復(fù)合材料層合板螺栓連接強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)研究

王曉俠 方 超 張 亮 張 成 岳永威

1海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局，上海 201913

2哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

3哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

復(fù)合材料層合板螺栓連接強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)研究

王曉俠1方 超2張 亮3張 成3岳永威2

1海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局，上海 201913

2哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

3哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

通過對不同預(yù)緊力下艦船復(fù)合材料層合板單剪連接和雙剪連接兩種結(jié)構(gòu)形式的靜拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，考核了復(fù)合材料層板螺栓連接處的強(qiáng)度特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：雙剪連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨著預(yù)緊力的增大而增大。而在單剪連接結(jié)構(gòu)中，一定范圍內(nèi)的預(yù)緊力可以增加連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，過大的預(yù)緊力會使其連接強(qiáng)度減小。通過對以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，認(rèn)為預(yù)緊力對板的側(cè)向約束限制并延緩了局部開裂和分層是預(yù)緊力增加螺栓連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要原因。

復(fù)合材料層合板；螺栓連接；單剪連接；預(yù)緊力；強(qiáng)度

1 引言

復(fù)合材料由于具有比剛度、比強(qiáng)度高，抗腐蝕性好，鋪層可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、造船、建筑等領(lǐng)域中。復(fù)合材料應(yīng)用時由于工藝水平的限制和使用維修等方面的需要大多數(shù)采用螺栓連接，螺栓連接區(qū)域是復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域。實(shí)際應(yīng)用表明，在飛機(jī)的各種故障中，75%～80%的破壞發(fā)生在機(jī)體結(jié)構(gòu)的零件連接部位上［1－4］，此外，大型地面雷達(dá)罩和艦船雷達(dá)罩因連接處強(qiáng)度不足而破壞的例子屢見不鮮。因此，開展復(fù)合材料層合板螺栓連接的強(qiáng)度研究對復(fù)合材料層合板的工程應(yīng)用具有重要意義。

由于對減輕重量的要求不高，艦船上采用的復(fù)合材料層合板一般較厚，且通常采用單剪連接，和航空領(lǐng)域復(fù)合材料層合板的應(yīng)用差異較大。航空領(lǐng)域中，一些學(xué)者對復(fù)合材料薄板的雙剪連接開展了大量的研究工作，而對厚板單剪連接的研究極為罕見。預(yù)緊力是復(fù)合材料螺栓連接的重要參量，國內(nèi)外已有一些學(xué)者研究了預(yù)緊力對螺栓連接強(qiáng)度的影響，然而，由于復(fù)合材料層合板力學(xué)性能的復(fù)雜性，已發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)差異較大。此外，由于實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高昂，可得到的復(fù)合材料接頭實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)依然較少。本文開展了不同預(yù)緊力下復(fù)合材料層合板單剪連接和雙剪連接兩種結(jié)構(gòu)形式的靜拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究了單剪連接和雙剪連接力學(xué)性能的差別及預(yù)緊力對連接強(qiáng)度的影響，為復(fù)合材料的工程應(yīng)用提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)概況

本靜拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的試件材料為玻璃布／環(huán)氧樹脂，材料參數(shù)為 E1＝12 GPa、E2＝10 GPa、E3＝6.6 GPa、 n12＝ 0.14、 ν13＝ 0.25、 ν23＝ 0.25、 G12＝ 2.5 GPa、G13＝ 1.5 GPa、G23＝1.5 GPa。 其中，標(biāo)號 1 代表縱向、標(biāo)號2代表橫向、標(biāo)號3代表法向。試件具體尺寸如圖1所示，其中板厚H取為10 mm，開孔直徑D取為21 mm，為消除復(fù)合材料層合板端距和邊距對強(qiáng)度的影響，取試件端距E／D＝2.5、邊距 W／D＝ 2.5。

實(shí)驗(yàn)在美國Instron公司生產(chǎn)的Fast Track8800電液伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試件與實(shí)驗(yàn)機(jī)采用夾具連接，為研究復(fù)合材料層合板單剪連接和雙剪連接力學(xué)性能的差別，本文共設(shè)計(jì)了2種夾持方式，如圖2所示。圖2a中的夾持方式用于模擬雙剪連接，此時螺栓較大的預(yù)緊力作用在壓板上，壓板和復(fù)合材料試件的接觸面積較大，使復(fù)合材料的應(yīng)力集中相對較小；圖2b中的夾持方式用于模擬單剪連接，壓板和試件之間加入墊片后，由于墊片和試件接觸面積較小，螺栓較大的預(yù)緊力就通過墊片直接傳遞到復(fù)合材料試件上，產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，和單剪連接的受力特性相似。實(shí)驗(yàn)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB1447進(jìn)行，拉伸速率取為2 mm／min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

針對單剪和雙剪兩種連接形式分別開展了0 N·m、100 N·m、200 N·m 3 種擰緊力矩的靜拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中每種工況均進(jìn)行2次實(shí)驗(yàn)，采用AC型扭力扳手施加擰緊力矩，0 N·m擰緊力矩采用手動擰緊。

