可靠性设计一直是工程界关注的焦点。尤其对于复合材料, 其疲劳性能的分散性很大,进行层合板疲劳寿命的可靠性分析具有十分重要的工程意义。复合材料层合板静强度的可靠性分析已经进行了大量研究, 并取得了很大进展。但有关层合板疲劳寿命可靠性分析的文献报道尚不多见。复合材料层合板是由各个铺层组成的并联系统, 其各铺层的寿命分布特征决定了整个层合板疲劳寿命的统计规律。
二、层合板接头疲劳性能影响因素
层合板接头疲劳性能除受所施加的交变载荷大小影响外，与静载力学性能相似，还受到其它众多因素的影响。
1. 接头几何尺寸的影响
复合材料接头几何尺寸是最基本的疲劳性能影响因素，直接影响到其疲劳最终破坏形式。单钉接头尺寸简图如图2所示：W 为层合板宽度；D 为螺栓孔孔径；d 为螺栓外径；E 为端距；h 为厚度；λ为间隙；P 为加载力。
图2 接头尺寸简图
文献[5]中Ramkumar和Tossavainen对接头多种几何尺寸即不同的板宽与孔径比W／D及不同的端距与孔径比E／D进行了实验研究，结果得知：a．W／D≤4时，一般主要发生拉伸破坏；W／D>4时，主要发生局部挤压破坏；W／D>6时，挤压强度相对保持不变，说明W／D过大对增加结构强度并没太大作用。b．E／D>3时，主要发生局部挤压破坏；E／D≤3时，主要发生剪切破坏。研究表明：结构几何尺寸直接影响了结构疲劳最终破坏形式，具体尺寸的选取与结构所处工作状况密切相关。
2. 拧紧力矩的影响
文献[6]中Garbo 和 Ogonowski通过对拧紧力矩为零(手动拧紧)、18.08N·m 两种不同施加条件的试样进行疲劳性能试验对比，发现拧紧力矩的大小对螺栓连
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接孔伸长有明显的影响。拧紧力矩小时，随着疲劳过程，螺栓连接孔逐渐伸长；拧紧力矩过大时，螺栓连接孔常常表现为突然伸长的趋势，围绕钉孔的损伤面积较大。文献[7]认为不施加拧紧力矩时疲劳寿命要比施加拧紧力矩时明显低，并且由于拧紧力矩的增加抑制了承载孔的伸长，疲劳寿命也随之延长。从上可以得出：机械连接部位对层压板厚度方向上的加紧力较敏感，对紧固件的拧紧力矩提供了钉孔附近的侧向约束，阻止并延缓了局部开裂和分层，可以使连接静强度与疲劳强度均有明显的增加。
3. 接头形式的影响
不同的复合材料机械连接型式对疲劳性能也有重要的影响。文献[8]中Schütz 等]对几种不同类型层合板接头疲劳性能进行了对比研究。试验显示：无载填充孔层合板接头的疲劳强度较高，而不对称连接层合板接头的疲劳强度最低；对于单剪复合材料接头结构而言，开始疲劳加载时，变形就急速增加，在达到寿命的40%以后，变形趋于平缓，直到破坏为止，没有急速增长现象发生；在对比单剪和双剪接头结构型式对疲劳性能的影响时，发现单剪接头结构要比双剪接头结构更容易提前破坏。
4. 加载频率的影响
由于结构疲劳寿命试验时间一般都较长，如在一定应力水平下，结构能承受 106次及更多的循环次数，为了提高试验效率及减少试验时间，文献[9]中Counts 和 Johnson对三种不同加载频率0.1Hz、1Hz 和 10Hz，进行了接头疲劳试验对比。研究发现这三种频率对层合板接头疲劳寿命没有什么影响，说明在一定频率范围内，提高频率不会导致太大的试验误差。文献[10]认为为了避免试样与夹具间由于摩擦而产生热，可以在循环载荷加载时设置变频率加载，即在载荷比较高时采用比较低的频率，而在载荷比较低时采用比较高的频率。
5. 铺层顺序的影响
层合板接头的不同铺层顺序也会对复合材料机械连接接头疲劳性能有一定的影响。文献[11-13]中Starikov和Sch?n对此进行了试验研究，结果表明：铺层顺序直接影响了层间应力的大小，而在孔和层合板边缘层间应力是非常高的，层间应力可以导致初始分层并且进而加速了损伤破坏。因此通过选择适当的铺层顺序，可以减小层间应力，进而提高了抗疲劳程度。
6. 干涉量的影响
文献[14]中刘萍、张达对复合材料层合板干涉配合连接结构的疲劳特性进行了试验研究。结果表明,适量千涉能有效地提高连接区的疲劳寿命。对被研究的材料和铺层情况, 在2%干涉量配合中, 疲劳寿命比滑配合情况提高2-3倍。
对一些相对不是至关重要的影响因素，一些研究人员也进行了试验研究及比较分析，如材料的非线性、电偶腐蚀以及各种环境因素等等。由于复合材料接头
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问题过于复杂，现有的试验研究可以说仍然不够全面，但这些研究结果为我们今后的研究工作提供了重要的参考和依据。
