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复合材料学报第 33 卷第 7 期 7 月 6 年 AMCmpSn V.33 N.7 Juy 6 DOI:.38/j.nk.xb.5.3 用应变能密度法分析纤维金属层板的微动疲劳特性 平学成,, *, 朱增辉, 吴卫星, 李烽. 天津科技大学机械工程学院, 天津 3;. 华东交通大学机电工程学院, 南昌 333) 摘 要 : 为研究纤维金属层板的微动疲劳特性, 首先, 基于三维坐标系下的临界平面法求解了纤维金属层板铝 层临界平面上的应力和应变分量, 并进一步求解了 Sm-Wn-Tpp SWT) 和 I 型 N-Og-Kuwb NOK) 应变能密度参数 ; 然后, 建立了应变能密度参数 - 微动疲劳寿命关系式, 并通过实验数据得到了寿命预测公式中的待定参数 ; 最后, 采用 I 型 NOK 应变能密度准则分析了铝层厚度 纤维层厚度 各层相对厚度和桥足圆角半径等对微动疲劳损伤位置和寿命的影响, 并为纤维金属层板抗微动疲劳设计提出了一些合理化建议 结果表明 : 增加铝层厚度可以延长微动疲劳寿命, 但增加纤维层厚度和桥足圆角半径不会改善微动疲劳特性 提出的方法可为分析纤维金属层板铆接和螺栓连接中的微动疲劳问题提供理论依据 关键词 : 纤维金属层板 ; 微动疲劳 ; 裂纹萌生 ; 应变能密度法 ; 临界平面 中图分类号 : O346.;V5.5 文献标志码 : 文章编号 : -3856)7-553- 纤维金属层板是由薄金属层和纤维增强复合材 料层组成的混杂复合材料层板, 由荷兰 D 理工 大学在 世纪 7 年代发明并在 kk 飞机机翼 上率先使用 [], 至今已经得到了不断的发展 纤维 金属层板作为一种性能优良的新型复合材料, 综合 了金属材料和纤维复合材料的优点, 弥补了单一金 属材料的不足, 不仅具有密度低 疲劳抗力高及缺 口强度高等优点, 而且具有较高的比强度和比刚 度 但是, 由于在机械连接 如铆接和螺栓连接 ) 中 存在接触微动现象, 导致微动疲劳裂纹在接触界面 端附近萌生和扩展, 引起整个结构失效, 致使结构 寿命大幅度降低, 甚至发生灾难性事件 所以, 研 究机械连接的微动疲劳特性并准确地预测其微动疲 劳寿命对指导层板结构设计和增加服役安全性都具 有重要意义 目前, 对纤维金属层板的研究内容主要有 : 制 备方法和力学性能表征 [-3] 孔边剩余强度和损伤问 [4-5] [6-7] 题 孔边疲劳裂纹的萌生和扩展以及胶接接 头力学性能研究 [8], 近来对于纤维金属层板接触破 坏和损伤问题的研究也逐渐得到了重视 zz [9] 等采用三维有限元黏性单元模型研究了纤维金属 层板接头在钉载下的损伤问题, 计算了应力 - 应变 响应和刚度变化, 模拟了钉孔损伤发展过程 ;Rjk [] 等建立了铆钉头直径和高度 - 挤压力的关系, 分 析了挤压力对开裂位置的影响 ;Sg [] 建立了纤 维金属层板铆钉头拔出强度预测模型, 该模型能反 映板厚 铆接直径和材料属性的影响 ;Lnd 和 B [] 研究了混杂材料层板蒙皮铆钉间的屈曲行 为, 损伤模型考虑了纤维层和金属层的损伤, 也考 虑了界面脱粘 ;Ryn 和 Mngm [3] 报道了纤维 金属层板蒙皮铆接孔附近的力学行为, 考察了板材 料 纤维层刚度和成形载荷等对应力分布的影响 从现有的研究结果可知, 虽然纤维金属层板为航空 领域中常用的铆接结构件, 但对其微动疲劳特性的 研究尚不多见 受交变载荷的纤维金属层板同时受 到铆钉头 或螺母 ) 的压紧力作用, 在接触界面端附 近的微动滑移区和粘附区的交界处容易产生微动疲 劳裂纹 因此, 有必要对纤维金属层板微动疲劳特 性进行研究, 探索影响微动疲劳寿命的因素, 建立 预测疲劳寿命的方法 收稿日期 :5-7-; 录用日期 :5-9-6; 网络出版时间 :5-- 4 : 网络出版地址 :www.nk.n/km/d/.8.tb.5.4.46.m 基金项目 : 国家自然科学基金 53653); 江西省青年科学基金重点项目 33ABC) 通讯作者 : 平学成, 教授, 博士, 硕士生导师, 研究方向为机械结构强度及复合材料力学等 E-m:xungpng@m.m 引用格式 : 平学成, 朱增辉, 吴卫星, 等. 用应变能密度法分析纤维金属层板的微动疲劳特性 [J]. 复合材料学报,6,37):553-563. PING XC,ZHUZH,WU W X,.nggubmmnnyzdbyungnngydnymd[J].AMCmpSn,6,337):553-563 ncn).

