复合材料与金属结构连接热应力有限元分析

Finite Element Analysis on Thermal Stress of the Connection Structure between Composite and Metal Sheet

作者: 魏洪中航工业第一飞机设计研究院，陕西西安 710089通讯作者. Tel.: 029-86832309 E-mail: 13609253856@163.com 郑茂亮中航工业第一飞机设计研究院，陕西西安 710089 范瑞娟中航工业第一飞机设计研究院，陕西西安 710089AVIC The First Aircraft Institute, Xi’an 710089,ChinaCorresponding author. Tel. : 029-86832309 E-mail: 13609253856@163.comAVIC The First Aircraft Institute, Xi’an 710089,ChinaAVIC The First Aircraft Institute, Xi’an 710089,China

Author: WEI Hong ZHENG Maoliang FAN Ruijuan

关键词：有限元;热应力;复合材料;金属结构;连接结构

Keywords：finite element;thermal stress;composite material;connecting structure;metal sheet

摘要：采用ABAQUS有限元算法，对复合材料和金属连接结构中的热应力进行了计算，研究了飞机初始装配温度和工作温度的温度差、复合材料壁板的铺层比例、连接螺栓的材料及螺栓的间距对连接结构中热应力的影响。研究结果表明：初始装配温度和工作温度的温度差越大，连接螺栓受载越大；增加复合材料层压板±45°方向的铺层，层压板应变增大，螺栓受力减小；相同螺栓直径，螺栓间距越大，连接结构的应力越大。>

Abstract：The thermal stress of the connection structure between composite and metal sheet was simulated by using ABAQUS finite element. The influences on the thermal stress of the connecting structure, in the condition of the temperature difference between the initial assembly temperature and the working temperature, the ratio of the composite material, the material and the spacing of the connecting bolts were studied. The results shows that the more is the temperature gradient between initial assembling temperature and working temperature, the higher is the thermal stress. When the ±45°ply orientation of composite material is increased, the thermal stress will be reduced;the more is bolt spacing, the higher is thermal stress.

中图分类号：V229, O343.6 文献标识码：A 文章编号：1007-5453（2015）09-0033-04

收稿日期：2015-05-20；退修日期：2015-08-10；录用日期：2015-08-18

引用格式：WEI Hong, ZHENG Maoliang, FAN Ruijuan. Finite element analysis on thermal stress of the connection structure between composite and metal sheet [J]. Aeronautical Science & Technology, 2015, 26(09): 33-36. 魏洪，郑茂亮，范瑞娟. 复合材料与金属结构连接热应力有限元分析 [J]. 航空科学技术, 2015, 26(09): 33-36.

碳纤维复合材料具有比模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、高断裂性、低蠕变等一系列优异性能，广泛用于航空、航天等高科技领域。碳纤维复合材料的大量应用，使它和金属的连接成为必然。然而，碳纤维复合材料的线膨胀系数远低于金属材料，二维碳纤维复合材料的热膨胀系数根据不同的温度区间一般在左右，三维的一般在左右，而大多数金属和合金的热膨胀系数根据不同的温度区间和组织形貌，一般均大于1×10-5K，这就使得碳纤维复合材料和金属的连接结构在工作温度发生变化时，产生一定的应力，这种由于材料的热膨胀系数不匹配而产生的应力，也称为热应力[1]。对热应力的分析是碳纤维复合材料和金属混合使用中需要解决的一个关键问题。

某型飞机襟翼盒段壁板为了减轻重量、提高比强度，使用了碳纤维复合材料，而襟翼的梁、肋，作为主承力结构和机构连接，使用了金属件，它们之间通过螺栓连接。通常，在室温下（环境温度为293.15K）对襟翼复合材料壁板和金属梁进行装配，而飞机的典型工作温度从218.15～343.15K，若用经典的热弹性理论计算热应力，需要建立３个平衡方程、６个协调方程和６个物理方程，极为复杂。因此，本文采用有限元软件ABAQUS进行热应力分析，只需建立复合材料件和金属件连接实体模型，采用主从接触算法[2]来模拟复合材料、金属、连接件之间的接触力。

1 有限元模型

1.1 计算模型及材料性能

复合材料层压板和金属板之间通过单排螺栓连接，这里选取其中的5个螺栓进行有限元建模，几何结构如图1所示。

图1 复合材料层压板和金属板连接结构 Fig.1 The connection structure of composite and metal sheet

螺栓与螺栓孔之间为理想配合，无间隙，无预紧力。选取合金钢、钛合金、铝合金３种材料模拟螺栓材料对热应力的影响；螺栓直径D取4mm、5mm、6mm三种规格，对应每种螺栓直径分别选取4D、5D、6D、7D、8D五种螺栓间距，模拟不同螺栓间距对热应力的影响。

金属板为铝合金，连接区宽度为30mm，厚度为3mm，具体材料参数如表1所示。

复合材料层压板为16层织物，材料牌号为QY8911/CF3031，单层厚度0.23mm，具体材料参数如表2所示。连接区宽度为30mm，为模拟复合材料层压板铺层顺序、铺层比例对热应力的影响，选取了4种铺层，如表3所示。

