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摘 要：复合材料是一种具有高清度、高比刚度的材料，同时具有耐疲劳、力学性能可设计等优势。不过，相比钛合金等，其也具有一些缺点，例如制造费用较高、疲劳寿命难以准确预测、受湿热环境影响大、冲击损伤容限低、材料性能分散性大等，因而在实际应用中仍难以对金属材料完全取代。为了对二者优势综合利用，在飞机结构当中，对复合材料应用范围，需要不断扩大，同时对金属材料固有优势充分发挥。所以，金属结构和复合材料结构连接位置十分重要。本文研究了复合材料加筋板-钛合金机械连接结构优化问题，从而使其能够发挥出更好的综合优势。
关键词：复合材料；加筋板；钛合金；机械连接；结构优化
中图分类号：V214.8 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）15-0220-01
前 言
和传统的金属材料相比，复合材料具有很多方面的优势，因而在航空航天领域中应用逐渐广泛，在飞机结构上应用复合材料，飞机重量可明显减轻。不过，飞机承力构件受力情况复杂，复合材料平板无法满足要求，复合材料加筋板能够承受较大弯矩、拉力，因而逐渐成为承力构件基本结构形式。在实际应用中，复合材料也具有一些不容忽视的缺陷，因而并不能完全取代金属材料。对此，在复合材料结构和金属结构的连接位置，采用机械连接的方式，发挥出受环境影响小、可靠性高、拆卸方便等有优势，成为承力部位首选连接方式。
1 复合材料加筋板-钛合金机械连接的拉伸试验
在飞机结构中，通常使用加筋板作为尾翼、机翼、机身主承力结构，潜艇、轮船结构中也经常使用。加筋板是重要的传力构件，复合材料加筋板需要与其它结构连接，一般采用机械连接的方式，但作为开孔结构，具有几何不连续、纤维不连续的特点，因此需要对承载能力加以研究。常采用静拉伸试验测试其性能，根据ASTMD5961标准，利用MTS Landmark微机控制电液伺服万能试验机进行，额定荷载为1000kN，试验机准确度在0.5级，是指相对误差在±0.5%。试验温度在20℃，相对湿度在68%[1]。实验结果显示，选取的3个试验件，在25t荷载前，荷载-位移曲线能够保持现行，在25t之后，荷载-位移曲线斜率降低，说明材料开始初步破坏，在28t是荷载突然降低，说明结构最终破坏。结构破坏形式是钛合金紧固件剪切破坏，钛合金版钉孔周围出现韧性破坏。
2 复合材料加筋板-钛合金机械连接的模型验证
通过运用三维有限元的方法，能够对复合材料层压板受载过程中，损伤起始、性能演化等过程进行准确模拟，同时，对于钛合金塑形破坏、韧性破坏、连接中非线性接触等问题，也能够进行有效的模拟。对连接结构承载力进行分析，运用有限元软件模拟，对复合材料加筋板-钛合金机械连接受拉伸荷载的作用过程加以分析。复合材料建模中，分析单元应力，对破坏单元及材料属性退化加以判断。选择复合材料单元，实体离散，设置材料渐进损伤，对荷载-位移曲线，部分位置应变-荷载曲线，材料损伤破坏模式等，进行试验、有限元对比，从实验结果中选择3组试验平均值，以确保准确性。根据实验结果表明，有限元模拟方法准确性较好，对此种方法进一步应用，模拟复合材料加筋板-钛合金拉伸试验，证明有限元模拟下腹板特定点应变-荷载曲线、荷载-位移曲线等，与试验能够良好吻合。
3 复合材料加筋板-钛合金机械连接的结构强度
复合材料加筋板-钛合金机械连接结构，很多因素会对其静强度产生影响。采用了经过验证有限元方法，分析了强度相关影响因素，调整紧固件直径，是紧固件直径改变，将结构承载能力大幅提升，同时转变钉孔部位破坏模式，使之成为复合材料挤压破坏。对腹板端部集合几何参数加以分析，包括端部斜削角度、腹板缩进距离等对结构强度的影响，同时研究其损伤机理。结果表明，端部斜削角度改变，在腹板不同位置上，会引起应力集中，对结构初始破坏强度产生影响。腹板缩进距离，对加筋板不同位置弯曲刚度、横截面积产生影响，进而影响蒙皮由于挤压导致应力集中位置[2]。结构最终破坏荷载和承载能力最小情况相比，提高幅度达到9.0%，由此，通过优化腹板端部几何元素，使复合材料加筋板-钛合金机械连接结构受拉过程中承载能力更高。
