高溫下復(fù)合材料螺栓接頭強度的試驗研究

徐魯兵，張宏建，呂文禮，溫衛(wèi)東

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高溫下復(fù)合材料螺栓接頭強度的試驗研究

徐魯兵1，張宏建2，呂文禮2，溫衛(wèi)東2

（1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002；2.南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，南京 210016）

目的研究高溫環(huán)境對樹脂基復(fù)合材料螺栓連接接頭的強度和破壞模式的影響規(guī)律。方法以T300/BMP316復(fù)合材料為研究對象，在室溫~310 ℃范圍內(nèi)對不同寬孔比的螺栓連接接頭開展拉伸試驗研究。結(jié)果獲得了不同寬孔比、不同溫度環(huán)境下樹脂基復(fù)合材料螺栓連接接頭強度和破壞模式的變化規(guī)律。結(jié)論不同寬孔比螺栓接頭試件的載荷-位移曲線既具有共性特征，又具有明顯的差異。寬孔比對復(fù)合材料螺栓接頭的拉伸強度和破壞模式均具有明顯的影響，在相同溫度下，接頭的拉伸強度隨著寬孔比的增大而下降，其破壞模式將由拉伸-擠壓破壞逐步向剪切-擠壓破壞轉(zhuǎn)變，寬孔比越大，拉伸破壞模式占的比重越小，而剪切破壞占的比重越大。試驗溫度雖然沒有改變同一寬孔比復(fù)合材料螺栓接頭的破壞模式，但對其拉伸強度影響明顯，相同寬孔比下復(fù)合材料螺栓接頭靜載強度隨著溫度的升高而降低，這是由于隨著溫度的升高，樹脂基體的性能下降明顯，使得接頭中更易出現(xiàn)拉伸破壞和擠壓破壞等，進而大大降低了復(fù)合材料螺栓接頭的強度。

樹脂基復(fù)合材料；螺栓連接；損傷模式；載荷-位移曲線；

樹脂基復(fù)合材料由于具有比剛度、比強度高，抗腐蝕性好及可設(shè)計性等優(yōu)點，在航空、航天、船舶、汽車等多種軍民領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于工程結(jié)構(gòu)特征、工藝水平限制和使用維修等原因，在設(shè)計中需要分析復(fù)合材料構(gòu)件的連接。螺栓連接由于具有承受載荷較高、裝卸方便且十分可靠等優(yōu)點而成為了復(fù)合材料連接中最主要的一種機械連接方式，在航空、航天領(lǐng)域中得到了廣泛的使用[1]。如在空客A380的機身上，其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件部位的連接共需10 000多螺釘，一對機翼的連接共需8 000個螺釘；在F-22上其機翼使用的連接件多達14 000個[2]，現(xiàn)代先進航空發(fā)動機上應(yīng)用復(fù)合材料的部位同樣也使用了較多的螺栓連接。

由于復(fù)合材料自身具有各向異性、脆性、非均勻性等力學(xué)特性，螺栓連接處承載復(fù)雜，同時存在孔邊應(yīng)力集中和釘孔切斷纖維等現(xiàn)象，使得復(fù)合材料螺栓連接部位成為了結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，容易發(fā)生破壞。統(tǒng)計表明，60%~80%的復(fù)合材料構(gòu)件破壞發(fā)生在其連接處[3]。因此，國內(nèi)外很多學(xué)者針對復(fù)合材料層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)在室溫下的強度及破壞形式開展了多方面的研究，建立了多種強度預(yù)測模型，取得了較好的結(jié)果[4-10]。

近年來，隨著樹脂耐高溫水平的突破，樹脂基復(fù)合材料的最高使用溫度可高達350 ℃，使其在先進航空發(fā)動機中的應(yīng)用范圍進一步擴大。目前國內(nèi)外對樹脂基復(fù)合材料層合板螺栓連接件在高溫環(huán)境下的強度及破壞形式開展的研究較少，這影響了樹脂基復(fù)合材料層合板的工程應(yīng)用進程。

文中在室溫~310 ℃范圍內(nèi)對樹脂基復(fù)合材料層合板螺栓連接接頭開展了強度及破壞形式的試驗研究，分析了溫度及不同溫度下寬孔比分別對樹脂基復(fù)合材料層合板螺栓連接接頭強度及破壞形式的影響規(guī)律，為其工程應(yīng)用提供了參考。