复 合 材 料 学 报 554 微动疲劳寿命的预测方法大多离不开数值分析 方法主 要 是 有 限 元 方 法)和 实 验 方 法,在 此 基 础 上,建立的主要预测 模 型 有 微 动 参 数 方 法 [4] 名 义 应力 方 法 [5] 微 动 图 法 [6] 单 轴 疲 劳 法 [7] 多 轴 疲 劳法 [8]和断 裂 力 学 方 法 [9]等 但 是,这 些 方 法 并 没有被用来解决纤维金属层板接触界面端微动疲劳 问题,接触微动行为与层板疲劳特性的关系仍不清 楚 多轴疲劳是指构件的疲劳破坏在多轴应力状态 下而产生,即构件 有 个 或 个 以 上 主 应 力 或 主 应变)的方向和 幅 值 随 时 间 的 变 化 而 变 化 在 微 动 条件下,构件既受远 场 载 荷 的 作 用,又 受 微 动 接 触 应力的作用,所以微动疲劳寿命的预测需要考虑多 轴应力状态 笔者拟用基于应变能的多轴疲劳理论预测纤维 金属层板的微动疲劳寿命 首先,根据临界平面内 的 应 力 和 应 变 分 量 确 定 Sm -W n -Tpp SWT)和 N -Og -Kuwb NOK)损 伤 参 数,并建立 微 动 疲 劳 寿 命 预 测 公 式 [-];然 后,通 过纤维金属层板微动疲劳实验确定疲劳寿命预测公 式中 的 材 料 参 数;最 后,考 察 铝 层 厚 度 纤 维 层 厚 图 纤维金属层板试件和坐标旋转 度 各层相对厚度和圆角半径对 SWT 和 NOK 损伤 b m m n p mnnd 参数及相应微动疲劳寿命的影响 d n n m n 临界平面法与应变能密度准则. 临界平面法 临界平面法可以确定任意平面上的应力与应 变,并 据 此 确 定 破 坏 面,因 而 具 有 一 定 的 物 理 意 义 该 方 法 分 步 进 行:首 先,计 算 出 任 意 平 面 上 的应力和应变 历 史;然 后,将 该 平 面 上 的 应 力 和 应 变转换成累积的疲劳损伤参数,并根据损伤参数的 幅值确定临界平面 图 )为纤 维 金 属 层 板 试 件,图 中: y 方向为 试件拉伸方向; z 方向为试件的外法线方向; S 为拉 应力 对有限元模型进行分析时,假如有 n 个分析 步,计算得到最后 个分析步中接触界面上各节点 的应力和应变 三维坐标下的应力和应变可用矩阵 形式表示为 éêσxx τxy τxz ùú σ = êτxy σyy τyz ú ê ú ëτxz τyz σzz û éêεxx γxy γxz ùú ε = êγxy εyy γyz ú êë ú γxz γyz εzz û ) ) 式中: σ 为包含应力分量的矩阵; ε为包含应变分量 的矩阵; σxx σyy 和σzz 均 为 正 应 力 分 量; τxy τxz 和τyz 均为剪应力分量; εxx εyy 和εzz 均 为 正 应 变 分 量; γxy γxz 和γyz 均为剪应变分量 对于任意一个材料平面,应力和应变分量均可 由坐标旋转获得 坐标旋转如图 b)所 示 首 先, 绕z 轴逆时针旋转θ 得到x' Oy'平面;然后,再次逆 时针旋转新的 x'轴 使 z'轴 与 z 轴 成φ 角 坐 标 旋 转可通过矩阵转换完成,在新的x 'z'坐标系中, y' [ ] 应力 σ'和应变ε '可表示为 σ ' = MTσM ε ' = M εm T 式中: M 为旋转矩阵,其表达式为 θ - nθ φ nθ nφ ù éê ú M = ê nθ θ φ - θ nφú êë úû nφ φ 3) 4) 5) 在只受 y 向拉伸载荷作 用 的 情 况 下,x 方 向 相 关的应力和应变可以忽略,将三维模型简化为二维 模型 此时,若令θ =,则 M 可简化为

