飞机复合材料阶梯式胶接结构的疲劳损伤与寿命

发布时间：2020-12-24 06:09

　　随着复合材料胶接技术在飞机主承力结构上的广泛应用,阶梯式胶接形式由于在实际工程过程中易于实现而成为复合材料结构修理和连接的主要形式。目前文献多集中于研究金属、复合材料以及两种材料混合的单搭接结构的疲劳性能,但对于具有高效载荷传递的阶梯式结构的疲劳耐久性研究较少,其疲劳失效机制尚需厘清。本文对多级阶梯复合材料胶接结构进行了拉伸疲劳试验研究,应力比为0. 1。在疲劳试验过程中观测了宏观裂纹的起始与扩展。根据试验数据拟合的S-N曲线,发现疲劳寿命随应力水平的增加而线性降低。在发现目视可见裂纹后至完全断裂,复合材料胶接结构仍具有10%的剩余寿命,说明当出现目视可见裂纹时,应及时维修或更换部件。从试样受力及破坏形式可知,复合材料胶接结构的剪切破坏是引起疲劳损伤的主要原因。通过阶梯状断口形貌分析,发现了内聚破坏、粘附破坏、基体开裂和分层四种典型破坏形式。 

【文章来源】：复合材料科学与工程. 2020年02期 北大核心

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

拓扑结构、层数、尺寸的试样截面示意图[14]

试验采用恒幅正弦循环加载。静态拉伸载荷最大值为25 k N，结构的破坏强度由最大载荷与横截面积作比得到，为333 MPa。在此基础上，疲劳试验中以25 kN作为100%标准载荷。所有试验的应力比均为0.1，应力比例是结构疲劳寿命的决定性因素。之所以选择非负应力比，是为了避免最小应力下的裂纹闭合，从而确保其在试验期间完全张开[8]。图2所示为循环拉伸载荷示意图，试样在5 s内加载至平均载荷，然后施加频率为8 Hz的正弦循环载荷(根据ASTM标准)直至达到规定的循环次数或断裂疲劳寿命。试验期间，在设定的时间间隔内用红外测温仪监测试样表面温度，保证试样温度不超5℃，以防温度影响结果偏差。在疲劳试验中，设置了6组不同水平的应力，分别为75%、60%、55%、50%、40%和35%，每一组应力水平至少包含三个样本测试点。3 疲劳试验结果

试验数据表明，在40%应力载荷下，疲劳载荷和时间的关系如图3所示，阶梯式复合胶接试样的S-N曲线如图4所示。疲劳循环次数范围为101～106，通过所得疲劳试验数据，可以发现阶梯式复合材料胶接结构的疲劳寿命随应力水平的增加而线性降低。根据拟合线性方程可以得到，在106次循环加载下，对应应力为98.3 MPa，静态拉伸载荷比例为29.3%。图4 S-N离散点和拟合曲线

【参考文献】：
期刊论文
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硕士论文
[1]基于内聚力模型的复合材料胶接接头界面失效机理研究[D]. 胡振虎.浙江大学 2018



本文编号：2935133