热失配效应和混合CMC的高温拉伸性能仿真和高温合金螺栓接头进行性损伤分析

摘要

给定这两种材料的各自的长处的混合CMC和超合金螺栓连接已经表现出能够用作可重复使用的空间运输系统的热结构部件的巨大潜力。与飞机和空间飞行器，在CMC和超合金材料的热膨胀系数的显着差异将引起初始装配应力，热应力和拉伸应力的复杂叠加围绕紧固区域混合关节的高温偏移，这可能导致关节结构的未知故障行为。于，通过使用软件ABAQUS解决这一问题，嵌有成立逐渐损伤分析来模拟单圈，单螺栓C / SiC复合材料和超合金接合部的热结构的行为和高温拉伸性能的有限元模型。结果发现，在CMC /超合金混合螺栓接头的初始刚度随施加温度的下的所有螺栓孔清除率水平的上升而减小。然而，承载能力与初始间隙水平和暴露温度为所研究关节显著变化。CMC和导致在装配前负荷和螺栓孔间隙作为高温负载显著变化超合金材料之间产生的热膨胀失配被施加到关节。在基于温度的热结构行为的演变，然后用在关节的刚度和破坏载荷变化相关。所提供的新的发现是对结构设计和在下一代飞行器高温混合CMC /超合金螺栓接头的实际应用价值。

1.简介

连续纤维增强陶瓷基复合材料（CMC）是FOTON-9和FOTON-M2等可重复使用空间运输系统发展的关键技术之一[1个,2个]， 表达 [2个和SHEFEX [三]任务，由于其高比刚度和强度，低热膨胀系数，非脆性破坏性质，以及优良的高温环境稳定性[4个–7个]. 为了实现其在汽车上的成功应用，常采用机械连接的方法将CMC与高温合金一、二次结构连接起来。在现有的连接形式中，螺栓连接以其承载能力高、拆装方便、损伤容限大等优点而备受关注。由于大多数失效发生在连接结构的机械紧固区，螺栓连接的设计对于提高结构的承载效率和保持结构的整体完整性具有重要意义。然而，螺栓连接的力学强度和失效行为通常受到紧固件类型、连接几何和装配条件等诸多因素的影响，给飞机工程师提出了重大的技术挑战。当CMC和高温合金混合螺栓接头与飞行器和空间飞行器发生高温偏移时，会引起特别的关注。CMC与高温合金材料的热膨胀系数相差2-3倍，产生明显的热失配效应。这种效应将在孔边区域产生复杂的热应力和应变分布，并改变接头的装配参数[7个]，这可能会导致关节结构的未知故障行为。因此，重要的是评估热结构效应，并导致在CMC上的失败的行为和超合金螺栓连接器结构在施加高的温度的影响。

Mei等[[endnoteref: 2]]在前人对CMC接头结构强度与破坏行为的研究中[[endnoteref: 3]]。八实验研究了在模拟再入环境中化学蒸汽渗透制备的二维C/SiC螺栓的拉伸性能和氧化行为。结果表明，在1300℃、1600℃和1800℃的试验温度下，2D C/SiC螺栓的拉伸强度均有所下降，分别保持了85%、92%和94%的室温原始性能。随着试验温度的升高，二维C/SiC螺栓的拉伸强度和破坏次数略有增加。李等人[9个]通过仿真和实验结果之间的比较研究C /碳化硅关节的损伤模式和断裂载荷。的最大应力破坏准则被用来确定C / SiC复合材料在模拟中的损害。的孔参数，包括边缘的距离的比率的直径，宽度和直径，并以直径孔距离的影响，对C /碳化硅接头与销或螺栓的机械性质进行了研究。赵等人。[10个]对不同失效准则和材料退化模型的裸眼C/SiC复合材料层合板进行了失效分析，通过与已有实验数据的比较，筛选出了最合适的组合。在此基础上，利用该模型预测了三螺栓C/SiC复合材料节点的破坏过程。在有限的CMC接头研究中，很少有人关注CMC/高温合金螺栓接头的热失配效应和高温拉伸行为。针对开放文献中存在的上述不足，首次建立了三维有限元模型，结合渐进损伤分析，对CMC/高温合金单搭接单螺栓混合接头的拉伸性能和破坏行为进行了预测。采用宏观唯象本构模型描述了二维编织C/SiC复合材料的非线性应力应变行为。评价了高温载荷下CMC与高温合金材料热膨胀失配引起的预紧松动和螺栓孔间隙的变化，探讨了它们对高温拉伸性能和损伤机理的影响。

