干涉对复合材料疲劳寿命影响的研究_王武
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绝缘材料2006,39(4)干涉对复合材料疲劳寿命影响的研究
王
武1
,陶
华2,刘风雷3,白颢昱
1
(1.中国人民解放军96451部队,吉林
靖宇
135203;
2.西北工业大学中法联合虚拟设计与制造研究室,西安
710072; 3.北京航空制造工程研究所,北京
100024)
摘要:通过拉-拉疲劳试验与理论分析,研究了间隙配合与干涉配合两种不同连接形式对机械连接复合材料接头疲劳寿命的影响,以及不同干涉量对干涉配合复合材料接头疲劳寿命的影响。研究结果表明:复合材料干涉配合接头的疲劳寿命远远高于间隙配合接头的疲劳寿命;干涉量对复合材料干涉配合接头的疲劳寿命有较大影响,所研究的干涉配合模型的最佳干涉量为1%~1.4%。
关键词:复合材料;干涉配合;疲劳寿命中图分类号:T B301;T B332
文献标志码:A
文章编号:1009-9239(2006)04-0045-03
Research on Fati g ue Life of Interference_fit Com p osite Joint
WANG Wu 1
,T AO Hua 2
,LIU Feng_lei 3
,BAI Hao _yu
1
(1.T he 96451T roop of Chi nese Peop le 's Li berati on A rmy ,J ingyu 135203,China;2.Si no-Fr ench Com mon Resear ch Grou p Vi r tual Pr otot yp i n g f or D esi g n and Fabri cat ion ,
N ort hwest er n Pol y technical U ni ver si t y ,X i 'an 710072,Chi na ;
3.Bei j in g A eronauti cal M anu f act ur in g T echnol o gy Research Insti t ut e,Bei j i n g 100024,Chi na )Abstract :Through experiment and theoreti cal analysis,the influence of slip _fit and interference-fit mechanical_j oi nt on com p osite j oint fati g ue life were studied.The result shows that the fa -ti g ue li fe of i nterference_fitcom p osite j oint is g reatl y lon g er than that of slidin g _fit com p osite j oi nt;the fati g ue life of interference_fit com p osite j oi nt is affected hi g hl y b y interference q uan -tity;the optimum quanti ty of interference to the studied joint model is 1%~ 1.4%.Key words :Finite Element Method;composite materials;interference_fit;fatigue life
收稿日期:2006-06-05修回日期:2006-07-28
作者简介:王武(1981-),男,陕西汉中人,硕士,助理工程师,研究方向为计算机辅助成形与仿真技术,(电话)0439-*******(电子信箱)centur y sun 2003@https://www.wendangku.net/doc/305378918.html, 。
1前言干涉配合用于金属结构能成倍地提高结构疲劳
寿命,已经成为结构延寿的主要方法之一。随着实践经验的丰富,复合材料干涉配合研究也逐渐开展和深入,但仍然缺乏完善的理论支持和系统的工艺研究。作者采用拉)))拉疲劳循环试验对间隙配合复合材料板接头与干涉配合复合材料板接头的疲劳寿命进行了测试,研究以上两种不同连接形式对复合材料构件接头疲劳寿命的影响,以及不同干涉量对干涉配合复合材料构件接头疲劳寿命的影响。
2材料性能及试件模型2.1材料性能
复合材料板为QY8911/T 300,铺层参数[0b /90b /+45b /-45b ]4s,性能见表1。为比较间隙配合与干涉配合两种不同连接形式对复合材料接头疲劳寿命的影响,采用两种紧固件。间隙配合紧固件为100b 沉头钛合金螺栓(H B6565- 5.5-8),钛合金牌号T c4,螺栓弹性模量E s =109Gpa,螺栓泊松比M s =0.34[1]
。干涉配合紧固件为带衬套(GH 2132)的钛干涉环槽铆钉(IBL6C-5-8),钛合金牌号Tc4,钛干涉环槽铆钉弹性模量E t =109Gpa,钛干涉环槽铆钉泊松比为
M
t =0.34,衬套弹性模量E c =190Gpa,衬套泊松比M c =0.30[2]
。
王武等:干涉对复合材料疲劳寿命影响的研究
46绝缘材料2006,39(4)表1复合材料各向性能
各向弹性模量,GPa各向剪切模量,GPa各向泊松比
E1E2E3G12G13G23v12v13v23
45.245.2 3.817.317.317.3 0.280.28 0.28
注: 表示估计值
