文摘

纤维金属层板(件)是一种新型的结构材料,在航空航天领域广泛应用。这些复合材料夹层复合材料组成替代金属和纤维增强树脂层。因为材料的结构特点,它有高电阻的金属层和断裂韧性和优良的疲劳和损伤耐受性增加属性的纤维层。进一步发展和应用这种新的复合材料,有必要了解研究现状在奶奶的每个组件的应力分析和件的抗拉强度性能。因此,在这项研究中,残余应力的研究现状和应用压力组件的材料用完了总结了层压制品的抗拉强度。外加应力之间的关系每一层和远程压力的分层和层压制品的拉伸性能之间的关系和组件材料属性分层澄清。此外,相关模型的理论基础和发展方向进行了分析和研究。因此,以上都是旨在为进一步调查奠定了基础的强化理论和改进的理论研究体系。

1。介绍

纤维金属层板(件)组成一个联合代尔夫特大学的科学和技术的成就,福克尔飞机公司,荷兰国家航天实验室(1]。他们组成夹层复合材料替代金属和纤维增强树脂复合层。他们有高电阻,提高断裂韧性,良好的疲劳,破坏公差属性和吸引了全世界众多的企业和研究机构的关注(2]。

不同的材料特性可以通过改变厚度,数量和类型的金属层,纤维的方向和系统,厚度,数量,和上篮的纤维层。虽然这些复合材料完美结合两种不同材料的性能优势,完了还改善和弥补个人两种材料的缺陷。他们克服的缺点铝合金的疲劳强度和低韧性和冲击强度,增加了成本,加工性能差的纤维层(3]。相比传统铝合金材料在航空、完了可以减少重量的25% - -30%,增加疲劳寿命10 - 15倍(4]。性能满足要求的新一代的航空设备,尽管他们的生产是复杂的和昂贵的5,6]。因为他们的重量轻、高伤害宽容,完了目前用于航空航天结构而不是高强度铝合金(7),例子包括机身、前缘,空客A380的其他部分(8- - - - - -10]。

如示意图,如图所示1的金属层,用完了可以伴随着纤维,抵抗裂纹扩展(11,12]。当裂缝产生和传播的金属层,纤维层的遮蔽作用转移负载在金属层的一部分,和金属层的应力和裂纹尖端的应力强度因子降低。也被报道,在疲劳过程中,压力在金属层中起着重要作用发生前的衔接机制,与金属层和桥接强调合作的起始衔接机制(13- - - - - -16]。因此,每一层的应力分析——当学习疲劳性能是至关重要的。此外,对媒人的静强度特性的研究是基于每一层的应力分析。换句话说,每一层的应力分析——是一个前提和基础研究其静态和疲劳强度。

金属纤维复合材料具有独特的结构和损伤特征产生上述优势。然而,奶奶也表现出许多的特点,在一定程度上,限制了复合材料在航空航天工业中的应用。目前,一种玻璃的特性增强铝复合材料(眩光)是他们的低杨氏模量比单片铝(8]。玻璃纤维层的杨氏模量低于铝层和铝和玻璃纤维的结合层不可避免地导致较低的杨氏模量比一个铝合金。组件每一层不同的材料有不同的刚度在层压制品。在疲劳应力循环,刚度较大的层将产生更大的压力12,18]。铝层有一个更大的刚度相比,复合材料,这将导致更高的压力比层压板的外加应力水平。件的另一个问题是残余应力的存在。果是在一个高温固化。冷却到室温后,残余应力将生成所有层的治愈层压板,因为热膨胀系数的差异。眩光的铝层中的残余应力拉伸(12]。这两个因素会导致相当大的金属层应力增加拉伸加载下的分层。因此,至关重要的是正确确定金属层在媒人的压力。

作为一种重要的结构材料在航空航天领域,一件主要是用作关键疲劳部分。虽然他们的疲劳性能是材料研究的焦点,静态强度构成材料的基本力学性能,及其调查同样重要。进一步发展和应用这些材料,有必要对静强度特性和澄清层压制品的拉伸性能之间的关系和组成材料的性质。