555 平学成,等:用应变能密度法分析纤维金属层板的微动疲劳特性 ù éê ú M = ê φ - nφú êë ú nφ φ û 6) 将式 6)代入式 3)和式 4),可以得到x' Oy'平 面上的应力和应变分别为 ΔW SWT =σn,mxδ ε / σ ' ) b b+ N) ' ' N) = +σ ε E 4) 式中: σ '和ε '分 别 为 轴 向 疲 劳 强 度 和 轴 向 疲 劳 延 展 因子; N 为微动疲劳寿命; b 和 分别为疲劳强度指 σx'z' =-τxy nφ +τxz φ σy'z' =τyz φ - nφ)+σzz nφ φ σyy nφ φ 7) 数和疲劳延展性指数 8) 变能密度准则 对于比例载荷作用下的 I型裂纹问 εx'z' =-γxy nφ +γxz φ nφ)+εzz εy'z' =γyz φ - nφ φ εyy nφ φ ) 作为一种损伤参数计算疲劳寿命: ) ΔWI = σz'z' =σyy nφ +σzz φ + τyz nφ φ 9) εz'z' =εyy nφ +εzz φ - γyz nφ φ ) 式中: σx'z' σy'z' 和σz'z' 均 为 坐 标 旋 转 后 的 应 力 分 量; εx'z' εy'z' 和εz'z' 均为坐标旋转后的应变分量 设角度增量 Δφ=, φ 8,此 时 接 触 面上所有节点在每个载荷步下都有 8 个不同的截 面,根据计算得到的每个截面上的应力和应变即可 判断临界平面所在角度. 基于临界平面法的应变能密度准则 应变 能 密 度 准 则 与 临 界 平 面 法 相 结 合 的 模 型 在 特 定 载 荷 幅 值 下,可 将 特 定 角 度 θ 所 在 材 料 截 面 的 应 变 能 密 度 作 为 微 动 损 伤 参 数,将 最 大 微 动 损伤参数所在的材料截面定义 为 临 界 平 面 应 变 能 密 度 损 伤 参 数 ΔW 定 义 为 应 力 和 应 变 分 量 的 乘积: ΔW =αδσδ ε+βδτδγ 3) 式中: Δ Δτ 和 Δγ 分别为 α 和β 均为影响系数; Δσ ε 临 界 平 面 上 的 应 力 应 变 切 应 力 和 切 应 变 增 量; αδσδ ε 项代表拉力分量; βδτδγ 项代表剪力分量 可以看出,该模型 预 测 裂 纹 萌 生 角 度 时,在 物 [ ] NOK 准则 是基于裂纹模 式 和 载 荷 类 型 的 应 题,将法向应变能密 度 作 为 疲 劳 损 伤 参 数,即 将 最 大法向应力幅 Δσ/ 和最大法向应变程 Δ ε 的乘积 Δσ Δ ε = ANβ 5) 式中:A 和β 均为材料常数 而针对于比例载荷作用下的I I型裂纹问题,则 采用剪切应变能密度作为疲劳损伤参数,即将最大 剪切应力变程 Δτ 和最大剪切应变变程 Δγ 的 乘 积作为计算疲劳寿命的损伤参数: ΔWII = Δτ Δγ = ANβ 式中:A 和β 均为材料常数 - 6) 一般来说,应力和应变的最大值不会出现在同 一平面上 因 此,NOK 损 伤 参 数 的 临 界 平 面 并 不 一定与最大应力和最大应变所在平面的角度相同 寿命预测模型中材料常数的确定. 试件与夹具 纤维金属层板试件由铝层和纤维层组成,其几 何尺寸如图 所示 纤维金属层板试件外层为铝层.mm, 66 -T6,中间为纤维层,铝层厚度 L 为 纤维层厚度L 为.mm 试件是通过自行制备 得到 的,大 体 制 备 步 骤 为:① 裁 剪 出 个 铝 层; 理意义上包含 种载荷模式 采用这种应变能量密 度损伤参数定义发展了许多不同的计算损伤参数的 方法 [-],这些方法的不同之处仅在于控制疲劳寿 命的模式以 及 分 量 αδσδ ε 和βΔτΔγ 应 该 如 何 具 体 解释与计算 改进的 SWT 准则 []能适应多轴疲劳中的 I型 裂纹问题 该模型将最大法向应变幅所在的平面作 为临界平面,考虑了临界平面内的应力和应变 改 进的 SWT 损伤参数 ΔW SWT 可以描述为在一个载荷 循环中最大 的 法 向 应 力 σn,mx 和 法 向 应 变 幅 Δ ε/ 的乘积: 图 纤维金属层板试件的几何尺寸 Py d mn n b m m n p mn