4 复合材料加筋板-钛合金机械连接的结构优化
特定的腹板缩进距离下，结果最终破坏荷载值，和初始破坏荷载值相比增加了8.03%，复合材料在实际应用中，其结构初始破坏，会在很大程度上影响结构，从而带来损坏的风险。通过优化筋条腹板，使应力集中的情况得到缓解，将初始破坏消除，进而使结构强度提高。采用有限元软件优化结构，最终是结构承载能力提升。将资模型从结构中提取出，确保计算精度，优化腹板端部结构。通过结构优化设计，减轻结构组件重量，对耐久性、刚度要求加以满足。给予一系列优化目标和约束，完成拓扑优化，首先对需要优化的模型进行创建，同时创建相应的优化任务，设计响应等[3]。利用设计响应，对目标函数及约束加以设计，最后将优化进程创建并提交分析。选取适当的腹板优化区域，对计算精度加以满足，并将优化效率提升。拓扑优化之后，缓解了模型关键部位应力集中的情况。理论分析和优化结果相结合，给予优化结构再设计细节部位，并带入验证，最终提高了结构承载能力。
5 结 论
复合材料加筋板-钛合金机械连接，是当前航天航空等领域中常用的材料及连接方式，基于安全性的需要，对其性能也具有很高的要求。很多因素会对其产生影响，进而降低安全性，可能发生破坏等。对此，研究了解其破坏条件与具体参数，結合实际情况，采取有效措施对其进行优化，进而提高结构强度，增强使用安全性。
参考文献
[1]刘衰财，刘 伟，余梓豪，等.复合材料壁板与钛合金接头连接强度试验与分析[J].机械设计与制造工程，2017，46（1）：99～102.
[2]陈向明，张阿盈，王力立，等.复合材料加筋壁板修理后压缩性能试验研究[J].工程与试验，2017，57（1）：9～13.
[3]王 燕，李 书，许秋怡，等.复合材料加筋板剪切后屈曲分析与优化设计[J].航空学报，2016，37（5）：1512～1525.
收稿日期：2018-4-23
关键词：复合材料；加筋板；钛合金；机械连接；结构优化
中图分类号：V214.8 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）15-0220-01
前 言
和传统的金属材料相比，复合材料具有很多方面的优势，因而在航空航天领域中应用逐渐广泛，在飞机结构上应用复合材料，飞机重量可明显减轻。不过，飞机承力构件受力情况复杂，复合材料平板无法满足要求，复合材料加筋板能够承受较大弯矩、拉力，因而逐渐成为承力构件基本结构形式。在实际应用中，复合材料也具有一些不容忽视的缺陷，因而并不能完全取代金属材料。对此，在复合材料结构和金属结构的连接位置，采用机械连接的方式，发挥出受环境影响小、可靠性高、拆卸方便等有优势，成为承力部位首选连接方式。
1 复合材料加筋板-钛合金机械连接的拉伸试验
在飞机结构中，通常使用加筋板作为尾翼、机翼、机身主承力结构，潜艇、轮船结构中也经常使用。加筋板是重要的传力构件，复合材料加筋板需要与其它结构连接，一般采用机械连接的方式，但作为开孔结构，具有几何不连续、纤维不连续的特点，因此需要对承载能力加以研究。常采用静拉伸试验测试其性能，根据ASTMD5961标准，利用MTS Landmark微机控制电液伺服万能试验机进行，额定荷载为1000kN，试验机准确度在0.5级，是指相对误差在±0.5%。试验温度在20℃，相对湿度在68%[1]。实验结果显示，选取的3个试验件，在25t荷载前，荷载-位移曲线能够保持现行，在25t之后，荷载-位移曲线斜率降低，说明材料开始初步破坏，在28t是荷载突然降低，说明结构最终破坏。结构破坏形式是钛合金紧固件剪切破坏，钛合金版钉孔周围出现韧性破坏。