本研究评估知识的当前状态在每一层的压力水平完了,总结了抗拉层属性。综述了有关的基本理论建立了模型建立(a)每一层的压力之间的关系和遥远的分层压力和(b)层压制品的拉伸性能之间的关系和组件材料属性。促进进一步的研究——基于现有的分析模型,预期理论的方向发展是澄清。

2。应力分析

到目前为止,根据类型的纤维和金属,纤维金属层压制品主要经历了四个升级。他们是芳纶增强铝复合材料(ARALL),玻璃增强铝复合材料(眩光),碳增强铝复合(保健),钛/石墨混合分层(TIGR)。四代的纤维金属层压制品、ARALL层板和眩光层压制品已经成功地商业化。有两种类型的层压制品之间的结构差异。ARALL层板,有一定厚度之间的粘合剂层芳纶纤维和铝合金,但是没有粘合剂层之间的玻璃纤维和铝合金眩光层,如图2。也有一些不同的金属表面处理方法之间的两种分层。ARALL层板,金属表面的粘结表面不治疗,而对于眩光复合材料,焊接表面处理的金属表面喷砂,磷酸阳极化,和其他方法,如图3。

2.1。残余应力分析

纤维增强金属层压制品的制备需要通过固化每个组件的焊接材料。件的固化需要增加温度。冷却到室温时,残余应力将生成治愈每一层的层压制品,因为不同的每个材料的热膨胀系数。考虑到金属层产生残余拉应力,实际压力的金属层将进一步增加由于拉伸载荷,如图4。因此,对于用完了,残余应力的研究是至关重要的。此外,金属的残余应力通常是通过测量应变仪测试和测试原理图所示5。

2.1.1。解决残余应力的分析方法

基于复合材料的残余应力的自平衡原理固化后,奥肯和6月20.)认为,每个组件的响应材料层压板展品在冷却过程中弹性属性。此外,根据不同的热膨胀系数复合材料,每个组件的一个普遍接受的残余应力的计算公式提出了奶奶的金属层,如下: 在哪里和弹性模量和厚度的纤维树脂层的复合材料,分别;和是金属层的弹性模量和厚度的复合材料,分别;和分别测试和固化温度;和 的膨胀系数的金属和纤维树脂层,分别。

基于经典层压板理论和材料的本构关系,固化残余应力的表达式每层一件被Homan[推导出12)的基础上,考虑不同材料的热膨胀系数的影响复合材料固化过程的内部压力。表达式如下: 在哪里每层材料的刚度矩阵是一个角吗 , 是材料的固化变形,ΔT治疗前后的温差,是每一层的热膨胀系数。

汗等。17]进一步扩展这一理论的基础上,结合经典层压板和热膨胀理论,提出了一种新的方法来计算每一层的残余应力在FML前后的应力再分配。poststretching过程中的应力应变曲线如图所示6,金属层应力的表达式如下:

在哪里 , 被定义为外部载荷作用在复合材料,被定义为由于热膨胀的力,被定义为外延层的刚度,被定义为铝的热膨胀系数,然后呢被定义为温度差异之前和之后的治疗。拉伸前,和都是等于零, 。拉伸后,是已知的,可以解决使用对应的表达式和 。

胡锦涛et al。(21,22调整残余应力的芳纶增强铝薄板(ARALL) 3/2分层使用预应力和预应变方法。预应力方法使用弹簧是用来prestretch玻璃纤维层压固化之前,和应变仪是用来检测残余应力的形成过程中复合材料在每个阶段。最后,残余应力之间的关系 ,预应力,固化温度进行了分析,和相关的表达式如下: 在哪里 , ,和的厚度、弹性模量和组成材料的热膨胀系数,分别;是纤维预应力后的应变;是当前温度;固化温度;和指数1和2表示铝合金和纤维层,分别。此外,用于拉伸预应变方法治愈产生一定的塑性变形层(通常在0.4% - -0.7%)。因此,残余应力之间的关系和应用预应变进行了分析,发现是线性的。相关的表达式如下: 在哪里 , ,和层压制品的弹性常数,腐蚀后的曲率半径是分层,和是金属的厚度和纤维层,分别。