复 合 材 料 学 报 556 ② 将玻 璃 纤 维 编 织 材 料 铺 在 第 个 铝 层 上,并 涂 抹环氧胶;③ 将第 个 铝 层 压 在 纤 维 层 上;④ 在 烤 箱中加热至 固化 微动疲劳实验中用到的66 -T6 铝合金压块的 几 何 尺 寸 如 图 3 所 示 可 见,桥 足 底 部 为 矩 形 平 面,这 种 平 面-平 面 接 触 形 式 在 纤 维 金 属 层 板 机 械 连接中很常见 微动疲劳实验装置如图 4 所示 加载时,通 过 故选择 在 压 块 的 上 表 面 施 加 集 中 压 力 载 荷 P = 5N 可以推算出当 P =5 N 时 压 块 腹 部 产 生 的应 变 为 346 μ ε 在 JM388 型 静 态 应 变 测 试 仪 /4 桥 连 接 方 式 下,逐 渐 旋 紧 螺 栓 给 桥 足 加 压,直 到显示器显示 346μ ε 时,停止增加压力,此时的压 力载荷即为 5N.3 结果与分析 由于采用了纤维层,层板试件一般发生铝合金 旋转螺栓在 个 压 块 的 几 何 形 心 处 施 加 压 力 载 荷 层开裂 纤维金属层板试件铝层断裂位置的测量如 栓 压 力 载 荷 这 样,试 件 就 处 在 远 场 拉 伸 循 环 载 距离 P 在螺栓旋紧的时候,压 块 会 发 生 变 形,通 过 测 量 压 块 腹 部 的 应 变εy,可 结 合 有 限 元 分 析 反 推 螺 荷 和 压 力 载 荷 的 共 同 作 用 下,可 观 测 其 微 动 疲 劳 特性 图 5 所示 可见,开裂位置采用游标卡尺测量,测 得试件产生裂纹的位置为裂纹与桥足接触外端部的 为 避 免 偶 然 性,每 个 载 荷 级 均 分 别 测 量 5 个 试件的开裂位置和疲劳寿命 纤 维 金 属 层 板 试 件 微 动 疲 劳 实 验 结 果 如 表 所 示 可 见,随 着 最 大 载 荷 的 增 大,铝 合 金 层 开 裂 寿 命 的 循 环 数 呈 下 降 趋势 图 3 66 -T6 铝合金压块的几何尺寸 3 Py d mn n 66 -T6 um num y n pd 图 5 纤维金属层板试件铝层断裂位置的测量 5 M u ng u p n n um num y b m m n p mn 表 纤维金属层板试件微动疲劳实验结果 Tb ng xp mn u gu b m m n mn p 图 4 微动疲劳实验装置 4 Exp mn dv ng gu. 实验方法 采用 EH -EM 型电 液 伺 服 疲 劳 试 验 机 进 行 单 轴拉伸疲劳实验,循环应力比 R 为 分 别 在 3 个 载 荷级 Smx=,,MP下开展疲劳实验 在进行疲劳实验时,为了让压块桥足和铝合金纤维 金属层板名义上保持静止,即保证接触对之间的相 对滑动位移控制在 5~4μm 之内,施加在压块几 何形心处的压力必须要足够大,同时要防止纤维金 属层板在实验前由 于 压 块 的 压 力 过 大 而 造 成 损 伤, N. Mx mum d/mp C kp n/mm 3 4...89.95 / L y 5347 836 9986 5744 5. 3369 7.95 6685 6 8 9.9. 3 4 5..5.5.5..5. 56883 6647 57669 54854 353936 4358 9758 3759 38443