三、接头结构疲劳破坏分析
文献[1]认为纤维增强复合材料机械连接接头在疲劳加载情况下，与在静载荷作用时的破坏形式基本相同，主要也有以下几种破坏方式：拉伸破坏、剪切破坏、拉劈破坏、挤压破坏、拉脱破坏、螺栓破坏及它们的组合形式。
文献[15]认为工程设计中要合理的设计机械连接需要考虑以下三条疲劳失效准则：
ａ．钉孔拉伸、剪切或挤压破坏； ｂ．钉孔永久伸长变形超过允许值； ｃ．连接剩余强度低于设计要求值。
三条中任何一条最先达到，则连接的寿命便会终结。多数情况下往往是钉孔的永久伸长变形最先达到限制，所以成为很重要的失效准则。
对于挤压破坏导致的钉孔永久伸长变形极限值主要取决于其结构所处于的工作要求，研究者根据所研究的条件分别定义了自己的永久伸长变形限值。例如文献[16]中张开达和石彩华采用孔径的 6%为相对永久伸长，认为相当于紧固件下移了这段距离。文献[17]中Herrington和Sabbag-hian根据ASTM 标准 D953（用于塑料挤压强度的标准测试方法），定义在螺栓孔变形达到 4%初始孔径时即为接头疲劳破坏。
四、接头结构疲劳预测方法
因复合材料接头疲劳寿命预测相当复杂，在目前公开发表的文献中，仅有不多的几个研究工作提出了复合材料接头疲劳寿命的预测方法。
文献[1]针对层合板单排多钉接头，对其损伤失效及疲劳寿命进行了研究。结合有限元技术即应力分析、失效判定准则、损伤过程中材料性能退化及机械连接最终失效准则，对复合材料机械连接多钉接头部位在疲劳载荷作用下的累积损伤失效过程及各钉孔孔径的变化过程进行模拟分析。研究开发了便于工程应用的界面友好、操作方便的仿真分析软件。
其次，对层合板接头进行了大量的试验研究。考虑了不同的连接钉数（单钉和三钉）、三钉接头的三种几何尺寸及不同拧紧力矩对其疲劳性能的影响，同时使用渗透剂增强的X射线图像技术对疲劳损伤扩展及累积过程进行了无损检测，并对其进行了分析探讨。
最后，对各种类型层合板接头拉－拉疲劳载荷作用下的逐渐损伤扩展与失效规律进行了仿真分析，并与试验结果进行了对比，结果表明：本文建立的寿命预测方法能够很好地预测层合板接头的寿命以及损伤发生、扩展及最终失效。
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文献[18]首先以单层板理论为基础，建立了层合板接头静拉伸及疲劳载荷作用下三维逐渐损伤分析的强度和寿命预测方法。其中：基于载荷及时间增量原理，推导了层合板接头静载及疲劳加载累积损伤应力－应变分析的虚功方程，三维应力分析中考虑了材料1-2 面及3-1 面上剪切应力应变的非线性效应；以单层板疲劳的刚度退化为基础，并结合正则化疲劳寿命预测方法，推导、建立了复合材料疲劳加载过程剩余刚度退化模型及剩余强度退化模型；为了判定结构的损伤与整体失效，引入Hashin 三维失效准则进行材料的损伤判定，并提出了以纤维断裂损伤形式控制复合材料结构最终破坏的接头最终失效准则以及考虑材料四种损伤基本类型相互关联作用的突然性能退化方法；研究开发了便于工程应用的界面友好、操作方便的仿真分析软件。
其次，对单向层合板及层合板接头进行了大量的试验研究。其中：分别对材料T300/BMP-316 单向层合板纵向、横向及面内剪切静载力学性能及疲劳特性进行了试验研究，并采用最小二乘法拟合得到各主方向正则化疲劳寿命表达式，以及单层板各主方向疲劳加载剩余刚度退化表达式及剩余强度退化表达式；试验同时验证了单向层合板1-2 面上明显的剪切应力应变非线性关系。层合板接头的试验研究考虑了多种几何尺寸、多种铺层及不同拧紧力矩对其静强度及疲劳性能的影响，同时使用渗透剂增强的X 射线图象技术对静载和疲劳损伤扩展及累积过程进行了无损检测，并对其进行了分析探讨。
最后，对各种类型层合板接头静拉伸及拉－拉疲劳载荷作用下的逐渐损伤扩展与失效规律进行了仿真分析，并与试验结果进行了对比，结果表明：本文建立的静强度及寿命预测方法能够很好地预测层合板接头的强度、寿命以及损伤发生、扩展及最终失效。
文献[19]采用有限元方法对复合材料的疲劳进行模拟计算，建立有限元模型，进行疲劳寿命预测。把复合材料的疲劳失效过程模拟成为在外载荷作用下材料性能逐步退化、应力重分布、损伤累积的过程。并利用MSC．PATRAN／NASTRAN进行算列分析，并与试验结果相比较，误差较小，可以作为预测复合材料层合板寿命的方法。其具体流程图如图3所示。
图3 复合材料疲劳寿命预测方法流程图
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（整理）复合材料层合板接头疲劳预测方法
