復(fù)合材料超差孔的承載強(qiáng)度與孔失效特性

李翔 劉海濤 張凌虎

摘 要：在復(fù)合材料零件的實(shí)際制造裝配過程中常常需要打孔進(jìn)行機(jī)械連接，由于人工操作不當(dāng)或者精度達(dá)不到要求等因素會使得螺栓孔偏大造成裝配零件超差現(xiàn)象。該實(shí)驗(yàn)描述了通過制造碳纖維預(yù)浸料試板進(jìn)行螺栓搭接。將試驗(yàn)板鉆孔偏大至超差現(xiàn)象，然后用相同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行連接后進(jìn)行組合試驗(yàn)板拉伸試驗(yàn)。觀測結(jié)果表明，復(fù)合材料孔擠壓失效可以概括為一個壓縮損傷積累的過程，可以分為以下四個階段：損傷發(fā)生；損害增長；纖維斷裂；結(jié)構(gòu)性裂縫。結(jié)構(gòu)孔失效的主要特性包括纖維受壓、基體開裂、分層和平面剪切開裂這四種情況。結(jié)構(gòu)孔強(qiáng)度和失效模式也應(yīng)該取決于橫向約束和基于不同的聚合物基質(zhì)的分層的“韌性”。

關(guān)鍵詞：超差孔 復(fù)合材料 膠黏劑

中圖分類號：TB32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（c）-0060-02

1 孔超差對零件的影響

眾所周知，零件的可靠性和耐久性是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)師必須考慮的一個很重要的環(huán)節(jié)；復(fù)合材料商務(wù)飛機(jī)更是如此。如何保證飛機(jī)在行駛中的安全？保證飛機(jī)的安全就是保護(hù)人類的生命，復(fù)合材料商務(wù)機(jī)在當(dāng)今世界已經(jīng)被廣泛采用，因?yàn)閺?fù)合材料有許多的優(yōu)勢是金屬材料所沒有的，比如比重比金屬材料輕；制造工藝簡單等特點(diǎn)。那么，復(fù)合材料的連接方式除了膠接（使用膠黏劑），還有機(jī)械連接方式。通常在日常裝配過程中一些非重要接頭為了減少成本會采用用膠黏劑直接作用在超差孔處。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

本次試驗(yàn)是以直接為6.35 mm的緊固件孔作為基準(zhǔn)，研究不同超差程度下使用結(jié)構(gòu)膠修補(bǔ)后孔的力學(xué)性能，得到修補(bǔ)孔的承載能力與修補(bǔ)膠層厚度之間的關(guān)系（見表1）。

3 試驗(yàn)要求

3.1 試驗(yàn)環(huán)境要求

試驗(yàn)過程中溫度控制在23℃±2.8℃（-70℉±5℉），相對濕度控制在65%以下。

4 試驗(yàn)步驟

將試驗(yàn)板按照ASTM D3582方法進(jìn)行搭接，見圖1所示，將螺栓放入超差螺栓孔中。

使用糊狀膠EA 9360將螺栓與超差孔的間隙進(jìn)行膠接如圖2所示，放置至少24h使其固化。固化后，將試件編號并貼好標(biāo)簽，等待試驗(yàn)。

5 試驗(yàn)過程

根據(jù)圖1的尺寸，制作2塊3.2 mm厚的試驗(yàn)板與1塊6.4 mm的試驗(yàn)板組成一個試驗(yàn)件。根據(jù)上述試驗(yàn)大綱制作相應(yīng)超差尺寸的試驗(yàn)件，然后將這些試驗(yàn)件放在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)書的要求，將所有試件按照超差尺寸的不同進(jìn)行拉伸，拉伸機(jī)將會用相同的速率進(jìn)行拉伸，待孔失效后停止試驗(yàn)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。每一個試驗(yàn)件為一次記錄的數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)通過計(jì)算得到結(jié)果進(jìn)行分析。在試驗(yàn)過程中如何判斷孔失效？通過對比拉伸試驗(yàn)機(jī)在拉伸過程中傳輸?shù)膶?shí)時數(shù)據(jù)判斷，分別有兩種判斷方式：一是為螺栓孔周圍的膠失效；二是為試驗(yàn)板失效。

6 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1，2，3可看出，超差孔在收到外力的作用后螺栓孔的位置和形狀發(fā)生變化，螺栓變形，超差孔也在外力的作用下拉伸變形。由圖看初步分析，螺栓在收到外力變形后受壓力面與試板孔內(nèi)壁擠壓后試板內(nèi)壁受壓部分開始變形，首先內(nèi)層膠被壓碎后擠壓試板內(nèi)壁纖維結(jié)構(gòu)。

螺栓的擠壓破壞載荷為：Pbr=doδkbrσb，σb為擠壓強(qiáng)度，根據(jù)理論許用值，EA9360的抗拉需用范圍為68 MPa，根據(jù)圖4的數(shù)據(jù)我們對比：從圖4中取出一個為“疑似”膠擠壓斷裂的點(diǎn)，載荷為10500 n，根據(jù)上述公式計(jì)算擠壓強(qiáng)度為95 MPa。對于理論使用值推算，此載荷為此試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)膠的斷裂。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，在載荷大約為1噸時超差孔里的結(jié)構(gòu)膠受壓破碎，而后螺栓與試驗(yàn)板孔內(nèi)壁的纖維開始擠壓，而由于纖維有一定的韌性。所以由圖我們可以看出在大約載荷為4t的時候試驗(yàn)件才變形。試驗(yàn)件變形就意味著載荷失效。

7 結(jié)語

當(dāng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)必須使用緊固件時，應(yīng)對其進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)考慮。復(fù)合材料有纖維和集體組成，其性能受到各組分材料性能的影響，并且具有非勻質(zhì)性，緊固件對復(fù)合材料的影響與金屬材料不同，盡管復(fù)合材料的強(qiáng)度非常高，但如果處理不當(dāng)就會帶來麻煩。所以緊固件的正確選擇極為重要。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的整體性始終是減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)效率的主要手段之一。相對金屬結(jié)構(gòu)而言，復(fù)合材料便于進(jìn)行整體固化成形，這對各類結(jié)構(gòu)件，包括某些復(fù)雜的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，提供了提高結(jié)構(gòu)整體性的優(yōu)越條件，有利于減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)效率。但由于涉及，工藝和使用維修等方面的需要或限制，還是必須安排一定的設(shè)計(jì)和工藝?yán)锩?，維護(hù)口蓋或者與其他零構(gòu)件的連接接頭等，必須有相應(yīng)的連接，所以連接設(shè)計(jì)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)匯總是必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

參考文獻(xiàn)

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