557 平学成,等:用应变能密度法分析纤维金属层板的微动疲劳特性 将试件侧面置于显微镜下,通过显微镜观察试 件在厚度方向的开裂角度 纤维金属层板试件铝层 裂纹沿厚度方向的开裂如图 6 所示 可见,开裂角 度约为 88 图 7 纤维金属层板试件-桥足接触问题的有限元模型 7 n mn md b m m n p mn b dg n p b m 触路径上的损伤参数值和临界平面所在的角度即可 判断开裂位置和开裂角度 纤维金属层板试件沿桥 足接触路径上的损伤参数如图 8 所示 可见,SWT 损伤参数和 I型 NOK 损伤参数均在距外侧接 触 边 缘.5mm 的位 置 出 现 局 部 极 大 值,这 与 实 验 预 图 6 纤维金属层板试件铝层裂纹沿厚度方向的开裂 6 C k ng n um num y b m m n p mn ng kn d n 综合 图 5 和 图 6 可 知,接 触 外 端 部 附 近 裂 纹 测的结果 吻 合 I 型 NOK 损 伤 参 数 比 SWT 损 伤 参数更适合对铝合金层微动疲劳开裂进行预测,这 是因为 I型 NOK 参数在实验实际开裂处存在 最 大 值,而 SWT 参数在实 验 实 际 开 裂 处 只 是 局 部 极 大 值,其最大值出现在 接 触 左 侧 边 缘,如 果 不 从 机 理 产生处)的微动磨 损 比 接 触 内 端 部 及 其 他 位 置 的 磨 上 分 析,这 种 现 象 容 易 造 成 对 开 裂 位 置 的 错 误 损都更严重;这是因为接触外端部与桥足 试件之间 判断 存在粘附区 滑 移 区 和 过 渡 区,过 渡 区 是 主 要 的 微 纤维金属层板试件损伤参数随角度的变化如 动磨损区域,也是微动疲劳裂纹萌生的常见区域 图 9 所示 可见,在 ~8 区间内,SWT 损伤参.4 损伤参数 由于结构的对称性,在 ABAQUS 软件中取图 所示模型的右上 /4 进行建模和网格划分 纤维金 属层板试 件-桥 足 接 触 问 题 的 有 限 元 模 型 如 图 7 所 示 单元网格类型采用四节点平面应变单元,接 触 数和I型 NOK 损 伤 参 数 的 最 大 值 分 别 出 现 在 87 和 86 处,是临 界 平 面 所 在 的 角 度,即 裂 纹 沿 层 厚 的方向开裂,这与实验结果是相符的 所以,SWT 损伤参数和 I型 NOK 损伤参数均可判断微动 疲 劳 损伤 界面摩擦力 系 数 设 为.35 纤 维 金 属 层 板 试 件 的材料属性如表 所 示,其中纤维层的材料参数是.5 寿命预测公式 根据图 8 )所示 SWT 损伤参数计算结果结合 ν 分别为 74. MP和.5,环氧胶的弹性模量 Em 的关系 纤维金属层板试 件 SWT 损 伤 参 数 与 实 验 维 层 编 织 材 料 和 环 氧 胶 层 组 分 比 分 别 为 68% 和 式 σ ' 68.4,b = 4)中 等 号 右 侧 的 材 料 参 数: = -.76,ε '=.85,=-.7 等效值 玻璃纤维编织材料的弹性模量 E 和泊松比 和泊松比νm 分别为 4.5 MP和.4,实验中玻璃纤 3%,经过简单推导得到纤维层的等效材料参数 提取桥足接触路径上的每个节点,分别采用临 界平面法计算 SWT 和I型 NOK 损伤参数,根据接 实验结果 可 得 开 裂 位 置 SWT 损 伤 参 数-实 验 寿 命 寿命的 关 系 如 图 )所 示 由 拟 合 曲 线 可 确 定 根据 NOK 准则可以得 到 I型 NOK 损 伤 参 数- 实验寿命 的 关 系,根 据 这 些 离 散 数 据 进 行 曲 线 拟 表 纤维金属层板试件的材料属性 Tb M p p b m m n mn p Typ A um num y b y /MP E mdu u Ex 7 47 Ey 7 47 P n Ez νxy νxz νyz 544.383.98.98 7.33.33.33 /MP S mdu u Gxy 768 459 Gxz 768 449 Gyz 768 449

