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摘 要：兼具玻璃纤维和铝合金两种材料优点的玻璃纤维增强铝合金层合板（Glare）是航空领域未来的选材之一。Glare层合板属于纤维增强合金层合板的一种，其不仅仅是具有纤维增强合金层合板的一半特点，还有着相当强的抗疲劳性能以及很高的强度。本文简述了Glare层合板在航空结构上的应用情况。研究了干涉配合对单钉单剪玻璃纤维增强铝合金连接件挤压强度的影响。
关键词：Glare层合板接头 单钉单剪 干涉配合
中图分类号：TJ85 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）09（a）-0070-03
随着航空科技的快速发展和空袭兵器功能日益多样化，人们对导弹结构提出了更为苛刻的减重、低成本等要求。研究表明在航空结构复材中，70%的失效出现在连接处，机械连接更是复合材料在应用过程中的关键所在。Glare层板因为同时具有金属材料和复合材料的特点，为了让Glare层板在飞行器结构中得到广泛应用，就要充分的考虑连接问题。因为复合材料因其具有各向异性的特点，因此，在研究Glare层板的连接问题中需着重考虑[1]。
1 Glare层板的力学性能
1.1 Glare层板的拉伸性能
玻璃纤维增强铝合金层板因为其内铝层塑性的影响，在拉伸载荷的作用下通常会表现出非完全弹性行为，图1是应用于A380上的Glare层板和其组成成分中玻璃纤维以及铝合金的应力-应变对比图[2]。从该图中可以看到Glare层板相比于2024-T3铝合金板更先进入塑性区，这是因为纤维层对金属层有支持作用。
因为玻璃纤维层的弹性模量要比2024-T3铝合金的低，因此Glare层板的弹性模量低于2024-T3铝合金的。国外对Glare层板进行了拉伸测试试验参考了ASTM D3039试验标准。
1.2 Glare层板机械连接
纤维增强复材连接的主要形式有单剪、双剪以及对接等。在纤维增强复合材料的设计中为了尽可能地让其破坏模式是挤压破坏，连接件的设计根据表1完成[3-4]，可以让连接件发生挤压强度破坏。纤维方向的不同会对复合材料的机械连接强度产生较大影响，不同的铺层方向通过受力互补的方式来提高其连接强度。由于0o铺层主要用来提高抗拉强度，90o铺层可以协调层合板的泊松比，所以本文Glare层板玻璃纤维层选择0o/90o/0o的铺层方式。
连接紧固件一般选用螺栓，由于Glare层板特殊的力学性能，一般推荐使用高锁螺栓的紧固件，使用抽钉工艺进行安装。紧固件的材料一般使用钛合金，螺母的材料一般选用钢。
2 单钉单剪玻璃纤维增强铝合金连接件结构有限元模拟
2.1 建模方法
玻璃纤维增强铝合金层板由于它铺层结构的特殊性，所以它的有限元建模方法和传统的复合材料层板有所区别。层板含有两种不同的材料，所以要建立两种不同的属性单元。本文中所要模拟的层板是100mm×36mm×1.662mm，铺层为[2024-T3/0°fiber/90°fiber/0°fiber/2024-T3/0°fiber/90°fiber/0°fiber/2024- T3]。
由于结构和载荷在y方向的对称性，建立1/2模型。在ABAQUS/standard的part模块按照连接件尺寸建立1/2三维实体模型，如图2所示。
在模型右端面上施加X方向的位移；左端施加固定；在XOZ面施加Y方向对称边界条件。
通过ABAQUS软件进行模拟计算，得出所需的结果。
2.2 单钉单剪玻璃纤维增强铝合金连接强度三维模拟结果及分析
试验数据与有限元模拟数据的载荷-位移曲线如图3所示。
从图3中可以看出，开始加载阶段，且发生破坏前，曲线吻合度较高，说明刚度模拟准确。位移加载到一定阶段后，还没有出现大面积破坏时，曲线斜率降低，之后处于相对平稳的阶段，在出现明显破坏后，曲线开始下降。其曲线吻合度较好，证明有限元模拟的可靠性。
2.3 干涉量对连接件承载能力影响研究
螺钉连接结构的干涉量主要有两种表达方式：相对干涉量與绝对干涉量。绝对干涉量是变形后孔径和初始孔径之间的差值。如式（1）所示，相对干涉量是绝对干涉量与初始孔径之间的比值。一般采用相对干涉量来表示螺钉连接结构的干涉量。本文采用的干涉量均为相对干涉量。
（1）
式中：I式为相对干涉量；D为孔直径；d为螺栓直径。
对于干涉量，本文选取了0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%6种工况。