2 复合材料加筋板-钛合金机械连接的模型验证
通过运用三维有限元的方法，能够对复合材料层压板受载过程中，损伤起始、性能演化等过程进行准确模拟，同时，对于钛合金塑形破坏、韧性破坏、连接中非线性接触等问题，也能够进行有效的模拟。对连接结构承载力进行分析，运用有限元软件模拟，对复合材料加筋板-钛合金机械连接受拉伸荷载的作用过程加以分析。复合材料建模中，分析单元应力，对破坏单元及材料属性退化加以判断。选择复合材料单元，实体离散，设置材料渐进损伤，对荷载-位移曲线，部分位置应变-荷载曲线，材料损伤破坏模式等，进行试验、有限元对比，从实验结果中选择3组试验平均值，以确保准确性。根据实验结果表明，有限元模拟方法准确性较好，对此种方法进一步应用，模拟复合材料加筋板-钛合金拉伸试验，证明有限元模拟下腹板特定点应变-荷载曲线、荷载-位移曲线等，与试验能够良好吻合。
3 复合材料加筋板-钛合金机械连接的结构强度
复合材料加筋板-钛合金机械连接结构，很多因素会对其静强度产生影响。采用了经过验证有限元方法，分析了强度相关影响因素，调整紧固件直径，是紧固件直径改变，将结构承载能力大幅提升，同时转变钉孔部位破坏模式，使之成为复合材料挤压破坏。对腹板端部集合几何参数加以分析，包括端部斜削角度、腹板缩进距离等对结构强度的影响，同时研究其损伤机理。结果表明，端部斜削角度改变，在腹板不同位置上，会引起应力集中，对结构初始破坏强度产生影响。腹板缩进距离，对加筋板不同位置弯曲刚度、横截面积产生影响，进而影响蒙皮由于挤压导致应力集中位置[2]。结构最终破坏荷载和承载能力最小情况相比，提高幅度达到9.0%，由此，通过优化腹板端部几何元素，使复合材料加筋板-钛合金机械连接结构受拉过程中承载能力更高。
4 复合材料加筋板-钛合金机械连接的结构优化
特定的腹板缩进距离下，结果最终破坏荷载值，和初始破坏荷载值相比增加了8.03%，复合材料在实际应用中，其结构初始破坏，会在很大程度上影响结构，从而带来损坏的风险。通过优化筋条腹板，使应力集中的情况得到缓解，将初始破坏消除，进而使结构强度提高。采用有限元软件优化结构，最终是结构承载能力提升。将资模型从结构中提取出，确保计算精度，优化腹板端部结构。通过结构优化设计，减轻结构组件重量，对耐久性、刚度要求加以满足。给予一系列优化目标和约束，完成拓扑优化，首先对需要优化的模型进行创建，同时创建相应的优化任务，设计响应等[3]。利用设计响应，对目标函数及约束加以设计，最后将优化进程创建并提交分析。选取适当的腹板优化区域，对计算精度加以满足，并将优化效率提升。拓扑优化之后，缓解了模型关键部位应力集中的情况。理论分析和优化结果相结合，给予优化结构再设计细节部位，并带入验证，最终提高了结构承载能力。
5 结 论
复合材料加筋板-钛合金机械连接，是当前航天航空等领域中常用的材料及连接方式，基于安全性的需要，对其性能也具有很高的要求。很多因素会对其产生影响，进而降低安全性，可能发生破坏等。对此，研究了解其破坏条件与具体参数，結合实际情况，采取有效措施对其进行优化，进而提高结构强度，增强使用安全性。
参考文献
[1]刘衰财，刘 伟，余梓豪，等.复合材料壁板与钛合金接头连接强度试验与分析[J].机械设计与制造工程，2017，46（1）：99～102.
[2]陈向明，张阿盈，王力立，等.复合材料加筋壁板修理后压缩性能试验研究[J].工程与试验，2017，57（1）：9～13.
[3]王 燕，李 书，许秋怡，等.复合材料加筋板剪切后屈曲分析与优化设计[J].航空学报，2016，37（5）：1512～1525.
收稿日期：2018-4-23