1.2 网格划分

表1 连接螺栓及金属板材料参数 Table 1 Bolt and metal material property parameters

表2 复合材料层压板材料参数 Table 2 Composite material property parameters

表3 复合材料层压板铺层 Table 3 The ply orientation of composite material

选用实体单元C3D8I（三维8节点非协调模式单元）划分网格，划分的有限元网格如图2所示。

1.3 边界条件及载荷施加

为了消除模型整体的刚体位移，在左端施加固支约束，如图3所示。

初始工作温度为293.15K，模型整体受热载，且暴露在热环境下的时间足够，导热时间足够，当工作温度发生变化时，结构内部温度均匀。

图2 有限元模型 Fig.2 The finite element model

图3 模型载荷与约束 Fig.3 The load and boundary of model

为了真实模拟连接螺栓和螺栓孔的相互作用，在金属板和复合材料层压板之间、金属板和连接螺栓之间、复合材料层压板和连接螺栓之间建立接触关系，如图4所示。

图4 复合材料层压板、金属板、连接螺栓之间的接触 Fig.4 The contact region between composite, metal and bolt

2 数值计算结果与分析

2.1 温度对热应力的影响

选取合金钢螺栓，螺栓直径为5mm，螺栓间距为30mm，螺栓端距为30mm，连接区长度为180mm，复合材料层压板选用第1种铺层，初始装配温度为293.15K，分别计算工作温度343.15K和218.15K时，复合材料层压板和金属板连接区结构变形，计算结果如图5所示。

当飞机工作温度降低到218.15K时，金属板受冷收缩，而复合材料层压板基本不变，连接结构产生向金属板方向弯曲变形；当飞机工作温度升高到343.15K时，金属板受热膨胀，同样复合材料层压板基本不变，连接结构产生向复合材料层压板方向弯曲变形。

图5 复合材料板和金属板连接结构变形示意图 Fig.5 The deformation diagram for the connection struction of composite and metal sheet

不同工作温度下连接螺栓受力如图6所示。可以看出，温度差越大，螺栓受载越大，呈线性变化。

2.2 复合材料铺层对热应力的影响

选取合金钢螺栓，螺栓直径为5mm，螺栓间距为30mm，螺栓端距为30mm，连接区长度为180mm，初始装配温度为293.15K，工作温度为343.15K，改变复合材料层压板的铺层顺序和铺层比例，得到层压板的应变云图如图7所示。连接螺栓受力如表4所示。

图6 不同工作温度下连接螺栓受力 Fig.6 The bolt load on different working temperature

图7 复合材料层压板不同铺层对应的上表面应变云图 Fig.7 The strain contours of different composite ply orientation

表4 复合材料层压板不同铺层连接螺栓受力 Table 4 The bolt load of different composite ply orientation

当复合材料层压板的铺层顺序、铺层比例发生变化时，层压板的模量、波松比会相应的发生改变，继而影响连接结构中的热应力。结果表明，减少±45°方向的铺层，复合材料层压板应变降低，螺栓受力增大；增加±45°方向的铺层，复合材料层压板应变增大，螺栓受力减小。

2.3 螺栓材料对热应力的影响

螺栓直径为5mm，螺栓间距为30mm，螺栓端距为30mm，连接区长度为180mm，复合材料层压板选用第1种铺层，初始装配温度为293.15K，工作温度293.15K～343.15K，分别选取合金钢螺栓，钛合金螺栓，铝合金螺栓，计算得到螺栓受载如图8所示。金属板下表面的应力云图如图9所示。

图8 不同螺栓材料对螺栓受力的影响 Fig.8 The bolt load of different material

图9 不同螺栓材料对应的金属板下表面的应力云图（工作温度34.15℃）Fig.9 The strain contours of different bolt load

从图8、图9中可以看出，螺栓材料对连接区热应力的影响，主要是因为螺栓材料的不同弹性模量，螺栓材料弹性模量越大，螺栓受载越大，金属板上连接区的应力越大。

2.4 螺栓间距对热应力的影响

选取合金钢螺栓，复合材料层压板选用第1种铺层，初始装配温度为293.15K，工作温度343.15K，分别选取螺栓直径D为4mm、5mm、6mm，螺栓间距为4D、5D、6D、7D、8D，计算得到螺栓受载如图10所示。金属板上应力云图如图11所示。可以看出，相同螺栓直径，螺栓间距越大，螺栓受载越大，金属板上的应力越大；相同螺栓间距，螺栓直径越大，螺栓受载越大。

图10 螺栓间距对螺栓受力的影响 Fig.10 The bolt load of different spacing

图11 不同螺栓间距对应金属板下表面应力云图 Fig.11 The strain contours of different bolt spacing

3 结束语

利用有限元软件ABAQUS，建立了复合材料层压板、金属板、连接螺栓实体模型，并采用主从接触算法，计算了连接区结构中，由热膨胀系数差引起的热应力，分析了初始装配温度和工作温度的温度差、复合材料铺层比例、螺栓材料、螺栓间距等因素对热应力分布的影响，其影响规律可以为结构设计中复合材料铺层顺序、螺栓的合理选择及优化提供参考。

参考文献

[1]解思适，王世伟，成万植，等．飞机设计手册（第九册）[M]．北京：航空工业出版社，2003．

XIE Sishi, WANG Shiwei, CHENG Wanzhi, et al. The manual for airframe design (vol. 9) [M]. Beijing: Aviation Industry Press, 2003. (in Chinese)

[2]庄茁，张帆，岑松，等．ABAQUS非线性有限元分析与实例[M]．北京：科学出版社，2004．

ZHUANG Zhuo, ZHANG Fan, CEN Song, et al. ABAQUS non-linear finite element analysis and example[M]. Beijing: Science Press, 2004. (in Chinese)