纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板擠壓響應(yīng)研究進(jìn)展

彭亞南，莫 凡，毛才文

(同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

1 前 言

復(fù)合材料作為《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》號(hào)召發(fā)展的新材料之一，其高比強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕等優(yōu)異性能使其在航空、汽車、軌道交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。復(fù)合材料性能的不穩(wěn)定性、離散性是其生產(chǎn)應(yīng)用的主要障礙。在復(fù)合材料應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)方面，我國(guó)與國(guó)外仍存在較大差距，成型工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等無法滿足高性能、高效率復(fù)合材料的工業(yè)要求，目前國(guó)內(nèi)復(fù)合材料還無法用于承力結(jié)構(gòu)。

復(fù)合材料與金屬等異種材料的組合使用可以發(fā)揮材料優(yōu)勢(shì)，是復(fù)合材料主要應(yīng)用方式。但連接部位是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中較薄弱位置，70%的結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生在連接部位[2]，如何提高復(fù)合材料連接性能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可忽視的問題。復(fù)合材料的連接方式主要包括膠接、機(jī)械連接、兩者的混合連接以及其他新型連接方式，如激光焊接[3]、無鉚釘連接[4]等。機(jī)械連接具有裝配簡(jiǎn)單、檢修方便、可靠性高、傳遞載荷大等優(yōu)點(diǎn)[5]，是工業(yè)中復(fù)合材料構(gòu)件中最常用的連接方式。復(fù)合材料機(jī)械連接擠壓性能研究對(duì)工程應(yīng)用與實(shí)際生產(chǎn)具有重大意義和參考價(jià)值。

目前國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)方法眾多，但無法形成復(fù)合材料擠壓響應(yīng)的統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比、評(píng)估與分析，并介紹了復(fù)合材料另一種主要研究手段——有限元數(shù)值模擬的應(yīng)用發(fā)展。綜述了復(fù)合材料機(jī)械連接主要影響因素的研究進(jìn)展，希望為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料擠壓性能研究提供試驗(yàn)方法和研究方向參考。

2 研究方法

由于復(fù)合材料的各向異性和脆性，復(fù)合材料的機(jī)械連接孔周圍形成復(fù)雜的應(yīng)力分布。在載荷作用下，復(fù)合材料孔周圍首先發(fā)生破壞。機(jī)械連接擠壓強(qiáng)度是指復(fù)合材料在載荷作用下形成損傷至發(fā)生擠壓破壞過程中所承受的擠壓應(yīng)力，可通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬進(jìn)行研究。試驗(yàn)研究積累大量原始數(shù)據(jù)，具有最直觀的參考應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)可作為有限元模型可行性的有效驗(yàn)證。有限元數(shù)值模擬可對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)估，有利于試驗(yàn)設(shè)計(jì)和機(jī)理分析，同時(shí)節(jié)省時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。近年來，大多學(xué)者采用試驗(yàn)和有限元模擬相結(jié)合的方式對(duì)復(fù)合材料連接性能進(jìn)行研究。

2.1 試驗(yàn)研究

復(fù)合材料機(jī)械連接擠壓性能的評(píng)估主要基于擠壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)的器材、材料、環(huán)境條件等起到規(guī)范的作用，使所得到的材料擠壓性能數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一性，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)選材、設(shè)計(jì)及產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)控評(píng)估具有重要的應(yīng)用參考價(jià)值。不同國(guó)家的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儀器、試樣、試驗(yàn)程序和結(jié)果處理與分析的規(guī)定不盡相同，本節(jié)選取中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、日本等制定的6個(gè)復(fù)合材料擠壓強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[6-11]進(jìn)行對(duì)比分析，列舉了其中差異，同時(shí)討論了這些差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，為試驗(yàn)研究提供了途徑參考和選擇。