图4是对6种不同干涉量情况下的连接件进行有限元模拟及计算，得出的载荷-位移曲线。
由图4可知，载荷-位移曲线出现了线性与非线性两个阶段，不同的干涉量对于玻璃纤维增强铝合金材料的机械连接性能有影响。
对比不同干涉量下单钉单剪玻璃纤维增强铝合金连接件的结构刚度值，得出初始刚度C与相对干涉量I之间的关系曲线如图5所示。
由图5可得，在I为0%～1.5%时，玻璃纤维增强铝合金连接件的刚度随着干涉量的增加而上升；当I高于1.5%时，玻璃纤维增强铝合金连接件的刚度反而降低了，且在干涉量为3%时，其刚度要比不加干涉量时还要低。在I=1.5%时C=3.3635kN/mm，相较于I=0时的刚度（2.89392kN/mm）提高了16.22%。
3 结语
本文以[2024-T3/0°/90°/0°/2024-T3/0°/90°/0°/202
4-T3]铺层的玻璃纤维增强铝合金单钉单剪连接件为研究对象，以国内外的研究成果作为基础，通过有限元软件ABAQUS建立了单钉单剪玻璃纤维增强铝合金连接件的三维有限元模型。分析了不同的干涉量下单钉单剪玻璃纤维增强铝合金连接件的挤压强度。
本文主要研究内容和研究成果如下。
应用有限元软件ABAQUS建立单钉单剪玻璃纤维增强铝合金连接件，并对其进行静力分析。在与试验条件相同的情况下，对数值模拟结果与试验结果进行比较，两者吻合较好。对施加不同干涉量的情况下承载能力和刚度进行了分析。得出适当的干涉配合能够提高玻璃纤维增强铝合金连接件的承载能力和刚度。而过大的干涉量反而会降低其承载能力和刚度。在干涉量为1.5%左右时可以得到较高的承载能力及刚度。
参考文献
[1] G Wu， JM Yang，H T Halm. The impact properties and damage tolerance and of bi-directionally reinforced fiber metal laminates[J]. Journal of Materials Science， 2007，42（3）：948-957.
[2] 谢鸣九.复合材料连接手册[M].北京：航空工业出版社，1994.
[3] 肖军，张鹏.轻质复合材料舵翼面的材料设计[J].航空兵器，2008（5）：57-61.
[4] 高宗战，王毅，黄帅军，等.导弹舵面的复合材料设计与分析[J].航空兵器，2016（4）：63-68.
关键词：Glare层合板接头 单钉单剪 干涉配合
中图分类号：TJ85 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）09（a）-0070-03
随着航空科技的快速发展和空袭兵器功能日益多样化，人们对导弹结构提出了更为苛刻的减重、低成本等要求。研究表明在航空结构复材中，70%的失效出现在连接处，机械连接更是复合材料在应用过程中的关键所在。Glare层板因为同时具有金属材料和复合材料的特点，为了让Glare层板在飞行器结构中得到广泛应用，就要充分的考虑连接问题。因为复合材料因其具有各向异性的特点，因此，在研究Glare层板的连接问题中需着重考虑[1]。
1 Glare层板的力学性能
1.1 Glare层板的拉伸性能
玻璃纤维增强铝合金层板因为其内铝层塑性的影响，在拉伸载荷的作用下通常会表现出非完全弹性行为，图1是应用于A380上的Glare层板和其组成成分中玻璃纤维以及铝合金的应力-应变对比图[2]。从该图中可以看到Glare层板相比于2024-T3铝合金板更先进入塑性区，这是因为纤维层对金属层有支持作用。
因为玻璃纤维层的弹性模量要比2024-T3铝合金的低，因此Glare层板的弹性模量低于2024-T3铝合金的。国外对Glare层板进行了拉伸测试试验参考了ASTM D3039试验标准。
1.2 Glare层板机械连接
纤维增强复材连接的主要形式有单剪、双剪以及对接等。在纤维增强复合材料的设计中为了尽可能地让其破坏模式是挤压破坏，连接件的设计根据表1完成[3-4]，可以让连接件发生挤压强度破坏。纤维方向的不同会对复合材料的机械连接强度产生较大影响，不同的铺层方向通过受力互补的方式来提高其连接强度。由于0o铺层主要用来提高抗拉强度，90o铺层可以协调层合板的泊松比，所以本文Glare层板玻璃纤维层选择0o/90o/0o的铺层方式。