2。2dc/SiC复合材料的组成模型及损伤机理

当二维平纹编织C/SiC复合材料发生损伤时，横观各向同性材料的应力应变关系可以写成[11个] 哪里 为复合材料在主方向1、2、3的初始弹性模量。和处于1-3和2-3剪切面的复合材料的初始剪切模量，分别。 是初始泊松比。 , ,和分别是，弹性模量，剪切模量，和柔性基质时产生的复合内部损坏。

广泛的实验观察结果，研究人员证明了C / SiC复合材料下单轴拉伸和剪切载荷[表现出非线性和假塑性德意志北方银行]. 当外载荷小于比例极限时，材料表现为线弹性行为。当外部载荷超过这个比例极限时，微裂纹的形核和扩展开始，直到材料失效。在拉伸载荷作用下，由于基体裂纹的渐进损伤、界面滑移和脱粘、纤维断裂和纤维拔出，CMCs的应力应变行为呈现非线性。损伤过程将耗散外载荷的能量，降低材料的刚度。为了研究CMC材料的非线性应力应变行为，文献中提出了多种方法，基本上可分为三类：（1）基于唯象损伤力学的方法[13个–16个]，（2）微机械为基础的方法[17岁–21岁]，和（3）多尺度建模方法[22个–24个]. 为了在计算效率和精度之间取得良好的平衡，对于当前的分析，李先生提出了一个宏观组成模型[13个]来表征二维C/SiC复合材料的力学行为。这里将简要介绍他们的模型。材料在单轴拉伸和剪切载荷作用下的应力-应变关系符合五阶多项式函数。然后，根据拟合应力-应变关系，对可检测应变进行求导，得到用于损伤分析的各应变水平的切线模量。 哪里是拉伸断裂应变。是1-2平面上的剪切断裂应变。和( )是拟合系数。当拉伸应变和剪切应变等于零，则和是初始弹性模量和剪切模量的C / SiC复合材料。

在拉伸和剪切卸载或再加载过程中，弹性模量和剪切模量可通过使用逻辑函数与给定的相关应变进行拟合： 哪里 , , , ,和 , , ,和是每个逻辑函数的形状的参数。

复合材料的压应力下的应力和应变响应是近似为线性弹性关系，和压缩模量的选择被分成两种情况。当材料的应力电平超过一个微裂纹闭合点C（ , ),微裂纹的闭合部分导致初始弹性性能的恢复 。否则，压缩模量是相同的，如以拉伸装载和卸载曲线卸载模量。 哪里为压缩断裂应变和是微裂纹闭合点C处的应力。

三。有限元建模

研究了GH4169高温合金、单螺栓、单搭接接头的二维平纹编织C/SiC复合材料。利用Abaqus/standard软件建立了C/SiC复合高温合金螺栓连接的准静态拉伸载荷有限元模型，如图所示1个. CMC板和高温合金板都有120 mm长，50 mm的卷取长度。CMC板和GH4169合金板的厚度分别为3.0 mm和1.5 mm。两块板用直径为5.0 mm、由GH4141合金制成的螺栓组装在一起。二维编织C/SiC复合材料假定为横观各向同性材料，其组分模型表现出非线性行为。由材料供应商提供的二维平面编织C/SiC复合材料在单轴拉伸和剪切载荷下的应力-应变曲线及拟合结果如图所示2个. 表中总结了用于分析的复合材料的其余机械和热性能1个，分别是。由于高温合金的屈服强度高于CMC，螺栓连接的破坏过程主要由复合板控制。因此，本文只考虑了高温合金板和螺栓的弹性特性。GH4169和GH4141合金的指定机械和热性能与温度的函数关系如下中国航空材料手册[25个,26个]，如表所示2个。采用沙漏控制的三维八节点简化集成C3D8R单元对复合材料层合板、高温合金板和机械扣件进行离散化。为了提高计算效率，将螺栓和螺母的六角头简化为圆头，将螺栓和螺母作为整体进行建模，以减少接触面。在紧固件柄与板孔、紧固件头或螺母与两板外表面、两板接合面之间确定了连接结构的五个接触副。在模型中所有接触界面之间采用有限滑动接触和表面-表面接触公式。所有接触表面均采用经典库仑摩擦系数，摩擦系数为0.3。通过在两块板上设置紧固件柄与孔之间的接触副的过盈配合值，将0 ~ 1.2%的螺栓孔间隙值分别设置到关节处。在ABAQUS中，通过螺栓载荷函数对所有考虑的节点施加6kn的预紧力。将高温合金板的右端固定在三个平移方向(Ux、Uy和Uz)。复合材料板的左端固定在两个平动方向(Uy和Uz)和三个旋转方向(Rx、Ry和Rz)，同时沿Ux方向施加一个均匀的力载荷来模拟准静态拉伸载荷。 To examine the temperature-dependent behavior of tensile performance, uniform temperature loads of 25°C, 150°C, 300°C, 450°C, 600°C, and 750°C were, respectively, imposed to the entire joint structures.