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)基本介紹

國(guó)內(nèi)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料擠壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 7559-2005 HB《纖維增強(qiáng)塑料層合板螺栓連接擠壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(下簡(jiǎn)稱GB/T 7559-2005 HB)、HB7070-94《纖維增強(qiáng)塑料層合板擠壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(下簡(jiǎn)稱HB7070-94)，分別制定于2005年、1994年。美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)制定的ASTM D5961 M-13《Standard Test Method for Bearing Response of Polymer Matrix Composite Laminates》(下簡(jiǎn)稱ASTM D5961 M-13)于1996年發(fā)布，之后進(jìn)行六次修訂。德國(guó)航空委員會(huì)制定的DIN EN 6037:2016《Aerospace Series Fiber Reinforced Plastics Test Method-Determination of Bearing Strength》(下簡(jiǎn)稱DIN EN 6037:2016)是根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 6037:2015進(jìn)行修改完善，2016年頒布。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)1995年制定的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)修訂，于2015年頒布新試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ISO 12815《Fiber-Reinforced Plastic Composites-Determination of Plain-Pin Bearing Strength》(下簡(jiǎn)稱ISO 12815)。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)也在2012年制定了JIS K7080-2:2012《Carbon Fiber Reinforced Plastics-Testing Methods for Bearing Strength-Part 2:Orthotropic and Quasi-isotropic Long Fiber Laminates》(下簡(jiǎn)稱JIS K7080-2:2012)。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的更新速度低于國(guó)外，隨著研究的深入，及時(shí)更新、完善試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)才能保證研究可靠性。國(guó)內(nèi)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)效性有待提高。

2.1.2 適用范圍和試樣規(guī)范

表1概述了各標(biāo)準(zhǔn)所適用的材料和連接方式。復(fù)合材料擠壓響應(yīng)試驗(yàn)根據(jù)搭接方式可分為單剪試驗(yàn)、雙剪試驗(yàn)。ASTM D5961/D5961M-13的4種試驗(yàn)場(chǎng)景涵蓋了復(fù)合材料連接大多使用狀態(tài)，給出了凸頭螺栓、沉頭螺栓、銷釘、鉚釘?shù)雀鞣N連接件下的試驗(yàn)情況。

表1 標(biāo)準(zhǔn)適用范圍

擠壓強(qiáng)度的定義直接影響到對(duì)復(fù)合材料擠壓性能評(píng)定的參考標(biāo)準(zhǔn)，定義不同使最終結(jié)果無法直接比較。表2列出了各標(biāo)準(zhǔn)的擠壓強(qiáng)度定義，極限(最大)擠壓強(qiáng)度、偏移擠壓強(qiáng)度是復(fù)合材料擠壓性能的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。

表2 擠壓強(qiáng)度的定義

對(duì)于復(fù)合材料單緊固件連接的試樣，多采用圖2所示的方式，參數(shù)有寬度w、長(zhǎng)度L、孔心至試樣端部距離e、孔徑D、板厚t、連接件直徑d。但GB/T 7559-2005采用的是含有3孔的長(zhǎng)方形試樣，中心孔為固定孔，兩端為擠壓孔，在試樣兩端同時(shí)施加拉伸載荷，會(huì)造成與其他標(biāo)準(zhǔn)完全不同的應(yīng)力分布，當(dāng)試樣較短時(shí)，這種影響更加明顯。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)給出了試樣尺寸的標(biāo)準(zhǔn)值，基本都遵循100 mm≤L≤180 mm;3 mm≤t≤5 mm;w/D≥5，e/D≥3，其中w/D=6，e/D=3是最為普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)尺寸。值得一提的是，ASTMD 5961-2005、GB/T 7559-2005不僅給出了標(biāo)準(zhǔn)尺寸值，還規(guī)定了尺寸的可變范圍；DIN EN 6037:2016對(duì)于復(fù)合材料鋪層順序的選擇也給定了推薦值。

圖1 偏移擠壓強(qiáng)度示意圖[8]Fig.1 Offset bearing strength illustration[8]

圖2 試樣示意圖Fig.2 Specimen geometric illustration (mm)