连接紧固件一般选用螺栓，由于Glare层板特殊的力学性能，一般推荐使用高锁螺栓的紧固件，使用抽钉工艺进行安装。紧固件的材料一般使用钛合金，螺母的材料一般选用钢。
2 单钉单剪玻璃纤维增强铝合金连接件结构有限元模拟
2.1 建模方法
玻璃纤维增强铝合金层板由于它铺层结构的特殊性，所以它的有限元建模方法和传统的复合材料层板有所区别。层板含有两种不同的材料，所以要建立两种不同的属性单元。本文中所要模拟的层板是100mm×36mm×1.662mm，铺层为[2024-T3/0°fiber/90°fiber/0°fiber/2024-T3/0°fiber/90°fiber/0°fiber/2024- T3]。
由于结构和载荷在y方向的对称性，建立1/2模型。在ABAQUS/standard的part模块按照连接件尺寸建立1/2三维实体模型，如图2所示。
在模型右端面上施加X方向的位移；左端施加固定；在XOZ面施加Y方向对称边界条件。
通过ABAQUS软件进行模拟计算，得出所需的结果。
2.2 单钉单剪玻璃纤维增强铝合金连接强度三维模拟结果及分析
试验数据与有限元模拟数据的载荷-位移曲线如图3所示。
从图3中可以看出，开始加载阶段，且发生破坏前，曲线吻合度较高，说明刚度模拟准确。位移加载到一定阶段后，还没有出现大面积破坏时，曲线斜率降低，之后处于相对平稳的阶段，在出现明显破坏后，曲线开始下降。其曲线吻合度较好，证明有限元模拟的可靠性。
2.3 干涉量对连接件承载能力影响研究
螺钉连接结构的干涉量主要有两种表达方式：相对干涉量與绝对干涉量。绝对干涉量是变形后孔径和初始孔径之间的差值。如式（1）所示，相对干涉量是绝对干涉量与初始孔径之间的比值。一般采用相对干涉量来表示螺钉连接结构的干涉量。本文采用的干涉量均为相对干涉量。
（1）
式中：I式为相对干涉量；D为孔直径；d为螺栓直径。
对于干涉量，本文选取了0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%6种工况。
图4是对6种不同干涉量情况下的连接件进行有限元模拟及计算，得出的载荷-位移曲线。
由图4可知，载荷-位移曲线出现了线性与非线性两个阶段，不同的干涉量对于玻璃纤维增强铝合金材料的机械连接性能有影响。
对比不同干涉量下单钉单剪玻璃纤维增强铝合金连接件的结构刚度值，得出初始刚度C与相对干涉量I之间的关系曲线如图5所示。
由图5可得，在I为0%～1.5%时，玻璃纤维增强铝合金连接件的刚度随着干涉量的增加而上升；当I高于1.5%时，玻璃纤维增强铝合金连接件的刚度反而降低了，且在干涉量为3%时，其刚度要比不加干涉量时还要低。在I=1.5%时C=3.3635kN/mm，相较于I=0时的刚度（2.89392kN/mm）提高了16.22%。
3 结语
本文以[2024-T3/0°/90°/0°/2024-T3/0°/90°/0°/202
4-T3]铺层的玻璃纤维增强铝合金单钉单剪连接件为研究对象，以国内外的研究成果作为基础，通过有限元软件ABAQUS建立了单钉单剪玻璃纤维增强铝合金连接件的三维有限元模型。分析了不同的干涉量下单钉单剪玻璃纤维增强铝合金连接件的挤压强度。
本文主要研究内容和研究成果如下。
应用有限元软件ABAQUS建立单钉单剪玻璃纤维增强铝合金连接件，并对其进行静力分析。在与试验条件相同的情况下，对数值模拟结果与试验结果进行比较，两者吻合较好。对施加不同干涉量的情况下承载能力和刚度进行了分析。得出适当的干涉配合能够提高玻璃纤维增强铝合金连接件的承载能力和刚度。而过大的干涉量反而会降低其承载能力和刚度。在干涉量为1.5%左右时可以得到较高的承载能力及刚度。
参考文献
[1] G Wu， JM Yang，H T Halm. The impact properties and damage tolerance and of bi-directionally reinforced fiber metal laminates[J]. Journal of Materials Science， 2007，42（3）：948-957.
[2] 谢鸣九.复合材料连接手册[M].北京：航空工业出版社，1994.
[3] 肖军，张鹏.轻质复合材料舵翼面的材料设计[J].航空兵器，2008（5）：57-61.
[4] 高宗战，王毅，黄帅军，等.导弹舵面的复合材料设计与分析[J].航空兵器，2016（4）：63-68.