提出了一个分析模型由Abouhamzeh et al。23)来预测固化过程中产生的残余应力用完了。模型是基于经典层压板理论和额外的术语,是依赖于固化收缩。因此,这个模型(a)反映刚度的变化和材料的化学收缩在养护和(b)预测在固化残余应力的发展为自由和约束(塑造)复合材料的固化。

此外,李et al。24钟),et al。25),在别人,还研究了残余应力形成在媒人的养护和提出了相应的理论计算模型。相关实验测试件的残余应力,验证该模型。

2.1.2。其他方法用于解决残余应力

除了最常用的分析方法,也有实验和有限元方法,可用于确定每层的残余应力用完了。传统的测试方法包括应变仪嵌入方法,激光拉曼光谱、x射线、光纤布拉格光栅,腐蚀机构扁平化的方法。这些传统的实验方法在本研究中并没有专门讨论。与上述两种方法相比,有限元模型的发展仍处于起步阶段。

使用增量井孔钻进技术结合集成方法,Ghasemi和穆罕默26)实验测量非均匀残余应力在每个件的厚度。首先,利用有限元仿真计算校准系数矩阵与残余应力和缓解压力。通过执行增量打眼实验中,发布了菌株的标本被测量。随后,残余应力得到使用校准系数矩阵和增量打眼的每一步的压力测量实验。最后,实验数据的增量井孔钻进过程进行评估的经典层压板理论的理论预测。IHD的应变测试过程实验如图7。

quasi-three-dimensional (3 d)有限元法被顾et al。27计算层间残余应力完了。ARALL层板的残余应力计算结果中生成服务免费或各级预应力状态的温度,和眩光层压制品的残余应力自由州。光纤光栅技术被用来监控整个治疗过程的应变和温度由胡锦涛et al。(28),如图8的残余应力的复合材料层压板铝片是使用ANSYS软件进行了数值模拟。有限差分法来考虑治疗之间的强耦合动力学模型和热化学模型在仿真过程中瞬态温度场。化学收缩应用于复合材料作为每次的初始应变增量的残余应力模拟。

复合材料层合板的残余应力和铝盘成功模拟的基础上被称为技术。眩光层压制品的残余应力是获得使用x射线分析(奥肯和6月方法),和减少层级腐蚀方法,提出的郭和郑29日]。结果表明,腐蚀减少层级分析方法更准确,和x射线方法表现出显著差异和大分散。

在忙的情况下,分析方法为解决更多地研究了残余应力。残余应力的研究在自由状态是成熟并达到high-prediction准确性。然而,当重新分配后拉伸残余应力,残余应力的研究没有考虑到组件材料的塑性变形的影响,及其预测精度不是很令人满意。残余应力的测试方法已被开发出来更广泛,但预测精度有一定的差异,其中应变仪嵌入和腐蚀机构扁平化方法有较高的精度。残余应力的有限元方法仍处于起步阶段,表现出一定程度的准确性仅为相应的情况。因此,有关,需要进行深入的研究。

2.2。每一层的应力分析

每一层的应力分析——研究是至关重要的层压制品的静态和疲劳强度。在静强度的研究,每一层的应力分析的基本前提是确定每层材料的失败。在疲劳强度的一项研究中,每一层的应力分析是必要的预测裂纹萌生和传播。因此,进一步的研究发展了在每一层的压力是至关重要的。

对于复合材料,各种属性可以解决基于经典层压板理论,即。,the various material properties of laminates will be solved by modifying and extending the classical laminate theory [30.- - - - - -35]。本研究发现,当前解决方案的每一层的压力——是相似的。的主要步骤用于解决每一层的压力——基于薄板理论,如下:

2.2.1。分层的本构关系及其组件

纤维金属层板组成平行的金属和非金属组件。中的所有组件层压材料的本构关系如下: 在哪里是应力张量的金属层,应变张量的金属层,金属材料的刚度矩阵,金属材料是合规矩阵。