2.1.3 試驗(yàn)裝置和條件

GB/T 7559-2005和HB 7070-94試驗(yàn)裝置較為復(fù)雜繁瑣，不利于操作，耐環(huán)境性較差。對(duì)于試樣的固定，GB/T 7559-2005采用銷釘固定試樣，HB 7070-94、ASTMD 5961-2013、JIS K7070-2：2012采用夾具夾緊固定試樣，ISO 12815、DIN EN 6037:2016則提供了夾具或緊固件兩種方式供研究者選擇。對(duì)于較短試樣，固定銷釘附近應(yīng)力集中會(huì)影響擠壓孔附近的應(yīng)力分布，從而使復(fù)合材料擠壓響應(yīng)產(chǎn)生差異。除此之外，如圖3所示，ASTMD 5961-2013中單剪雙試樣擠壓試驗(yàn)的夾具匠心別運(yùn)，由短夾板、長(zhǎng)夾板和不銹鋼墊片各兩個(gè)組成，這種特殊的夾具既可以防止試樣在拉伸載荷下產(chǎn)生彎曲效應(yīng)，又可防止在壓縮載荷下失去穩(wěn)定。

表3給出了各試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境和加載條件。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)對(duì)溫度和濕度的要求基本一致，并采用靜準(zhǔn)態(tài)載荷下恒定位移加載速度的方式加載，同批有效試樣數(shù)量要求大于5個(gè)。GB/T 7559-2005和HB 7070-94缺少了失效方式說明，不能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行完整的評(píng)估分析。ASTM D5961/D5861M-13不僅對(duì)復(fù)合材料的失效方式進(jìn)行分類，也考慮到緊固件破壞導(dǎo)致的失效方式；并且JIS K7070-2：2012和ASTM D5961/D5861M-13對(duì)于傳感器的位置進(jìn)行了規(guī)范。

圖3 ASTM D5961夾具裝置圖Fig.3 Support fixture assembly illustration of ASTM D5961

擠壓強(qiáng)度計(jì)算統(tǒng)一采用公式(1)，

Б=P/(k×D×t)

(1)

其中Б為特定點(diǎn)的擠壓應(yīng)力(MPa)，P為對(duì)應(yīng)的擠壓載荷(N)，D為連接孔直徑(mm)，t為復(fù)合材料的板厚(mm)，k為孔系數(shù)，單緊固件k為1，雙緊固件k為2。

表3 試驗(yàn)條件

擠壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法的制定主要用于獲得材料性能研究的數(shù)據(jù)、性能評(píng)估和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料擠壓強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7559-2005和HB 7070-94存在很多不足，如試樣設(shè)計(jì)的不合理性、裝置的復(fù)雜性、缺少對(duì)復(fù)合材料失效方式的判定等。DIN EN 6037:2016主要針對(duì)航空用復(fù)合材料，考慮到主要影響因素并做了相應(yīng)的規(guī)范，但測(cè)試方法單一，只能確定雙剪拉伸載荷下復(fù)合材料單螺栓連接擠壓強(qiáng)度。ISO 12815只適用于平銷釘連接。JIS K7070-2：2012和ASTM D5961/D5861M-13對(duì)試驗(yàn)的整體分析最為全面，涵蓋了各影響因素，ASTM D5961/D5861M-13具有4種試驗(yàn)方法，其中雙剪拉伸(壓縮)擠壓試驗(yàn)主要用于復(fù)合材料擠壓性能的基礎(chǔ)研究、比較，單剪試驗(yàn)用于特定連接的設(shè)計(jì)評(píng)估，既適用于沉頭螺栓也可用于雙螺栓連接，對(duì)復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)參數(shù)的積累與發(fā)展具有重要意義。但這些標(biāo)準(zhǔn)不適用于縫合復(fù)合材料、三種及三種以上編織方向復(fù)合材料等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的層合板，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)[12]為三維編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料擠壓性能制定了試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。為了更加深入、綜合地對(duì)復(fù)合材料連接性能進(jìn)行評(píng)估，還可開展開孔試驗(yàn)[13]、填孔試驗(yàn)[14]、拉透試驗(yàn)[15]、擠壓疲勞響應(yīng)試驗(yàn)[16]等。

2.2 數(shù)值模擬

連接部位對(duì)承載力的響應(yīng)行為是由被連接件和緊固件之間復(fù)雜的相互作用決定的，只有充分理解這種機(jī)制，才能優(yōu)化復(fù)合材料連接性能的分析評(píng)價(jià)過程。大多研究通過試驗(yàn)確定復(fù)合材料連接性能和失效行為，但是這種方法需要可靠有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，但試驗(yàn)類型及參數(shù)變化范圍都受到限制；而有限元模擬仿真幾乎可覆蓋所有參數(shù)包括極端值的研究，對(duì)于設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性意義，得到越來越多研究者的青睞。