4.渐进损伤分析方法及其验证

为了实现混合C / SiC复合材料和超合金螺栓连接器结构，一个用户定义的子程序UMAT包括非线性构模型，破坏准则，和材料劣化规则的渐进失效分析嵌入到一般包ABAQUS®。在该子程序中，所述预定义字段的变量被描述为材料性质的函数，然后将其用于任何材料点的机械行为的表达。数字三给出了混合节点渐进损伤分析的流程图。本文提出的分析方法首先以材料特性、几何参数、边界条件、初始荷载和荷载步长为输入，对所研究的螺栓连接建立有限元模型。然后，利用上述组成模型对螺栓连接各单元进行非线性应力分析，计算各单元的应力。对于目前的分析，柴武强度准则[27个]根据计算出的结构应力来评估失效发生的可能性。如果破坏准则被违反，施加的载荷将增加一个载荷增量，CMC的刚度参数将根据获得的应力水平进行更新。否则，如果不满足最终结构失效的要求，C/SiC复合材料的材料刚度参数将降低到其未损伤值的1%。在复合材料结构最终失效或出现严重收敛困难之前，模拟终止。

为了验证用于2D织C中提出的损坏分析方法/碳化硅复合材料，循环加载和卸载的拉伸和剪切载荷以及复合样品的单轴压缩载荷条件根据在参考文献所提供的实验条件进行了模拟。[13个]. 在公开出版物中，由于缺乏有关C/SiC复合材料和高温合金螺栓连接的数据，还模拟了裸眼层合板的单轴拉伸载荷。参考文献给出了用于验证的二维编织C/SiC复合材料样品的几何结构、试验条件和测量的应力-应变曲线[13个]. 图中显示了2dc/SiC复合材料在拉伸、剪切加载/卸载和单轴压缩加载过程中的应力应变曲线和实验结果4个和5个. 从图中可以看出4个中，模拟的应力和应变关系符合下每个装载情况的实验结果良好的对应。的模拟和实验结果的比较[13个用于开放孔CMC层压在图所示5个结果表明，135.5mpa的预测强度与150.5mpa的实验值吻合，相对误差为9.6%。考虑到实验样品表面沉积的SiC抗氧化涂层、本征缺陷引起的实验数据散射、有限元建模的简化等因素可能会导致测量结果与预测结果之间的误差，以及渐进损伤仿真中失效准则和退化准则的选取。这种误差水平在工程应用中是可以接受的，这验证了本文提出的渐进失效模型的有效性。