因此,分层的应力-应变本构关系如下: 在哪里应力张量,应变张量,刚度矩阵,层压制品的合规矩阵。

2.2.2。解决分层的刚度矩阵

刚度矩阵和合规矩阵的分层分别如下: 在哪里的厚度吗材料层和层的厚度。

2.2.3。计算每一层的压力

层压时受到外部压力 ,层压板的应变如下:

根据强化理论,层压板的应变是一样的金属层;因此,

最后,金属层的应力可以表示如下:

2.2.4。研究趋势的压力解决方法——每一层

目前,研究在每一层的压力解决方法——基于两个方面:(1)校正组件材料的本构关系:本构关系是通过考虑金属材料的塑性修正。例如,Nowal [36)描述了一种非典型的失效模式,已被观察到在卸货期间选择多层结构的设计。澄清这种行为,基于外部铝层的分层和屈曲的发生,当外力释放,经典薄板理论应用于弹塑性模型的铝层应力分布的分析,而亨奇提出的总变形理论和伊用于捕获的影响金属的塑性力学性能的混合结构。下的弹塑性应力分析和损伤演化——内部压力和热残余应力研究了郑和刘37]。复合材料层合板的弹性应力分析进行了基于经典层压板理论的使用。此外,该衬层的弹塑性应力分析是由雇佣权力硬化理论和亨奇方程按照塑性理论(2)修正刚度矩阵的复合材料:例如,基于经典层压板理论,孟et al。38]修正弹性模量的计算方法引入的概念分层的层压制品的有效刚度;数字光学应变仪是用于验证模型,如图9;和更准确的预测了金属层应力的实现

人们进行了无数次研究解决每一层的压力在奶奶的应力再分配。基于当前的和积累科学知识,每一层的压力可以解决基于经典薄板理论结合使用修改后的组件材料的本构关系。然而,当前的知识不允许精确的解决方案的压力每一层基于经典薄板理论与分层的修正刚度矩阵。量化的研究现状的压力——每一层的应力再分配后仍处于初级阶段。解决方法没有考虑每个组件材料的性能的退化。

3所示。拉伸性能

件的拉伸性能是影响他们的单个组件。例如,内件的应力-应变行为明显表现出弹性反应应变2.0%,依赖于半固化片和金属层的属性,如图10。此外,它的韧性和缺口敏感性的承载能力主要取决于金属的塑性变形区域的应力-应变响应层(39]。类似于纤维增强复合材料的大部分,媒人的属性定向,因为纤维取向的影响,比如ARALL和眩光40,41]。是指出,奶奶的,半固化片和金属层之间的界面结合发挥了至关重要的作用压力的转移层不同的材料(2]。

由于其特殊结构,奶奶的不同不仅从各向同性金属材料,而且从各向异性纤维增强复合材料,使其力学性能的研究非常复杂。果是复杂的拉伸载荷作用下的破坏过程。涉及multifracture模式失败的眩光复合材料,如矩阵裂缝,fiber-matrix脱胶,纤维断裂,纤维/基体界面剪切破坏和interdelamination分层。纵向拉伸载荷作用下,纤维拉拔力和interface-matrix剪切模式的常见失效模式是纤维层件(42]。此外,金属层在防止多个全球纵向分裂过程中发挥作用。失败的横向拉伸加载,矩阵和matrix-fiber界面脱胶/纤维分裂中的主断裂模式fiber-epoxy层用完了。为了更好地理解——的形成和发育损害,伤害对剩余强度的影响,需要进一步的研究。调查——包括抗拉强度的分析计算,有限元分析和实验方法,单独或相互结合。目前,该分析方法已经成熟,本研究主要介绍了分析方法的研究现状。

迄今为止,估计的技术——通过使用抗拉强度的分析方法都是基于金属体积分数(MVF)和经典层压板理论。

3.1。基于金属体积分数理论抗拉强度计算

MVF Vlot提出的是一个理论和Gunnink2]。这个理论可以用来预测单向件的拉伸模量和强度。MVF值所定义的Vlot Gunnink,可以计算出基于以下方程: 在哪里件的厚度,一个金属板的厚度,金属板的层数。根据这个定义,Vlot和Gunnink2)提出了预测公式眩光复合材料的拉伸性能: 在哪里极限抗拉强度,抗拉屈服强度,拉伸模量,下标lam,玻璃钢表示层压制品,金属层,分别和纤维增强复合材料。

