(1. 北京航空航天大学宇航学院 北京 100191;
2. 北京空间技术研制试验中心 北京 100094;
3. 北京航空航天大学固体力学研究所 北京 100191)
摘要:在航空航天飞行器结构中,由于重量和功能的要求,出现大量由金属与复合材料相连的连接结构,铆接是其中的一种常用连接方式。当这种连接结构长期承受某一外载荷作用时,由于钉孔处存在应力集中,在铆接处局部区域的金属材料和复合材料都承受较大应力,使其存在严重的应力腐蚀。当这种铆接结构处于恶劣环境如盐雾环境下时,又会在铆接部位产生盐雾腐蚀。应力腐蚀和盐雾腐蚀都会导致铆接部位材料的力学性能的退化,从而影响连接结构的强度和刚度,因此,建立金属与复合材料铆接结构在应力腐蚀与盐雾腐蚀作用下力学性能变化规律分析模型,对于评估该类连接结构的使用寿命非常重要。
由于本问题的研究涉及到两类材料以及两种腐蚀,因此分析起来比较复杂。首先拟将问题分成四个方面来考虑,即虑金属材料的应力腐蚀和盐雾腐蚀、复合材料的应力腐蚀和盐雾腐蚀。对于金属材料的应力腐蚀和盐雾腐蚀问题,我们先分别对金属在应力腐蚀和盐雾腐蚀条件下建立各自损伤演化方程,通过耐久性实验,来分别识别两种环境下的损伤演化方程参数。又因为金属在实际情况下是受到应力腐蚀、盐雾腐蚀共同作用的结果,盐雾本身会加速材料的老化,加速应力腐蚀对结构影响,所以最后建立金属在应力和盐雾耦合下的损伤演化方程。对于复合材料的应力腐蚀和盐雾腐蚀问题,复合材料连接部分破坏模式主要是纤维断裂和基体开裂。纤维损伤对应纤维断裂失效模式,基体损伤对应基体开裂失效模式,两种损伤同时存在,独立演化,因此需要分别建立纤维和基体的损伤演化模型。我们同样首先建立纤维和基体分别在应力和盐雾单独作用下的损伤演化方程,最后考虑应力和盐雾的耦合作用,建立纤维和基体在应力和盐雾耦合下的损伤演化方程。
对于考虑应力腐蚀和盐雾腐蚀共同作用下的金属与复合材料连接结构,因为金属和复合材料在腐蚀影响下的力学性能退化,势必会引起连接结构力的重新分配,从而影响连接结构中各部分的损伤效应,故而我们引入金属与复合材料在应力和盐雾耦合下的损伤演化方程,通过数值解法,来研究连接结构在两种腐蚀环境下随着时间发展的力学性能变化规律,进而可以评估该类连接结构的使用寿命。
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