1 試驗

1.1 試驗件設(shè)計

試驗所采用的試件由T300/BMP316復(fù)合材料加工制造而成的，試驗件的鋪層順序為[45/-45/90/0/- 45/0/45/0/90/0]s。為研究溫度及不同溫度下寬孔比分別對復(fù)合材料層合板螺栓接頭強度的影響規(guī)律，分別設(shè)計了寬孔比為3，4，5三種不同尺寸的試驗件，試驗件的尺寸如圖1所示。試件的加強片采用T300/ BMP316復(fù)合材料加工制造而成，并采用二次成型法與試件連為一體。

1.2 試驗過程

在復(fù)合材料層合板連接接頭強度試驗中，試驗件與試驗機之間采用雙剪夾具進行連接，如圖2a所示。夾具材料是45鋼，蓋板材料是彈簧鋼，厚度為3.5 mm。裝夾時利用材料為45鋼的24×100的螺栓將夾具與蓋板連接，利用材料為TC4的6×20螺栓將試件與蓋板連接。

將三種不同寬孔比的試驗件分別在室溫，150，230，310 ℃溫度下開展拉伸試驗研究。試驗在MTS-Landmark試驗機上進行，該試驗機最大載荷為±250 kN，溫度控制范圍為－129~+315 ℃。試驗過程中，試驗件及夾具均處于環(huán)境箱中，該環(huán)境箱采用的是開路線圈加熱，能快速將溫度加熱到所需的試驗溫度，并采用閉環(huán)PID來控制溫度變化，使溫度始終保持在試驗溫度的±2 ℃以內(nèi)。在整個試驗過程中，加熱到所需溫度的時間控制在10~20 min范圍內(nèi)，為了保證環(huán)境箱內(nèi)的溫度場均勻，還需保溫10 min。試驗機、配套的環(huán)境箱以及夾具在試驗機上的整體裝夾如圖2b和c所示。在進行試驗時，均采用位移加載，其加載速率為1 mm/min。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 接頭載荷-位移曲線及破壞模式分析

圖3給出了寬孔比分別為3，4，5的復(fù)合材料螺栓接頭在230 ℃下的載荷-位移曲線。從圖3中可以看出，不同寬孔比螺栓接頭試件的載荷-位移曲線具有以下共性特征。

1）在試件的初始拉伸階段，不同寬孔比的試件位移逐漸增大，而載荷均沒有明顯增加，這主要是由于試件與螺栓為間隙配合，此時試驗機的拉伸主要使螺栓和試孔壁逐漸接觸，因此載荷增加不明顯。

2）待螺栓與試件孔壁完全接觸后，載荷基本隨位移線性增加。

3）隨著載荷的繼續(xù)增加，接頭的螺栓孔因受到較大的擠壓力開始出現(xiàn)孔邊被壓碎的現(xiàn)象；隨著位移的繼續(xù)增大，由于孔邊被擠壓破壞使得載荷反而出現(xiàn)了降低的情況，此時能聽到層合板內(nèi)部出現(xiàn)破壞時發(fā)出的“啪啪”聲響。

4）當(dāng)位移進一步增大時，原來螺栓孔邊被壓碎的材料被螺栓進一步擠壓壓實，此時螺栓接頭又開始承載，隨著位移的增加其載荷又開始出現(xiàn)增大的趨勢。

5）載荷的下降-上升過程將持續(xù)幾個循環(huán)，當(dāng)載荷增大到某一數(shù)值時，能清晰地聽到一聲爆裂般的聲響，接頭發(fā)生失效破壞，隨位移增大載荷迅速降低。

比較圖3中三種不同寬孔比復(fù)合材料螺栓接頭試件的載荷-位移曲線可以看出，出現(xiàn)初始損傷后的復(fù)合材料螺栓接頭的再承載能力隨著寬孔比的增大而下降。寬孔比為3時，試件在初始損傷出現(xiàn)后依然具有很強的承載能力（初始損傷強度是低于總強度的50%），載荷微降后隨位移依然呈線性增加趨勢；而寬孔比為4和5時，試件在初始損傷出現(xiàn)后雖然還能繼續(xù)承載，但能力下降明顯（初始損傷強度約占總強度的80%~90%），初次損傷后載荷降幅較大，并且在隨后的較長一段位移范圍內(nèi)載荷隨位移呈緩緩的非線性增大。