對(duì)于復(fù)合材料板材連接數(shù)值模擬，要保證以下幾方面的精確性[17]：① 板材及相關(guān)構(gòu)件的幾何非線性、材料非線性；② 被連接件和接頭的損傷容限，損傷產(chǎn)生、擴(kuò)展；③ 緊固件或銷釘性能；④ 螺栓與板材相互作用；⑤ 界面壓應(yīng)力；⑥ 滑動(dòng)；⑦ 初始缺陷。

為了可靠地分析接頭擠壓響應(yīng)，有限元模型可從應(yīng)力分析、失效準(zhǔn)則、材料剛度退化準(zhǔn)則3方面進(jìn)行損傷進(jìn)程分析。1971年提出的Tsai-Wu[18]準(zhǔn)則第一次對(duì)鋪層失效進(jìn)行預(yù)測(cè)，此后大量研究都采取鋪層二維應(yīng)力分析而忽略了三維影響因素。隨著數(shù)值模擬的發(fā)展，三維有限元模型開始應(yīng)用于復(fù)合材料層合板連接研究。Marshall[19]首次對(duì)連接件厚度方向的夾緊作用進(jìn)行分析。在之前基礎(chǔ)上，三維機(jī)械連接模型考慮到了預(yù)緊力、摩擦力、空隙、接觸分析等因素。但有限元模型主要采用線彈性分析，對(duì)于損傷途徑預(yù)測(cè)的研究仍然較少，直至Hassan[20]首次對(duì)拉擠成形的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)生失效時(shí)的應(yīng)力變形進(jìn)行非線性有限元分析。

數(shù)值模擬不僅大大降低人力、材料、時(shí)間等成本，而且有助于試驗(yàn)的分析設(shè)計(jì)。近年來，許多學(xué)者都采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式來對(duì)復(fù)合材料連接性能進(jìn)行研究。Egan等[21]通過隱式分析Abaqus/Standard和顯式分析Abaqus/Explicit模擬了復(fù)合材料沉頭螺栓連接，利用非線性有限元分析克服了隱式分析的收斂問題，并與試驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性，顯式分析的計(jì)算周期長(zhǎng)于隱式分析；對(duì)于復(fù)雜的大型構(gòu)件(如多釘連接)，顯式分析則表現(xiàn)出更低的計(jì)算成本。這是因?yàn)轱@式分析具有高穩(wěn)定性接觸的處理方案和良好的可擴(kuò)展性，且更易模擬應(yīng)變軟化所致的失效問題，尤其適用于動(dòng)態(tài)問題的分析。

沉頭螺栓連接比凸頭螺栓連接和鉚接具有更復(fù)雜的接觸問題，Kabeel[22]利用連續(xù)殼體單元建立平面漸進(jìn)損傷模型，并用內(nèi)聚單元模擬3種失效方式(擠壓失效、凈截面斷裂、分層)。近年來，許多基于子程序開發(fā)的復(fù)合材料多尺度失效理論被提出并用于復(fù)合材料的失效分析，其在纖維、基體性能匹配和耐久性方面表現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。Liu等[23]提出的多尺度非線性三維模型可用于較厚的復(fù)合材料失效分析，突破了復(fù)合材料在厚度上的限制。該模型將復(fù)合材料在厚度方向上分割成若干子單元后再進(jìn)行整體模型分析。

3 復(fù)合材料機(jī)械連接擠壓響應(yīng)影響因素分析

復(fù)合材料機(jī)械連接接頭的破壞形式包括拉伸破壞、剪切破壞、擠壓破壞、劈裂破壞、撕裂破壞[9]等5種主要形式(圖4所示)以及多種混合組成形式。擠壓破壞是其中最“理想”的失效方式，因?yàn)橥ǔ＝宇^以擠壓破壞失效時(shí)的承載能力最好，并且材料破裂變形較小，失效過程穩(wěn)定，是非突發(fā)性破壞[24]。而復(fù)合材料機(jī)械連接性能受到眾多因素影響，包括材料組成(纖維/樹脂含量)、鋪層結(jié)構(gòu)(單向帶方向、編織類型等)、幾何尺寸(層合板的厚度、開孔的位置等)、連接參數(shù)(緊固件、預(yù)緊力、間隙配合等)、載荷方式和環(huán)境等，本節(jié)將從這幾方面分析復(fù)合材料機(jī)械連接擠壓響應(yīng)研究進(jìn)展。