2.1 載荷位移曲線

圖3所示為各工況下試件的載荷位移曲線，從圖3a和圖3b可以看出，在試件的初始拉伸階段，試件位移逐漸增大而載荷卻沒有明顯增加，這主要是由于試件的擰緊力矩為0 N·m，且試件和螺栓為間隙配合，此時實(shí)驗(yàn)機(jī)的拉伸主要使螺栓和試件孔壁逐漸接觸，因此載荷沒有明顯增加。從圖3c～圖3f可以看出，試件載荷在拉伸的初始階段就迅速增大，然后載荷穩(wěn)定而位移逐漸增大，這主要是由于此4種工況承受較大的擰緊力矩，試件和壓板之間產(chǎn)生的摩擦力較大，試件拉伸之初需克服此摩擦力，因此載荷突然增大而試件并沒有相對滑動，待載荷增大到超過試件摩擦力時，試件產(chǎn)生滑動，使螺栓和試件孔壁逐漸接觸，此過程中試件的載荷約等于穩(wěn)定的摩擦力，僅位移發(fā)生較大變化。200 N·m擰緊力矩比100 N·m擰緊力矩工況的初始載荷大，這是因?yàn)檩^大的預(yù)緊力會產(chǎn)生較大的摩擦力，導(dǎo)致拉伸載荷較大。從圖3可以看出，待螺栓和試件孔壁完全接觸后，載荷基本隨位移線性增加，在增加的過程中，伴隨著多次載荷的微小突降，且載荷每次突降時均可聽到 “啪啪”的基體開裂聲，但此時沒有影響試件的整體強(qiáng)度，載荷微小突降后繼續(xù)隨位移線性增加。隨著試件的繼續(xù)拉伸，可頻繁聽到“啪啪”的響聲，此后載荷迅速下降，由于試件的端距和邊距較大，試件仍有一定的承載能力，但承載較原試件有較大降低，可視為試件已經(jīng)破壞。

2.2 破壞強(qiáng)度及破壞位移

各工況下試件的破壞強(qiáng)度和破壞位移的平均

值如表1所示，表中破壞強(qiáng)度σp的定義為：式中，Pmax為破壞載荷；D為孔徑；H為試件板厚。破壞強(qiáng)度和破壞位移隨預(yù)緊力的變化曲線分別如圖4、圖5所示。

表1 試件破壞強(qiáng)度及破壞位移Tab.1 Failure strength and displacement of experimental parts

由表1和圖4、圖5可知，在0 N·m和100 N·m擰緊力矩下，單剪連接試件和雙剪連接試件的破壞強(qiáng)度及破壞位移差別較小，而擰緊力矩為200 N·m時，單剪連接試件的破壞強(qiáng)度和破壞位移比雙剪連接試件均有較大幅度下降，這主要是由于單剪連接時較大的預(yù)緊力直接作用于復(fù)合材料層合板上，使復(fù)合材料層合板產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，此處的壓應(yīng)力接近材料的壓縮強(qiáng)度，使復(fù)合材料層合板出現(xiàn)了基體開裂現(xiàn)象，產(chǎn)生了初始損傷，此外，這種較大的壓應(yīng)力加劇了拉伸時的應(yīng)力集中，進(jìn)而使破壞載荷和破壞位移下降明顯。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在單剪連接結(jié)構(gòu)中，一定范圍內(nèi)的預(yù)緊力可以增加連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，而過大的預(yù)緊力會使其連接強(qiáng)度減小，因此當(dāng)復(fù)合材料層合板采用單剪連接結(jié)構(gòu)時，要慎重選擇所施加的擰緊力矩，施加的擰緊力矩所產(chǎn)生的應(yīng)力值以不超過工程設(shè)計(jì)中的許用應(yīng)力為宜。

從圖4、圖5還可以看出，雙剪連接時，試件的破壞強(qiáng)度和破壞位移均隨著預(yù)緊力的增大而增大，但200 N·m擰緊力矩試件比100 N·m擰緊力矩試件的增加值較小，說明擰緊力矩增大到一定程度后則對螺栓連接結(jié)構(gòu)的靜拉伸強(qiáng)度影響不大。國內(nèi)外已有不少學(xué)者對預(yù)緊力能提高螺栓連接強(qiáng)度做出了解釋，認(rèn)為預(yù)緊力使結(jié)構(gòu)連接處應(yīng)力集中趨于緩和。此外，預(yù)緊力對板的側(cè)向約束限制并延緩了局部開裂和分層［5－8］。筆者認(rèn)為后者是預(yù)緊力提高結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度的主要因素，從圖3可知，有擰緊力矩試件第1次基體開裂對應(yīng)的載荷明顯大于無擰緊力矩試件的載荷，且其破壞位移也較無擰緊力矩的試件大，因此，有理由認(rèn)為預(yù)緊力對局部開裂和分層的抑制使破壞位移增大，進(jìn)而提高了連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。與此相反，試件在高預(yù)緊力下，壓板與復(fù)合材料層合板較大的接觸面積使預(yù)緊力對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中趨于緩和，預(yù)緊力僅在結(jié)構(gòu)被拉伸的過程中限制受擠壓孔的擴(kuò)張，這種限制作用會使孔壁處的受力特別復(fù)雜，甚至可能會導(dǎo)致應(yīng)力集中的加劇，下文將采用數(shù)值方法具體研究預(yù)緊力對復(fù)合材料層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的影響。