復(fù)合材料螺栓接頭試件的載荷-位移曲線是由其破壞模式及過程所決定的，為此，對螺栓接頭試件拉伸后的斷口進行了分析研究。圖4給出了不同寬孔比的復(fù)合材料螺栓接頭試件在不同溫度下發(fā)生整體失效破壞后的斷口照片。

在同一溫度下，對比圖4中不同寬孔比的復(fù)合材料螺栓接頭的破壞模式，可以發(fā)現(xiàn)：寬孔比為3的復(fù)合材料螺栓接頭的破壞模式為以拉伸破壞為主，同時伴有螺栓孔擠壓破壞的拉伸-擠壓組合破壞模式，寬孔比為4的接頭為以螺栓孔擠壓破壞為主，同時伴有拉伸破壞的擠壓-拉伸組合破壞模式，寬孔比為5的接頭為剪切破壞同時伴有少量螺栓孔擠壓破壞的剪切-擠壓組合破壞模式。由以上分析可知，隨著復(fù)合材料螺栓接頭寬孔比的增大，其破壞模式將由拉伸-擠壓破壞逐步向剪切-擠壓破壞轉(zhuǎn)變，寬孔比越大，拉伸破壞模式占的比重越小，而剪切破壞占的比重越大。這也是造成不同寬孔比下復(fù)合材料螺栓接頭試件的載荷-位移曲線不同的主要原因。

在同一寬孔比下，對比圖4中不同試驗溫度下復(fù)合材料螺栓接頭的破壞模式，可以得出以下幾點。

1）隨著試驗溫度的升高，雖然寬孔比為3的復(fù)合材料螺栓接頭的破壞模式依然為拉伸-擠壓組合破壞模式，但是拉伸破壞中更多的表現(xiàn)為基纖剪切和分層破壞，這也使得高溫下的接頭強度大大降低。

2）寬孔比為4的復(fù)合材料螺栓接頭的破壞模式并未隨著溫度的升高而改變，但是擠壓-拉伸組合破壞模式中拉伸破壞所占的比重隨溫度的升高而增加。

3）隨著溫度的升高，寬孔比為5的復(fù)合材料螺栓接頭在不同的試驗溫度下其破壞模式仍是剪切-擠壓組合破壞，但隨著溫度的升高，該組合破壞模式中的擠壓破壞所占的比重越來越高。

造成以上現(xiàn)象的原因主要是由于復(fù)合材料的基體樹脂性能受溫度的影響較大，隨著溫度的升高，不僅造成了樹脂基體性能下降導(dǎo)致更容易破壞，而且還使得纖維與基體的粘合力下降，更容易造成基體開裂、基纖剪切和分層等破壞，從而使得復(fù)合材料螺栓接頭中更易出現(xiàn)拉伸破壞和擠壓破壞等，大大降低了復(fù)合材料螺栓接頭的強度。

2.2 螺栓連接接頭強度結(jié)果及分析

表1給出了不同寬孔比的螺栓接頭在室溫，150，230，310 ℃環(huán)境下的靜載強度值及同一寬孔比下以室溫下的靜載強度為基準(zhǔn)的接頭強度隨溫度的降低率。從表1中可以看出，螺栓接頭靜載強度隨著溫度的升高而降低，且溫度越高，靜載強度的降低幅度越大，這主要是因為溫度的升高降低了樹脂的性能，使得拉伸破壞和擠壓破壞更容易發(fā)生；不同寬孔比下螺栓接頭的強度隨溫度的下降過程略有不同，這主要由于寬孔比不同所造成的接頭破壞模式不同所引起的；在310 ℃時，各寬孔比下的強度下降率均在40%左右。

表2給出了在室溫，150，230，310 ℃環(huán)境下以寬孔比為3的靜載強度為基準(zhǔn)時螺栓接頭強度隨著寬孔比的增大而導(dǎo)致的強度降低率值。從表2中可以看出，在不同的溫度下，復(fù)合材料螺栓連接接頭的強度隨著寬孔比的增大而下降，不同溫度下在寬孔比為4時的強度下降率差別較大，但在寬孔比為5時，各溫度下的強度下降率均在50%左右。

a 室溫，寬孔比3 b 室溫，寬孔比4 c 室溫，寬孔比5 d 150 ℃，寬孔比3 e 150 ℃，寬孔比4 f 150 ℃，寬孔比5 g 230 ℃，寬孔比3 h 230 ℃，寬孔比4 i 230 ℃，寬孔比5 k 310 ℃，寬孔比3 l 310 ℃，寬孔比4 m 310 ℃，寬孔比5