(a) (b) (c) (d) (e)圖4 復(fù)合材料機(jī)械連接破壞形式：(a)拉伸破壞，(b)剪切破壞，(c)擠壓破壞，(d)劈裂破壞，(e)撕裂破壞Fig.4 Failure codes of mechanical joint of composites: (a) lateral, (b) shearing out, (c) bearing, (d) cleavage, (e) tearing out

3.1 結(jié)構(gòu)與幾何尺寸的影響

開孔大小和位置的選擇對(duì)應(yīng)力分布和載荷分配有很大的影響。目前機(jī)械連接幾何參數(shù)的研究已經(jīng)十分成熟。Okutan[25]和Sen[26]等系統(tǒng)研究了玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂層合板的幾何參數(shù)(w/D、e/D)對(duì)機(jī)械連接強(qiáng)度的影響，對(duì)連接失效方式和承載強(qiáng)度進(jìn)行了歸納總結(jié)。研究表明當(dāng)w/D、e/D同時(shí)滿足特定條件時(shí)會(huì)發(fā)生擠壓破壞模式。大量試驗(yàn)表明，復(fù)合材料的機(jī)械連接設(shè)計(jì)參數(shù)選擇應(yīng)遵循e/D>2，w/D>2。

開孔孔徑與層合板厚度的比值(D/t)也是影響復(fù)合材料的承載性能的重要參數(shù)。Eurocomp[27]推薦D/t選擇在1.0～1.5之間；Lee等[28]對(duì)拉擠成形的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)1.2≥D/t≥0.83，失效載荷隨著D/t的增加而增加，與Eurocomp的結(jié)果一致；由于研究采用的復(fù)合材料不同，推薦值也略有不同，歐洲航天局的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)中則建議D/t取值3.0；劉坤良[29]則通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)孔徑與板厚的比值在1.5～2.6范圍內(nèi)連接強(qiáng)度較高。

不同鋪層結(jié)構(gòu)、鋪層順序的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料擠壓強(qiáng)度也具有明顯差異。Okutan[30]研究發(fā)現(xiàn)[0/45]s鋪層方式的復(fù)合材料表現(xiàn)出比[90/45]s更為優(yōu)異的擠壓強(qiáng)度和較小的尺寸相關(guān)性；劉建超[31]對(duì)復(fù)合材料螺柱-柱銷連接的擠壓性研究發(fā)現(xiàn)織物結(jié)構(gòu)復(fù)合材料比0°/90°單向?qū)雍习寰哂懈叩臄D壓強(qiáng)度；Sen[32]的試驗(yàn)結(jié)果表明[0°/0°/90°/90°]s比[0°]8鋪層的復(fù)合材料串聯(lián)雙螺栓連接具有更高的擠壓強(qiáng)度；Park[33]也對(duì)鋪層順序做了相關(guān)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明[906/06]s層合板的分層擠壓強(qiáng)度是[06/906]s層合板的兩倍，[903/03/±453]s復(fù)合材料擠壓性能同樣優(yōu)于[03/±453/903]s，這些都說明90°單向預(yù)浸料位于表面比位于內(nèi)部的層合板具有更優(yōu)異的分層擠壓性能；劉建超[31]還分別對(duì)45°、-45°鋪層層合板、0°、90°鋪層層合板以及0°、45°、-45°、90°鋪層層合板的連接強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)后者強(qiáng)度要強(qiáng)于前兩者，驗(yàn)證了層壓板最外側(cè)采用90°鋪層角的層壓板具有較好的連接強(qiáng)度的結(jié)論；林鵬程[34]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)90°鋪層比例為10%時(shí)，復(fù)合材料連接的極限載荷隨±45°鋪層的比例變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明±45°鋪層的比例為50%時(shí)，復(fù)合材料承載性能最好。