复 合 材 料 学 报 558 图 8 纤维金属层板试件沿桥足接触路径上的损伤参数 8 Dmgp m ng n p b dg b m m n p mn 合,得到的拟合曲线如图 b)所 示 可 得 式 5) 图 9 纤维金属层板试件损伤参数随角度的变化 9 Dmgp m b m m n p mn ng ngw ng 力比为 中的材料参数: A =.9,β =-.85 将拟合得到的 组材料参数分别代入相应的寿 3. 铝层厚度的影响 假定中间纤维层厚度 L 为.mm,铝层厚 定损伤参数的情况下,纤维金属层板试件的预测寿 维金属层板试件 I型 NOK 损伤参数随接触路 径 变 命预测模型中,即可建立最终寿命预测公式 在给 命及 实 验 寿 命 如 图 所 示 可 以 看 出,预 测 寿 命 与实验寿命吻合,误差低于 倍损伤参数 3 几何参数对损伤参数的影响 纤维金属层板由铝层和纤维层组成,需要掌握 其各层厚度的变化及桥足过渡圆角对微动疲劳损伤 参数的 影 响 由 第 节 的 讨 论 可 知,I 型 NOK 损 伤参数较之 SWT 损伤参数更 适 合 用 于 微 动 疲 劳 损 伤和寿 命 的 预 测,所 以 采 用 I型 NOK 准 则 开 展 研 究 假定压块受到的载 荷 为 N,摩 擦 力 系 数 为.35,层板试件受到 Smx=7.5MP的拉应力,应 度 L 从.mm 变化到.5mm 铝层厚度对纤 化的影响如图 )所 示 可 见,当 铝 层 厚 度 小 于.4mm且接触路径在 ~. mm 范 围 内 时,I型 NOK 损 伤 参 数 无 明 显 增 加;当 铝 层 厚 度 小 于.4mm且接触路径超过.mm 后,I型 NOK 损 伤参数迅速增 大,其 峰 值 点 出 现 在 接 触 边 缘 附 近 当铝层厚度介 于.6~.5 mm 时,I型 NOK 损 伤参数的变化规律大致相同 当接 触 路 径 介 于 ~.mm 时,I型 NOK 损 伤 参 数 呈 小 幅 上 升 趋 势; 当接 触 路 径 处 于.~4. mm 区 间 内 时,I 型.~ NOK 损伤参 数 基 本 不 变;当 接 触 路 径 位 于 4 6.mm 区 间 内 时,I型 NOK 损 伤 参 数 存 在 极 值,

559 平学成,等:用应变能密度法分析纤维金属层板的微动疲劳特性 图 纤维金属层板试件损伤参数与实验寿命的关系 图 铝层厚度对纤维金属层板试件 I型 NOK 损伤参数 xp mn v b m m n p mn E um num y kn n MdINOK R n w ndmgp m nd pb 随接触路径变化及微动疲劳寿命的影响 dmgp m ng ngw n p nd ng v b m m n p mn gu 疲 劳 寿 命 的 影 响 可 见, 铝 层 厚 度 为.6~ 时,微 动 疲 劳 寿 命 最 长; 铝 层 厚 度 小于.73mm.6 mm 时,微 动 疲 劳 寿 命 随 铝 层 厚 度 的 下 降 而 降低 3. 纤维层厚度的影响 假定铝层厚度为.mm,只改变纤维层厚度 L,使其从.mm 增加到.5 mm 计算得到 纤维层厚度对纤维金属层板试件 I型 NOK 损 伤 参 图 纤维金属层板试件的预测寿命及实验寿命 P d d v ndxp mn b m m n p mn 这一区间是微动疲劳破坏发生的区域 图 b)为铝层厚度对纤维金属层板试 件 微 动 数随接触路径变化的影响,如图 3 )所示 可见, 微动桥接触左边缘的I型 NOK 损 伤 参 数 最 小; I型 NOK 损伤 参 数 的 最 大 值 始 终 分 布 在 靠 近 外 端 部.5~.5 mm 范 围 内,与 纤 维 层 厚 度 的 关 系 不 大; 随着纤维层厚 度 的 增 加,拉 应 力 的 施 力 面 积 增 大, 绝对拉力增大,导致铝层反而会受到更大的应力并

