毛化连接的细观力学分析

刘湘云1，陈普会1，马维2，王西昌3

(1.南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏 南京210016）

(2.沈阳飞机设计研究所 ,辽宁 沈阳 110035）

(3.北京航空制造工程研究所，北京100024)

采用三维细观有限元模型，研究了复合材料-金属毛化连接区域的力学性能。通过在模型中引入保证单胞边界面的应力和位移周期连续的边界条件，分析了毛刺高度、毛化密度及复合材料铺层顺序对毛化区域弹性力学性能的影响。分析结果表明，毛刺分布密度越大毛化区域弹性模量越大，毛刺高度较小时毛化区域面内弹性模量较大、剪切模量较小，90°铺层比例对毛化区域弹性力学性能影响较大。研究表明，通过参数设计可获得较好的毛化连接属性。复合材料-金属毛化连接与传统的连接不同，它采用电子束毛化技术进行连接［1-2］，既能够充分发挥复合材料的整体性能，避免开孔引起的应力集中问题，又能够传递较大的载荷。  

电子束毛化技术可以根据需要在金属材料表面定制不同形貌(如几何形状、尺寸大小、倾斜角度、分布密度等)的毛刺。毛化连接是利用电子束毛化技术对金属件进行表面处理，毛化成所需要的表面形貌，然后将金属件与复合材料件通过加温加压共固化得到接头。

    英国焊接研究所进行了毛化接头与传统胶接接头的对比试验［3］，试验结果表明，毛化接头能够承受更大的载荷，且在接头失效之前能够吸收更多的能量。Guild、Tu等采用二维代表体积元(RVE)［4］和三维子模型分析了毛刺高度、形状以及毛刺密度、分布对复合材料区域应力集中大小及位置的影响［5］。曹正华等将电子束毛化表面处理与传统表面处理进行了对比试验，分析了毛化接头的失效机理［6］。总体来说，目前国内外关于毛化接头的研究非常少，仍处于探索阶段。

    本文采用细观力学分析方法, 通过建立毛化接头毛化区域周期性单胞的三维有限元分析模型, 提出一种预测单胞弹性模量的方法，用于分析毛化参数对毛化区域单胞弹性力学性能的影响，为毛化参数的选取提供依据。

1毛化连接细观有限元分析

1.1细观有限元建模

    毛化接头包括1~3号共3个组件，如图1所示，图中单位为mm。毛化接头是在1号金属件的搭接面上制出毛刺，与2号复合材料件铺层压实后加温加压共固化成形。毛刺为底边长约1mm、厚度约为0.2mm的直角三角形，相邻两列毛刺交错排列。金属表面形貌及毛化区域剖面如图2，3所示。

图1毛化接头的几何构型与尺寸

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作者简介：刘湘云(1990—)，女，江苏南通人，南京航空航天大学硕士研究生，主要研究方向为飞行器设计。
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