2.2试件结构和尺寸
间隙配合与干涉配合复合材料板接头的试件均
采用双剪连接形式。单钉机械连接复合材料接头结构
见图1,端距e=30mm,搭接长度L=60m m,板宽
W=30m m,板厚t=4m m。
图1单钉机械连接复合材料接头
2.3接头试件参数
为了试验研究间隙配合与干涉配合形式及不同
干涉量对复合材料接头疲劳寿命的影响,制备了一组
螺栓连接试件,螺栓尺寸参数见表2;四组环槽铆钉
连接试件,环槽铆钉尺寸参数见表3~表6。
表2螺栓连接的孔径
序号123456789
孔径
mm
5.0105.0155.0205.0205.0155.0205.0105.0205.015
注:螺栓杆径<4.98(<50.01
-0.03)
表3干涉量0.6%~1.0%环槽铆钉连接的铆钉尺寸
序号孔径,mm
衬套,m m
外径内径
15.010 5.490 5.040
25.010 5.490 5.040
35.010 5.490 5.040
45.010 5.485 5.030
55.000 5.490 5.030
65.015 5.490 5.040
75.015 5.480 5.040
85.015 5.480 5.040
95.015 5.485 5.040注:环槽铆钉杆径<5.11(<5.120-0.015)
表4干涉量1.0%~1.4%环槽铆钉连接的铆钉尺寸序号孔径,mm
衬套,mm
外径内径
15.020 5.490 5.040
25.015 5.485 5.040
35.005 5.490 5.035
45.010 5.490 5.040
55.010 5.485 5.040
65.010 5.485 5.040
75.010 5.490 5.045
85.010 5.490 5.035
95.010 5.490 5.030注:环槽铆钉杆径<5.14(<5.150-0.015)
表5干涉量1.8%环槽铆钉连接的铆钉尺寸
序号192021322324
孔径,mm 5.015 5.0205.0105.005 5.020 5.010衬套
mm
外径 5.490 5.4905.4905.490 5.490 5.490
内径 5.035 5.0405.0405.035 5.040 5.040注:环槽铆钉杆径<5.17(<5.180-0.015)
表6干涉量2.05%~2.15%环槽铆钉连接的铆钉尺寸序号2526272829
孔径,mm5.005 5.0105.015 5.0155.015衬套
mm
外径5.485 5.4855.490 5.4905.485
内径5.040 5.0405.040 5.0355.035注:环槽铆钉杆径<5.19(<5.200-0.015)
3试验过程
采用INST RON8801疲劳循环试验机,对接头试件施加拉)))拉交变载荷,通过接头失效时施加交变载荷的循环次数来衡量接头疲劳寿命。其中交变载荷最大幅值p m ax与交变载荷最小幅值p m in分别取接头试件轴向拉伸破坏力的(记为p)的90%与10%。
考虑到试验时间、以及航空用紧固件往往仅允许微小变形,设定在20000次循环中当复合材料板上孔的永久变形量达到0.28m m时即认为该接头失效[2],此时的交变载荷循环次数即为该接头的疲劳寿命,若20000次循中复合材料板上孔的永久变形量仍然未达到0.28mm,则将试件疲劳寿命记为20000次。
作者采用西安飞机工业有限公司疲劳室IN-ST RON8801疲劳循环试验机进行试验,并由与之配套的微机记录与读取试验数据(图2)。
王武等:
干涉对复合材料疲劳寿命影响的研究
47绝缘材料2006,39(4)
图2试验仪器
图3试验过程实物图
首先通过INST RON8801疲劳循环试验机对螺栓1号件(图3)与环槽1号件进行了拉伸破坏试验,其拉伸破坏时载荷分别记为p1与p2(表7)。
表7不同配合形式接头的拉伸破坏
试件名称p1(螺栓1号)p2(环槽1号)
破坏时载荷,kN26.6626.01
为了获得合理的交变载荷幅值,分别以p1为标准,选取1件螺栓连接接头试件与1件环槽连接接头试件;以p2为标准,选取3件螺栓连接接头试件与1件环槽接头试件,按不同p max进行了试验,最后确定为交变载荷幅值的标准,并确定交变载荷幅值p m ax 与p min分别为p1的90%与10%。
4结果及分析
通过试验,获得各组紧固件的疲劳寿命,并绘制不同连接形式的疲劳寿命图(图4)与不同干涉量下的疲劳寿命图(图5)。
由图4可以看出,采用干涉配合后,试件的疲劳寿命将得到较大提高;不同干涉量对试件的疲劳寿命有较大影响。由图5可以看出,干涉量为1%~ 1.4%时,采用上述的干涉配合复合材料板接头具有较高的疲劳寿命。
图4不同连接形式的疲劳寿命图
图5不同干涉量下的疲劳寿命图
5结论
(1)采用干涉配合复合材料接头的疲劳寿命远远高于间隙配合接头的疲劳寿命。
(2)干涉量对干涉连接复合材料接头的疲劳寿命有较大影响。当干涉量小于1.0%时,干涉连接复合材料接头的疲劳寿命随干涉量的增加而增大;当干涉量大于1.4%时,干涉连接复合材料板头的疲劳寿命随干涉量的增加而减少。干涉量为1%~ 1.4%时本文所采用的干涉配合复合材料板接头具有较高的疲劳寿命。因此,对安全可靠性要求高的复合材料零部件,宜采用干涉配合连接形式。
参考文献:
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[3]刘萍,张开达.干涉对复合材料叠层板螺栓连接疲劳强度的影
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王武等:
干涉对复合材料疲劳寿命影响的研究