基于正交复合材料的特点,马et al。43)修改MVF理论,提出byVlot Gunnink,只适用于单向完了,进一步实现了预测眩光3/2复合材料的拉伸性能与0/0°和眩光3/2分层0/90°。相应的表达式如下: 在哪里是纤维的体积分数张力的方向,极限抗拉强度,抗拉屈服强度,拉伸模量,下标lam,玻璃钢表示层压制品,金属层,分别和纤维增强复合材料。

根据正交眩光层压制品的特点结合的混合法对复合材料弹性模,王et al。44)修改MVF理论的基础上,考虑纤维的性能的影响在两个平面的方向和准确地预测了弹性模量、屈服应力和抗拉强度的材料。分别派生的表达式如下: 在哪里抗拉屈服强度,极限抗拉强度,拉伸模量,是材料层的厚度。此外,下标lam和会见了表示层和金属层,分别和FRP1 FRP2表示方向的纤维层0°、90°,分别。MVF的参数, ,和可以计算如下: , ,和 。

MVF方法基于混合法可以预测件的拉伸性能。然而,由于金属层的弹塑性行为,弹性分析不能准确预测拉伸件材料的响应。因此,必须考虑完了的非弹性变形行为后,合金层产量。实现更精确的预测件的应力-应变响应和变形行为,分析和有限元模型考虑到塑料的评估行为产生后,固化后残余应力研究方向至关重要。

3.2。基于经典层压板理论抗拉强度计算

考虑MVF理论的不足,研究人员使用抗拉强度的经典层压板理论来解决。调查发现,主要步骤所需的抗拉强度的预测——基于薄板理论如下:(1)分析每一层的压力——基于经典层压板理论。上面的研究现状是解释说(2)确定材料的损伤状态使用材料的失效准则。分析完了每一层的故障情况,四大强度理论(最大张力、最大线性应变、最大主剪应力,和最大畸变能理论)用于金属层,和Tsai-Hill Tsai-Wu理论用于半固化片层(3)每层材料被认为失败了,材料性能的退化模式基于刚度退化准则进行了分析。当材料被认为是损坏在第二步中,材料的刚度退化可分为完全和不完全退化。目前,主要是使用不完全降解标准

有两个研究方向用于修改或扩展的经典层压板理论解决件的拉伸性能:(1)修正在层压板组成材料的本构关系(2)修正的退化形式组成材料层压板

现在的相关研究进行了讨论。拉伸性能的Ti / APC-2分层与不同纤维方向预测的议会和坎特维尔45]。预测复合材料在不同纤维方向的抗拉强度,经典层压板理论被考虑残余应力的影响,修改和Tsai-Hill的失效准则,Tsai-Wu,最大应力。然而,该模型没有考虑金属塑性阶段的影响。修改后的经典层压板理论如下: 在哪里的实际压力吗层的 - - - - - -复合试样的坐标系统,的残余热应力是吗层的 - - - - - -复合试样的坐标系统,的机械压力吗层的 - - - - - -复合试样的坐标系统,的刚度矩阵是吗层的 - - - - - -复合试样的坐标系统,层压板的中腔压力标本在吗 - - - - - -坐标系统,中腔的距离,曲率的吗 - - - - - -标本坐标系统。

眩光复合材料的拉伸应力-应变行为研究Iaccarino et al。46]。理论上预测层压板响应基于金属层的各向异性特征,经典薄板理论修改占铝的非弹性行为,由一个“等效”的材料代替由一个简单的本构定律。最大应变和Tsai-Hill标准被用作铝和玻璃纤维,最后失败条件。金属的等效本构关系可以表示如下: 在哪里是铝的弹性模量;是铝的等效模量,即OA线段的斜率图吗11;和是铝的泊松比。

