服役状态CFRP/钛合金复合构件干涉连接界面微动行为及损伤机理

In recent years, CFRP/titanium alloy composite structure are used in the field of aviation and aerospace more and more widely. The failure region of this structure is mainly concentrated on the connection interface. Although the interference fit can effectively improve the fatigue property and sealing performance of the interface It is very easy to produce fretting wear, fatigue, cracks and other problems in service and seriously damage the health service state of CFRP/titanium alloys composite structures..This project, taking the CFRP/titanium alloy interference-fit composite structure as the object, explores the influence of service states, including the load, vibration, and temperature etc, on the fretting mechanical behavior, the fretting friction law, the fretting wear, the variation of surface roughness, the fretting fatigue process law and the failure mode. Then we will build the interface fretting mechanical and friction model to establish the fretting fatigue life prediction method for the fatigue life of CFRP/titanium alloy interference-fit interface based on the robust design and to optimize the composite structure. All above will provide the critical basic theories and methods for the CFRP/titanium alloy composite component structure design. The research findings of this project has remarkable scientific significance and widely useful value to support the safely and reliably application of CFRP/titanium alloy composite structures in the field of aviation and aerospace.

近年CFRP/钛合金复合结构在航空、航天领域应用越来越广泛，其失效部位主要集中在连接界面，虽然干涉连接能有效提高界面的疲劳和密封性能，但在服役过程中干涉连接界面极易产生微动磨损、疲劳、裂纹等问题，严重影响CFRP/钛合金干涉界面的健康服役。.本项目以CFRP/钛合金干涉连接复合结构为对象，探索负载、振动、温度等服役状态对CFRP/钛合金干涉连接界面微动力学行为、微动摩擦作用规律、微动磨损及其表面粗糙度演变规律、微动疲劳损伤规律和损伤模式等，构建界面微动力学模型和摩擦力学模型，从而建立面向疲劳寿命稳健性的CFRP/钛合金干涉连接界面微动疲劳寿命预测方法，实现CFRP/钛合金干涉连接复合构件的优化设计，为CFRP/钛合金复合构件干涉连接新结构更加健康服役的设计制造决策提供所需的基础理论与方法。本研究对支撑CFRP和钛合金在航空、航天等领域的安全、可靠使用具有重要的科学意义和应用价值。

近年CFRP/钛合金复合结构在航空、航天领域应用越来越广泛，其失效部位主要集中在连接界面，虽然干涉连接能有效提高界面的疲劳和密封性能，但在服役过程中干涉连接界面极易产生微动磨损、疲劳、裂纹等问题，严重影响CFRP/钛合金干涉界面的健康服役。.本项目围绕CFRP/Ti合金干涉连接界面微动行为及损伤机理进行研究，探索了干涉量与界面损伤类型之间的关系，分析了动态载荷下干涉构件微动行为，揭示了CFRP/Ti合金干涉构件微动幅值、力学特性的演化规律及损伤机理，探明了微动过程中各区域界面微动摩擦磨损特性（CFRP/Ti合金接触、Ti/Ti接触），揭示了干涉界面微动磨损机理。项目重要研究结果如下：.(1) 揭示了干涉连接过程CFRP/Ti合金界面损伤机理。基体压缩、纤维-基体剪切断裂以及纤维压缩是CFRP主要的损伤形式，CFRP/Ti结构件的拉伸强度、微动疲劳寿命随着干涉量的增加呈现先增大后减小趋势，结构件的干涉量处于1.2~2.1%区间时，具有较好的拉伸强度及微动疲劳寿命，且具有最优干涉量的结构件相比无干涉情况寿命可以提高2~4倍。.(2) 揭示了微动环境下CFRP/钛合金干涉连接界面摩擦作用规律。干涉量、循环载荷水平影响CFRP/Ti合金干涉构件的微动幅值，干涉1.2%时结构件幅值变化趋势最为稳定，干涉构件在受载时存在孔周应力的释放，削弱了循环载荷作用下冲击影响，从而有效减缓构件裂纹萌生及扩展的速率，提高了构件疲劳寿命。.(3) 探明了微动摩擦过程CFRP/Ti合金界面磨损及粗糙度演变规律。微动幅值、载荷、纤维方向、温度、频率对摩擦系数的影响依次减小，温度以及微动幅值对于微动摩擦系数演化起到关键作用：温度改变界面材料属性，而微动幅值决定了界面微动模式（低幅值下为微动疲劳，较大幅值则为微动磨损）。.(4) 探明了微动疲劳为干涉域内CFRP及Ti合金的主要损伤机理，而微动磨损加速了构件微动疲劳损伤。小干涉量下，构件失效主要由CFRP控制并呈现出两种机制，碳纤维主要是表面“抛光”式磨损+纤维剪切断裂，基体则主要是基体疲劳开裂并在切向力的作用下破碎成细小颗粒；而高干涉量下，构件失效由Ti合金螺栓疲劳断裂控制。.(5) 基于小干涉量与高干涉量条件下CFRP/Ti合金损伤形式的差异，建立了CFRP/Ti合金干涉连接构件微动疲劳寿命分段预测模型，为异质叠层结构疲劳寿命预测提供了一种新思路。