3.2 連接參數(shù)的影響

復(fù)合材料螺(鉚)接的連接性能由預(yù)緊力、干涉配合、墊圈、緊固件等多個(gè)因素共同決定，國(guó)內(nèi)外對(duì)此做了大量研究。Sen[32]對(duì)不同螺栓擰緊力矩(0～5 N·m)的復(fù)合材料擠壓性能進(jìn)行測(cè)試，其中3 N·m時(shí)性能最好；Park[33]對(duì)復(fù)合材料螺接預(yù)緊力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，擠壓強(qiáng)度隨著預(yù)緊力的增加而增加并最終趨向于一個(gè)最大值，預(yù)緊力的選擇一般不應(yīng)大于這個(gè)值；王富生等[35]研究了擠壓面切向摩擦系數(shù)和孔的形狀對(duì)復(fù)合材料連接性能的影響，大的擠壓面切向摩擦系數(shù)有利于提高擠壓強(qiáng)度，但損傷在同樣的孔應(yīng)變下發(fā)生；并且測(cè)試了不同孔形狀的復(fù)合材料擠壓性能，發(fā)現(xiàn)圓孔比橢圓孔具有更好的連接性能。

孔間隙可影響擠壓損傷的開始從而改變擠壓強(qiáng)度。航空常用的釘孔間隙為+75/-0 um。Kelly和Hallstroemp[36]的研究表明孔間隙是提高復(fù)合材料接頭性能的重要因素；Kiral[37]對(duì)復(fù)合材料銷釘連接的釘孔配合問題研究發(fā)現(xiàn)：間隙配合和過盈配合并不能改變復(fù)合材料失效方式，適當(dāng)減小孔、銷的間隙可以提高擠壓強(qiáng)度；Jing[38]研究了過盈配合對(duì)復(fù)合材料的最大擠壓強(qiáng)度和連接壽命的影響，過盈配合可起到提高層合板擠壓性能的作用，但是超過一定值則會(huì)降低其擠壓性能；并且在不同的擠壓力下，過盈配合對(duì)連接壽命表現(xiàn)出不同的影響方式。何龍[39]發(fā)現(xiàn)螺栓過盈量和預(yù)緊力對(duì)復(fù)合材料機(jī)械連接強(qiáng)度的影響是非獨(dú)立的，而是混合作用，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化時(shí)要從二者的共同影響出發(fā)。

Starikov和Schoen[40]對(duì)比了復(fù)合材料的凸頭螺栓和沉頭螺栓連接的連接強(qiáng)度，前者比后者可以傳遞更高的載荷。賈云超[41]也對(duì)此做了相關(guān)研究，結(jié)果表明連接件中使用凸頭螺栓要比使用埋頭螺栓的破壞載荷提高了30%。McCarthy[42]研究了單向復(fù)合材料層合板的凸頭螺栓和沉頭螺栓連接，研究表明間隙的增大會(huì)降低兩種連接接頭的剛度，但對(duì)沉頭螺栓連接擠壓強(qiáng)度沒有影響；并預(yù)測(cè)間隙的存在有利于多緊固件連接中的載荷分配，并通過彈簧模型、有限元模擬及試驗(yàn)共同[43-44]驗(yàn)證了這一猜想；Chishti[45]利用有限元平面損傷模型對(duì)沉頭螺栓的接觸問題進(jìn)行了研究，扭矩增加會(huì)使埋頭區(qū)域的破壞增加，而靠近剪切面區(qū)域的破壞減少。黃學(xué)友[46]研究發(fā)現(xiàn) [45°/-45°]3s鋪層復(fù)合材料層合板的單沉頭螺栓連接強(qiáng)度隨著沉頭螺栓沉頭比的增加而逐漸增加到一定程度，然后降低。

Feo[47]等對(duì)多釘(2×2、3×3、4×4)連接的載荷分配與孔邊應(yīng)力進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并分析了墊圈對(duì)復(fù)合材料連接處承載性能的影響，當(dāng)墊圈直徑為螺栓直徑兩倍時(shí)連接性能最佳。Khashaba[48]研究發(fā)現(xiàn)在15 N·m 的恒定擰緊力矩下，墊圈直徑在14～18 mm范圍內(nèi)，玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂螺栓連接失效載荷呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