陈和太阳47]描述了弹塑性应力-应变关系ARALL层基于经典层压板理论与适当的弹塑性模型的使用铝和建模ARALL层板均匀正交的弹塑性固体基于一个带三个参数的使用,塑性势函数。与实验结果比较表明,正交的塑性模型近似精确到1.2%的总应变,以及修改后的经典层压板理论被发现能够描述应力-应变曲线的失败。

眩光的非线性强度响应和断裂行为4和眩光5层压制品研究了吴、杨(42使用inplane加载)。提出了一个分析模型的基础上,修改经典薄板理论,结合弹塑性行为的铝合金预测眩光复合材料的应力-应变响应和变形行为。本构关系的层压板金属层的弹性和塑性状态如下,分别为: 在哪里每单位长度代表inplane力增量;每单位长度代表中腔应变增量;代表了在弹性条件下铝合金层的弹性张量;代表了塑性条件下铝合金层的弹性张量;和分别是金属和半固化片层的数量;和金属和半固化片层的厚度,分别;和刚度矩阵的半固化片层。

经典层压板理论(此时被卡瓦依应用等。48)来描述眩光2层压板的离轴非弹性行为。提出了一个不完整的刚度退化模型,考虑了玻璃纤维增强塑料层的横向失败导致一个瞬时横向退化和剪切弹性模基于活体供体。因此,眩光的特征变形行为2是准确地描述。不完整的刚度退化模型如下: 在哪里退化到一个新的 ,和其他参数为零。

议会和坎特维尔45]报道Ti / APC-2复合材料的拉伸性能在不同纤维方向和建议半固化片层的刚度退化与加载角有关。当加载角小于15°,退化刚度如下:

当加载角大于15°,退化刚度等于

一个通用的方法来描述材料的降解特性,提出了通过通et al。49),这是简单的,适合理论模型计算。当材料在断裂阶段,所示的MN部分曲线在图12,材料性能的退化过程可以被描述的理论模型,只要应力-应变曲线的方程。建议公式(33)应该用于拟合材料的应力-应变曲线接近指数变化和公式(34)时应该使用接近线性变化。此外,分布云图的应变强化实验得到的断裂之前,如图13。

无关的通用分析模型的配置层压板是由饶和Subba Rao50基于混合降解方案)。使用常数的模型提出了退化因素基于相邻叶片的状况。认为每个损坏的恶化的表现层与相邻板的状态有关。换句话说,当两个相邻薄层不损坏,损坏的板的性能会退化到70%。当只有一个相邻板损坏,它会退化到50%;当两个相邻薄层损坏,损坏的板的性能会退化到约0。

目前,抗拉强度的理论研究——主要是基于经典层压板理论。因为奶奶的复杂性,没有完善的理论体系来分析和计算件的抗拉强度。此外,层间性能件的抗拉强度的影响至关重要,不能被忽视。目前,经典层压板理论未能考虑层间性能的影响,并将进一步研究了考虑这种影响。

4所示。结论

在这项研究中,应力分析和介绍了件的抗拉强度。理论和实验方法的发展解决方案层压制品的残余应力进行了阐述。分析模型的应力分析中每一层的分层和相应的缺陷进行了分析。这两种类型的层压制品的抗拉强度分析模型和相应的缺陷进行了研究和讨论。

总之,媒人的基本力学性能的分析,残余应力和应力对每一层在一个自由的国家已经成熟发展。然而,以往的研究对相应的性能后,应力再分配并不认为房地产组成材料的降解效果。因此,进一步的研究在这方面是必要的。深入研究进行了拉伸性能——基于经典层压板理论;然而,只有有限的研究一直在进行分层的界面结合强度。界面结合强度静强度性能起着至关重要的作用。相应地,影响因素尚未确定。此外,抗压性能及其破坏机理——没有被充分研究,及相关研究工作考虑残余应力的抗压性能需要进一步发展。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号52005352),辽宁省博士启动基金(批准号2019 - bs - 198), Aero-Propulsion系统的振动与控制重点实验室,教育部,东北大学(没有。VCAME202007)和“幼苗培养”项目对年轻科技人才辽宁教育部门(没有。lnqn201908)。