含缺陷玻璃纤维增强铝合金层板的拉伸失效行为研究

作     者：张继鹏 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：博士

导师姓名：张嘉振

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：玻璃纤维增强铝合金层板(Glare) 孔 裂纹 力学响应 损伤过程 钛合金强化 

摘      要：玻璃纤维增强铝合金层板(Glare)在空客A380主承力结构中的成功应用展现了其作为下一代首选航空材料的潜力。由于飞机结构件在设计和服役过程中不可避免地会引入缺陷(或损伤),包括因结构连接需求而产生的孔状缺陷以及因外物撞击而产生的裂纹型缺陷,为此从损伤容限设计角度出发,开展含缺陷Glare层板的失效行为研究将具有重要的工程和科学意义。虽然目前针对该问题已进行了一些相关研究,但由于该问题的复杂性,有关偏轴拉伸条件下含孔Glare层板的失效机理和偏轴角与尺寸效应的耦合作用问题,以及金属层厚度和体积分数对含裂纹Glare层板裂纹稳态扩展行为的影响等问题仍未得到合理地解决。为此本文采用实验和数值方法对这些问题进行了分析研究,从而可为Glare层板的应用和损伤容限设计提供合理化的技术支持。为了研究偏轴拉伸载荷作用下含孔Glare层板的失效机理并进而阐述其力学响应随偏轴角变化规律产生的原因,本文对含孔Glare层板进行了不同偏轴角条件下的拉伸测试,并建立了考虑热残余应力的有限元分析模型。结合实验以及有限元损伤云图和损伤单元数量统计结果发现,偏轴拉伸条件下含孔Glare层板中次临界损伤的充分发展可以延缓纤维的断裂,并且即使承受拉-剪耦合应力作用其失效仍然表现为拉伸主导模式,但控制方式转变为铝合金控制。另外,考虑到Glare层板的失效行为主要与铝合金和玻璃纤维复合材料(GFRP)的贡献比例有关,本文借助有限元的历史变量输出,从能量角度对偏轴拉伸条件下含孔Glare层板的力学响应和损伤行为进行了更为直观的阐述。鉴于含孔复合材料层板具有显著的尺寸效应,本文通过对宽度恒定和径/宽比恒定两种条件下的含孔Glare层板进行偏轴拉伸测试,分别研究了孔径和试验件尺寸对Glare层板开孔强度和开孔敏感性的影响,并重点探讨了二者与偏轴角之间的耦合作用关系。基于偏轴拉伸含孔Glare层板的失效机理,从偏轴加载模量保留率和应变增加比例角度阐述了宽度恒定条件下孔径与偏轴角之间的耦合效应。径/宽比恒定时试验件尺寸与偏轴角之间耦合效应产生的原因同样与此两个因素有关,同时基于有限元模型的组分材料内能、弹(塑)性应变能和次临界损伤耗能分析也为该耦合效应的揭示提供了充足的证据。考虑到目前关于铝合金厚度和组分材料体积分数对含裂纹Glare层板断裂行为的影响仍未明确地剥离出来,本文通过设计六种不同结构的含裂纹Glare层板并对其开展准静态拉伸测试,实现了单独考察此两个因素对含裂纹Glare层板抵抗裂纹扩展能力和剩余强度影响的目的,尤其是分析了二者对含裂纹Glare层板裂纹稳态扩展行为的影响。铝合金厚度的影响主要体现在其自身断裂韧性方面,而组分材料体积分数的影响与GFRP层的延迟断裂特征有关,其中后者由损伤过程分析进行了证实。在实验基础之上,以原始裂尖5mm标距内的裂纹张开位移(?)为断裂参数,结合结构完整性评定方法、Tsai-Paris法和叠加原理建立了含裂纹Glare层板的剩余强度预报方法,预报结果与实验结果吻合较好。在前面研究基础上,以提高Glare层板损伤容限性能并兼顾轻量化的需求为目的,通过将标准Glare层板的中间铝合金层替换为具有高模量和高屈服强度优势的钛合金,提出了一种钛合金原位强化型Glare层板(TR-Glare)。通过开展含孔TR-Glare层板的拉伸实验和有限元能量分析发现,钛合金起到的分担载荷作用和缓解纤维断裂作用是促使其产生强化效果的主要原因。钛合金的这种强化作用同样也在含裂纹TR-Glare层板中得到了体现,另外通过改进本文建立的含裂纹Glare层板剩余强度预报方法,同样实现了对含裂纹TR-Glare层板剩余强度的预报。