5.结果与讨论

5.1。接头的热失配诱导的装配参数的变化

在实际工程中，混合CMC和超合金接头通常装配在室温下，然后高温条件下使用。高温热暴露将引起剧烈的热失配由于在CMC和超合金材料的热膨胀系数差。然而，螺栓连接的装配参数可以显著影响在孔的边缘损伤的进展以及机械紧固复合关节轴承行为。Therefore, the residual preload and bolt-hole clearance before and after applying temperature loads to the joints are firstly extracted from the finite element models with a fixed 6000 N initial preload and 0-1.2% bolt-hole clearances, and the results are depicted in Figures6个和7个， 分别。对于纯的配合接头，当所施加的温度载荷都高于450℃，发生损伤周围的CMC板的孔边缘，这导致了接合结构的过早失效施加拉伸载荷之前。因此，这些情况下，关节的参数是在这些图中不存在。从图6个对于四个螺栓孔间隙水平，可以观察到装配预紧力显著下降。当螺栓孔间隙为0时，预紧力从室温下的6000 N下降到450°C时的4022 N，而其他三种间隙情况（0.4%-1.2%）的曲线几乎相同，但坡度更陡，相应的预紧力在450°C时保持下降到3759 N，在750°C时保持在1871 N左右。图7个研究了在6000 N预加载条件下，CMC和高温合金螺栓连接的螺栓孔间隙随温度的变化规律。在施加温度载荷后，高温合金板的螺栓孔间隙在所有情况下都有轻微的增加。然而，在CMC板的间隙中发现了一个不利的趋势。随着温度的升高，对于450℃以下的初始净配合情况，CMC板与螺栓杆之间甚至会出现小的干涉。对于750℃下间隙为0.4%的接头，也会出现类似的现象。施加温度载荷前后的预紧力和间隙的变化可以是主要归因于CMC与高温合金材料的热膨胀失配。高温合金板和螺栓的热膨胀系数越高，高温合金螺栓沿厚度方向的热应变越大，这无疑有助于应力松弛，以预加载后间隙为1.2%的接头在20°C和750°C时的模拟峰值Mises应力为例图中为温度而非拉伸载荷八. 由于同样的原因，螺栓与孔之间的间隙变小，而金属板与螺栓孔之间的间隙变大。对于间隙为0.4%和1.2%的接头，在25°C和750°C温度下对接头施加预加载和温度但不施加拉伸载荷后的接触压应力比较如图所示9个。除了间隙为1.2%的接头产生的紧固件上下接触面的压缩力外，在750℃初始间隙为0.4%的接头的CMC板材和螺栓杆的接触面产生额外的接触压缩应力。孔边缘周围的压应力,使得干扰提高了小说的力量在接触界面厚度和刚度,从而减少一定的预紧力是neat-fit抑制关节和0.4%间隙关节在750°C的温度,相比与其他间隙情况下,在相同的温度。