2.3 復(fù)合材料層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算

本文采用ANSYS軟件模擬復(fù)合材料層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)［9－11］，其計(jì)算模型為實(shí)驗(yàn)中的雙剪連接模型。為精確模擬實(shí)驗(yàn)中層合板在拉力作用下的響應(yīng)，本文采用了實(shí)體建模技術(shù)，有限元模型中忽略了螺紋對螺栓的削弱作用，用光滑圓柱代替螺栓。建模中采用SOLID45單元模擬復(fù)合材料層合板，采用PRETS179單元模擬螺栓的預(yù)緊力，螺栓與試件孔壁之間、試件和壓板之間、壓板和螺母之間采用接觸單元TARGE170和CONTA174模擬，接觸對間的摩擦系數(shù)取為0.15。螺栓連接的有限元模型如圖6所示。

通過計(jì)算可得不同預(yù)緊力下復(fù)合材料層合板的應(yīng)力云圖如圖7所示，層合板最大應(yīng)力隨預(yù)緊力的變化曲線如圖8所示。從圖7、圖8可以看出，在拉力作用下，無預(yù)緊作用的復(fù)合材料層合板孔邊應(yīng)力的影響范圍比有預(yù)緊作用的層合板大，而復(fù)合材料層合板最大應(yīng)力卻隨預(yù)緊力的增大而增大。由此可知，預(yù)緊力在結(jié)構(gòu)被拉伸的過程中限制了受擠壓孔的擴(kuò)張，這種限制作用加劇了層合板的應(yīng)力集中，這也進(jìn)一步證明預(yù)緊力有限制并延緩局部開裂和分層的作用，是提高螺栓連接強(qiáng)度的主要因素。

3 結(jié) 論

本文開展了不同預(yù)緊力下復(fù)合材料層合板單剪連接和雙剪連接兩種結(jié)構(gòu)形式的靜拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)分析了實(shí)驗(yàn)的載荷位移曲線，通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可得到的結(jié)論及建議如下：

1）載荷基本隨位移線性增加，在增加的過程中，伴隨著多次基體開裂導(dǎo)致的載荷突降，但基體開裂不會影響試件的整體強(qiáng)度，載荷微小突降后繼續(xù)隨位移線性增加。

2）雙剪連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨著預(yù)緊力的增大而增大，而在單剪連接結(jié)構(gòu)中，一定范圍內(nèi)的預(yù)緊力可以增加連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，過大的預(yù)緊力會使其連接強(qiáng)度減小，因此，當(dāng)復(fù)合材料層合板采用單剪連接結(jié)構(gòu)時，建議采用中等擰緊力矩。

3）預(yù)緊力在結(jié)構(gòu)被拉伸的過程中限制了受擠壓孔的擴(kuò)張，這種限制作用加劇了層合板的應(yīng)力集中，而沒有使應(yīng)力集中趨于緩和，因此，預(yù)緊力限制并延緩了局部開裂和分層是提高螺栓連接強(qiáng)度的主要因素。

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An Experimental Study on Bolts Connection Strength of Composite Laminated Boards

Wang Xiao－xia1 Fang Chao2Zhang Liang3 Zhang Cheng3Yue Yong－wei2
1 Military Representative Office in Shanghai District，Naval Armament Department， Shanghai 201913，China
2 College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University， Harbin 150001，China
3 College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

In this paper，the static tensile－strength experiments of warship composite boards were done in both single and double shear connection forms under different pre－tightening forces，in which the connection strength characters of composite boards were assessed.The results indicate that the connection strength of double shear structure increases with the addition of pre－tightening force， while in single shear structure， it may be increased by a given range of pre－tightening force， but excessive level of pretightening force will reduce the connection strength.Through the analysis based on the experiment phenomena， the conclusions are drawn that added connection strength of bolt due to pre－tightening forces increasing is mainly attributed to the boards lateral restrain reduced by pre－tightening force limits and delay of local dehiscence and stratification.

composite board； bolt connection； single shear connection； pre－tightening force； strength

U661.72

A

1673－3185（2011）03－88－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.03.019

2010-07-26

海軍武器裝備預(yù)先研究項(xiàng)目（401030101）；國防科技合作項(xiàng)目（2007DFR80340）；船舶科技預(yù)研基金（07J1.1.6）

王曉俠（1962－），男，高級工程師。研究方向：船舶總體與系統(tǒng)。

方 超（1984－），男，碩士研究生。研究方向：艦船總體與系統(tǒng)。E-mail：fangchaoboy＠163.com