复 合 材 料 学 报 56 图 3 纤维层厚度对纤维金属层板试件 I型 NOK 损伤参数随 图 4 相对厚度对纤维金属层板试件 I型 NOK 损伤参数随 接触路径变化及微动疲劳寿命的影响 接触路径变化及微动疲劳寿命的影响 3 E b y kn n MdINOK 4 E v kn n MdINOKdmg ng v b m m n p mn gu v b m m n p mn dmgp m ng ngw n p nd 产生更大的应变,I型 NOK 损 伤 参 数 呈 增 大 趋 势 可知,在相同外界拉 应 力 的 作 用 下,纤 维 层 厚 度 的 增加反而更容易造成局部微动疲劳 纤维层厚度对纤维金属层板试件微动疲劳寿命 m ng ngw n p nd ng p gu 向 外 边 缘 偏 移;当 铝 层 厚 度 为. mm 时,I 型 NOK 损伤参数 非 常 大,说 明 铝 层 的 相 对 厚 度 不 宜 过小 相对厚度对纤维金属层板试件微动疲劳寿命的 的影响如图 3 b)所 示 可 见,微 动 疲 劳 寿 命 随 着 影响如图 4 b)所示 可 见,微 动 疲 劳 寿 命 随 着 铝 3.3 铝层和纤维层相对厚度的影响 假定模型总厚 度 L +L=.5 mm,铝 层 和 3.4 桥足圆角半径的影响 微动桥桥足圆角半径为变量,通过改变圆角半 纤维层厚度的增加小幅下降 纤维层的相对厚 度 对 纤 维 金 属 层 板 试 件 I 型 NOK 损伤参数随 接 触 路 径 变 化 的 影 响 如 图 4 )所 示 可见,随着铝层厚度减小,接触路径上的I型 NOK 损伤 参 数 呈 现 增 大 趋 势;铝 层 厚 度 大 于.4 mm 时,I型 NOK 损 伤 参 数 的 峰 值 出 现 在 距 接 触 外 边 缘.~.7mm 区 间 内,且 随 着 铝 层 厚 度 的 增 加 层厚度的增加单调上升,且上升幅度很大 径的大小可以改变 桥 足 接 触 边 缘 的 应 力 集 中 状 况, 进 而 改 变 局 部 微 动 疲 劳 特 性 在 =,.,.5mm3 种 情 况 下,圆 角 半 径 对 纤 维 金 属 层 板 试 件I 型 NOK 损 伤 参 数 随 接 触 路 径 变 化 的 影 响 如 图 5 )所示 可见,在距内 边 缘 小 于. mm 的 范围内,I型 NOK 损 伤 参 数 的 峰 值 大 小 和 位 置 受

56 平学成,等:用应变能密度法分析纤维金属层板的微动疲劳特性 则和 N -Og -Kuwb NOK)准 则 判 断 开 裂 位置并预测微动疲劳寿命,得到的主要结论如下 )通过对纤维金属层板的微动疲劳特性进行 的实验研究发现微动疲劳裂纹发生在粘附接触区和 滑移接触 区 的 过 渡 区 域,为 靠 近 接 触 桥 足 外 边 缘.mm 附近的位置,开裂方向为 86 ~87 )可采用 SWT 损伤参数和I型 NOK 损伤参 数判断铝层开裂位置,并拟合微动疲劳寿命预测公 式中 的 材 料 参 数 相 比 之 下,I 型 NOK 损 伤 参 数 能更明确地预测开裂位置 3)考察了纤维金属层板几何参数对微动疲劳 特性的影 响,其 中 铝 层 厚 度 的 变 化 范 围 为.~.5 mm, 纤 维 层 厚 度 的 变 化 范 围 为.~ 发 现固定纤维层厚度而铝层厚度在.mm.6~.73 mm 范 围 内 变 化 时,I 型 NOK 损 伤 参 数较 小,疲 劳 寿 命 最 长;固 定 铝 层 厚 度 时,I 型 NOK 损伤参数随着 纤 维 层 厚 度 的 增 加 而 单 调 小 幅 下降,微 动 疲 劳 寿 命 小 幅 延 长;固 定 总 厚 度 时,提 高铝层厚度可以使 微 动 疲 劳 寿 命 大 幅 上 升;圆 角 半 径对微动疲劳寿命的影响不大 4)所用研究方法为分析纤维金属层板机械连 接中的微 动 疲 劳 问 题 