5.2。接头的高温拉伸性能

采用建立的渐进损伤分析方法，模拟了CMC/高温合金复合螺栓接头在不同螺栓孔间隙水平下的高温拉伸性能。图中显示了机械紧固接头拉伸载荷的模拟载荷-位移曲线10个. 从图中可以清楚地看到10个，下的所有螺栓孔间隙水平，曲线示出了减少的趋势，这意味着混合螺栓接头的初始刚度随施加温度的升高下降斜率。刚度降低可能是由于在那个温度所述连续预载荷松弛上升如我们以上所讨论的减轻两个板，其用于抵抗外部拉伸载荷的接触表面上的摩擦力的事实。Soykok等。[28个]进行了失效分析实验，确定了热条件和拧紧力矩对单搭接双系列紧固件玻璃纤维/环氧复合材料接头失效行为的影响。他们发现，当温度从40°C上升到80°C时，相同的螺栓孔位移率下，节点所承担的载荷降低了。这似乎与目前关于节点结构初始刚度随温度变化的研究结果一致。他们的研究结果还表明，聚合物材料的降解对接头的性能影响很大，随着温度的升高，接头在较低的应力水平下逐渐失效。与室温结果相比，在80℃时接头的承载能力下降到70%。与他们的研究结果相比，在不同的间隙水平上，温度对所研究的CMC/superalloy混合螺栓接头承载力的影响是不同的。如图所示11个,for the neat-fit joints, the final failure load shows a minor increase from 2815 N at 25°C to 2947 N at 150°C, and then drops rapidly to 665 N when the temperature rises to 450°C. As the bolt-hole clearance is 0.4%, the load-bearing capacity of the joint varies little with temperature under 450°C, while declining dramatically from 2908 N at 25°C to 1203 N at higher temperatures 750°C. However, the failure load grows slightly first as the temperature rises from 25°C to 150°C, and then reduces to the minimum value at 600°C, and finally climbs a certain amount at 750°C for the 0.8% and 1.2% clearance cases. Such varying trend can be closely associated with the extent and magnitude of compression area of hole edge on the CMC plate under various temperatures as the structure is subjected to failure, as illustrated in Figure德意志北方银行。与较大间隙相比，在初始间隙较小的情况下，混合螺栓节点的承载能力对温度非常敏感。例如，当温度在25°C到450°C之间变化时，在整洁的条件下，失效载荷有五倍的差异。在高于300℃的相同温度下，通过加大螺栓和接头孔的间隙来提高承载力。之前几项关于单螺栓或带销纤维/聚合物复合接头的研究表明，较大的间隙会显著影响螺栓孔接触面积和孔处的峰值应力[29个–40个]，导致预测的接合强度的降低。例如，McCarthy等人。[39个]检测了单圈，单螺栓样品由高强度由石墨/环氧树脂层压板与准各向同性和零主导上篮。高达14％，在关节的强度损失已报告的间隙为利落，适合240的最大间隙 μm、 Pierron等人。[40个]研究了由直径为16 mm、间隙为0.1 mm至2 mm的销钉加载的编织玻璃纤维/环氧树脂接头，发现从最小间隙到最大间隙，破坏载荷减少了30%。我们的发现似乎与先前在室温下对聚合物复合材料接头得出的结论不同。对于CMC与高温合金的混合螺栓连接，随着螺栓孔间隙的增大，螺栓载荷通过较小的区域传递，导致孔边界附近的局部应力增大，损伤形成较早。正如许多研究者所解释的那样，承载能力应该降低[29个–40个]. 然而，一旦初始预荷载和温度荷载施加到节点上，结构内部就会形成初始热应力场。图中描绘了施加预加载和温度但不施加拉伸载荷后，在750°C下具有不同间隙水平的CMC板的轴向热应力等值线图13个。As can be seen, the maximum compressive stress decreases from 243 MPa for the neat-fit joint, and to 126 MPa for 0.4% clearance and 15.8 MPa for 0.8% and 1.2% clearances, accounting for 48% and 93% drop in comparison with the result for the neat-fit case. Such remarkable reduction in the peak compressive stresses has great potential to offset the weakening effect of the reduced contact area, explaining the elevated bearing performance of larger clearance-fit bolted joints at high temperatures. It is also indicated that there exists an optimal match in the bolt preload and bolt-hole clearance in maximizing the load-bearing capacity of the joint structure at each temperature, and the designed clearance is varying from 0.4% at 25°C, 0.8% at 150°C, and 1.2% at temperatures higher than 300°C if applying the same initial preload to the joints. Under 6000 N initial assembly preload, the joints attain the highest failure loads for the whole considered clearance range at 150°C. To observe the failure progression within the CMC plate, the final failure areas around fastener hole are depicted with varying clearance at 25°C and 750°C in Figure14个. 在两种温度下，随着螺栓孔间隙值的增加，CMC板的失效元件数量逐渐减少。这也可以减少到更集中的应力层压板的联合，因为增加了间隙。与25℃下的结果相比，CMC与高温合金材料热膨胀失配引起的夹持力减小，为紧固区提供了较弱的“侧向支撑”，使二次弯曲效应更加显著。因此，复合材料的破坏单元主要位于CMC板孔的内表面，在750℃时更集中在螺栓孔间隙爬升水平的右侧。

6。结论

本文建立了二维机织C/SiC复合材料的渐进损伤模型，包括非线性宏观组分模型和Tsai-Wu破坏准则，用于预测单搭接单螺栓CMC/高温合金复合材料高温拉伸性能和损伤过程。使用嵌入在通用软件包ABAQUS中的用户自定义子程序UMAT实现了关节的失效分析。结果表明，CMC与高温合金材料的热膨胀失配导致装配预紧力急剧下降，CMC与高温合金板的螺栓孔间隙呈现出相反的变化趋势。在450℃和750℃下，CMC板与螺栓杆在初始净配合情况下存在微小的干涉，温度对接头结构的拉伸性能和损伤发展有显著影响。在所有螺栓孔间隙水平下，混合螺栓连接的初始刚度随温度的升高而减小。然而，对于所研究的CMC/高温合金混合螺栓连接，失效载荷随着间隙水平和暴露温度的变化而显著变化。随着间隙的增大，初始装配应力和热应力的叠加能够抵消接触面积减小的削弱效应，从而在足够高的温度下获得更高的承载能力。在初始装配参数上存在一个最优匹配，以使接头结构在每个温度或整个参考温度范围内的承载能力最大。本文对温度对CMC/高温合金复合螺栓接头热结构性能和力学性能的影响机理进行了研究，为陶瓷基复合材料在下一代飞机上的高温应用提供了新的研究结果。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求从相应的作者处获得。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

这项工作是由沉阳飞机设计研究所，中国航空工业集团公司（批准号JH20128255）的预研基金资助。

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