表1 不同寬孔比螺栓接頭的靜載強度及隨溫度的降低率

表2 螺栓接頭的靜載強度隨寬孔比增大的降低率

3 結(jié)論

文中在室溫~310 ℃范圍內(nèi)對樹脂基復(fù)合材料層合板螺栓連接接頭開展了強度及破壞形式的試驗研究，分析了溫度及不同溫度下寬孔比分別對樹脂基復(fù)合材料層合板螺栓連接接頭強度及破壞形式的影響規(guī)律，獲得了以下結(jié)論。

1）不同寬孔比螺栓接頭試件的載荷-位移曲線既具有共性特征，又具有明顯的差異。螺栓與試件孔壁完全接觸后，載荷基本隨位移線性增加，隨著載荷的繼續(xù)增加，復(fù)合材料層合板內(nèi)部出現(xiàn)損傷導(dǎo)致載荷出現(xiàn)多次突降，但并未影響試驗件的整體強度，載荷突降后繼續(xù)隨著位移增加直至接頭發(fā)生最終失效。初始損傷出現(xiàn)后試件的載荷-位移曲線受寬孔比影響較大，這主要是因為寬孔比越大，接頭拉伸破壞模式占的比重越小，而剪切破壞占的比重越大。

2）寬孔比對復(fù)合材料螺栓接頭的拉伸強度和破壞模式均具有明顯的影響。接頭的拉伸強度隨著寬孔比的增大而下降，寬孔比從3增加到5，各溫度下的接頭強度下降率均在50%左右。在相同溫度下，隨著復(fù)合材料螺栓接頭寬孔比的增大，其破壞模式將由拉伸-擠壓破壞逐步向剪切-擠壓破壞轉(zhuǎn)變，寬孔比越大，拉伸破壞模式占的比重越小，而剪切破壞占的比重越大。

3）試驗溫度雖然沒有改變同一寬孔比復(fù)合材料螺栓接頭的破壞模式但對其拉伸強度影響明顯。相同寬孔比下復(fù)合材料螺栓接頭靜載強度隨著溫度的升高而降低，試驗溫度從室溫增大到310 ℃時，各寬孔比下的強度下降率均在40%左右。這是由于隨著溫度的升高，樹脂基體的性能下降明顯，使得接頭中更易出現(xiàn)拉伸破壞和擠壓破壞等，進而大大降低了復(fù)合材料螺栓接頭的強度。

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Experimental Study on Strength of Bolted Joint of Composites at Elevated Temperature

XU Lu-bing1, ZHANG Hong-jian2, LYU Wen-li2, WEN Wei-dong2

(1.China Aviation Powerplant Research Institute (CAPI), Zhuzhou 412002, China;2.College of Energy & Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Objective To study effects rules of high temperature on strength and damage modes in bolted joints made of composites. Methods Various tensile tests for bolted joints of T300/BMP316 composites with different W/D were conducted at indoor temperature-310 ℃. Results Change rules on strength and failure mode of bolted joints made of resin matrix composites with different W/D and temperature were obtained. Conclusion There are common features and apparent differences in load-displacement curves of bolted joints with different W/D which has apparent influences on the tensile strength and damage mode of bolted joints made of composites. At the same temperature, the tensile strength decreases with the increase of W/D. The damage mode changes from tensile-crushing failure mode to shear-crushing failure mode. When W/D increases, the domination mode changes from tensile failure to shear failure. The damage modes of joints are insensitive to the temperature, but the strength of joints decreases greatly when the temperature increases, which is because it is easy to cause the tensile failure and crushing failure in joints due to the mechanical properties degradation of resin at elevated temperature.

resin matrix composites; bolted joint; damage mode; load-displacement curve

10.7643/ issn.1672-9242.2017.09.010

TJ04；V258

A

1672-9242(2017)09-0048-05

2017-04-22；

2017-05-01

江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室開放課題（No.NJ20140019）

徐魯兵（1981—），男，陜西咸陽人，碩士，高級工程師，主要研究方向為航空發(fā)動機渦輪結(jié)構(gòu)度設(shè)計。