3.3 其他影響因素

Asi[49]對(duì)編織結(jié)構(gòu)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的銷接承載性能與編織線密度、纖維體積的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明其承載性能隨編織線密度先增加后降低。Jadee和Othman[50]研究了孔保護(hù)系統(tǒng)對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料擠壓強(qiáng)度的影響，在螺栓孔附近添加一個(gè)額外的開孔可降低應(yīng)力集中，提高承載，失效載荷最高可增加34.81%。何龍等[39]發(fā)現(xiàn)增加局部鋪層的方式可提高最終失效度，但不改變基體初始開裂載荷。制孔質(zhì)量也對(duì)復(fù)合材料的機(jī)械連接性能具有重要影響。傳統(tǒng)的制孔方法使各向異性的復(fù)合材料在孔周產(chǎn)生大量應(yīng)力。螺旋銑孔、振動(dòng)輔助制孔、變工藝參數(shù)鉆削等新的制孔工藝方法可改進(jìn)復(fù)合材料制孔質(zhì)量[51]，從而提高連接性能。

Soykok[52]等分別測(cè)定玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在不同溫度下(20,40,50,60,70,80 ℃)單剪雙螺栓連接的承載性能，試驗(yàn)表明接頭失效載荷隨著溫度的升高而降低，但接頭破壞形式不隨溫度改變。

多緊固件連接問題也是研究者的關(guān)注內(nèi)容之一。Karakuzu[53-55]研究了玻璃纖維增強(qiáng)樹脂串(并)聯(lián)雙釘連接、三銷釘連接失效方式與開孔位置的關(guān)系。趙美英[56]通過對(duì)單列多釘連接研究分析，發(fā)現(xiàn)承載載荷分配呈現(xiàn)“浴盆式”形狀，主要取決于緊固件個(gè)數(shù)以及被連接件剛度。謝永剛[57]基于試驗(yàn)和模擬仿真兩種方法對(duì)復(fù)合材料多釘連接進(jìn)行研究，結(jié)果表明0°鋪層有利于分配載荷的均勻化，并采用了接頭處局部增強(qiáng)的方式使擠壓性能提高了106.45%。Gray和McCarthy[58]通過建立的復(fù)合材料多栓連接模型，研究了干涉配合、摩擦、層合板二次彎曲和三次彎曲等因素對(duì)多螺栓連接性能的影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

復(fù)合材料連接是輕量化核心技術(shù)之一，尤其是機(jī)械連接具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。試驗(yàn)研究和有限元模擬是研究復(fù)合材料機(jī)械連接力學(xué)性能的主要途徑?，F(xiàn)有的研究總結(jié)如下：

(1)美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)制定的ASTM D5961 M-13擠壓強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)適用范圍、試驗(yàn)原理、試驗(yàn)操作、試驗(yàn)結(jié)果處理、試驗(yàn)報(bào)告和試驗(yàn)的精密度以及試驗(yàn)機(jī)及其校準(zhǔn)、試樣幾何尺寸及失效方式、擠壓強(qiáng)度的測(cè)定、計(jì)算等都做了詳細(xì)的規(guī)定，具有適用范圍廣、分析全面的優(yōu)點(diǎn)，是最常采用的復(fù)合材料擠壓響應(yīng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7559-2005和HB 7070-94試驗(yàn)樣本設(shè)計(jì)、器材、分析方法等存在不合理性。ASTM系列和ISO系列試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也是其他各領(lǐng)域研究者采用最多的標(biāo)準(zhǔn)，具有重要試驗(yàn)參考價(jià)值。

(2)單向鋪層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料機(jī)械連接影響因素研究已較為成熟，但三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料仍存在許多研究空間。復(fù)合材料的有限元分析可通過失效準(zhǔn)則改進(jìn)、子程序開發(fā)等解決非線性問題，從而提高對(duì)復(fù)合材料損傷進(jìn)程、強(qiáng)度、失效方式等的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

(3)膠/螺混合連接和多栓(釘)連接是復(fù)合材料工業(yè)應(yīng)用的主要趨勢(shì)。

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