提 供 了 理 论 依 据,在 铆 钉 头 或螺母)与纤维金属层板平面接触问题中具有较好 图 5 圆角半径对纤维金属层板试件 I型 NOK 损伤参数随接触 路径变化及微动疲劳寿命的影响 5 E und d un MdINOKdmg m ng ngw n p nd ng p gu v b m m n p mn 圆角半径的影响比较明显;对于整个接触路径来说, I型 NOK 损伤参数的峰值出现在距外边缘.3mm 附近;随圆角半径增大,I型 NOK 损 伤 参 数 反 而 稍 有增加,没有起到降低损伤参数的目的 圆角半径对纤维金属层板试件微动疲劳寿命的 影响如图 5 b)所示 可 见,圆 角 半 径 对 微 动 疲 劳 寿命的影响不大 4 结 的应用前景 参考文献: [ ] ALDERLIESTEN RC,SCHI JVEJ,VANDERZWAAGS. App n n pp d m n gy ng w ng [ J].Eng n ng u M n, 6,73 6):697 79. [ ] HU YB,LIH G,CAIL,.P p nndp p n dpmr b -m m n b dn bn b m d[ J].Cmp P B:Eng n ng,5,69: p y 587 59. [3 ] BACKMAN D,SEARS T,PATTERSON E A.Dv p mn nw b m m n v n p m z d d xpn nnd v ng [ C] ICAS u u I n g n un E n n Imp v. y:i y nd G 论 以纤维金属层板 由 薄 金 属 层 和 纤 维 增 强 复 合 材料层组成的 混 杂 复 合 材 料 层 板)为 研 究 对 象,依 据有限元非线性接触分析方法求解了接触界面上的 应力和应变,并利用临界平面法建立了应变能密度 准则,进 而 采 用 Sm -W n -Tpp SWT)准 B n:sp ng,:785 795. [4 ] YEH PC,CHANG P Y,YANG J M,.B un n / ng yb d b n/g um num b m m - n [ J].M S n ndeng n nga,,58 4-5):46 73. [5 ] YEH PC,CHANGPY,WANGJ,.B ng ng mm ng db n/g b n d um num m -

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平学成, 等 : 用应变能密度法分析纤维金属层板的微动疲劳特性 563 nggubmmnnyzdby ungnngydnymd PING Xung,,*,ZHUZngu,WU Wxng,LIng.SMnEngnng,TnjnUnvySn& Tngy,Tnjn3,Cn;.SMnndEnEngnng,ECnJngUnvy,Nnng333,Cn) Ab: Indudynggubmmn,ndnmpnnnpnumnumybmmnwvdybdnpn mdn-dmnndnym,ndsm-wn-tppswt)w MdIN-Og- KuwbNOK)nngydnypmwvdu.Tn,nxpnn ngydnypm-ngguwbd,ndundmndpmnpdnxpnwbndugxpmnd.ny,umnumykn,bykn,vknyndunddubdgnnggudmgpnnd wnyzdung MdINOKnngydny,ndmnzndvwppd nggundgnbmmn.tuwbynngumnumy kn,nggunbmpvd;wv,nggunnbmpvd bynngbyknndunddubdtmdppdnpvd nnynggupbmnvndbnnnbmmn. Kywd: bmmn;nggu;knn;nngydnymd;pn