復(fù)合材料多排釘連接結(jié)構(gòu)釘載分配規(guī)律

宋鑫, 李偉, 李桐*, 王成波, 王博

( 1.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化與CAE 軟件全國重點(diǎn)實驗室，大連 116024；2.沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所，沈陽 110035 )

飛機(jī)結(jié)構(gòu)中存在大量復(fù)合材料多排釘連接結(jié)構(gòu)[1-5]，現(xiàn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中，多排釘連接結(jié)構(gòu)承載計算使用傳統(tǒng)的工程算法，作為強(qiáng)度設(shè)計時的參考理論解。但是，復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)釘載分配受到幾何參數(shù)、制造誤差等多種因素的共同影響，實際破壞強(qiáng)度與工程算法計算結(jié)論大多數(shù)時候并不一致，在實際應(yīng)用中只能加大安全系數(shù)來提升結(jié)構(gòu)可靠性，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)超重。完全反映現(xiàn)實制造和裝配工藝的有限元模型可以得到相對準(zhǔn)確的結(jié)果，但是分析成本大、制造與裝配工藝無法完全在模型中得以體現(xiàn)，因此無法在飛機(jī)設(shè)計中得到全面使用。因此，如何通過試驗的手段準(zhǔn)確測量釘載分配并對傳統(tǒng)的工程算法進(jìn)行修正成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)多排釘連接方案設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。

劉興科等[6]、劉向東等[7]、Lawlor 等[8]均采用將應(yīng)變片沿板寬均勻粘貼在螺栓之間的區(qū)域，通過測量該區(qū)域的平均應(yīng)變來間接算出螺栓載荷的方法。但該方法假設(shè)所有載荷都由螺栓承載，忽略摩擦的影響。陳龍等[9]、張明俊[10]研究表明直接按應(yīng)變測量結(jié)果計算復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)釘載分配，仍然是一種間接的釘載測量手段。Stanley等[11]、Liu 等[12]、張建宇等[13]采用在螺栓內(nèi)部開凹槽，將兩個應(yīng)變片相對于槽內(nèi)剪切面沿45°粘貼，測量螺栓上的剪切應(yīng)變來計算出螺栓載荷的方法。但該方法對應(yīng)變片粘貼技術(shù)要求高，且對螺栓的安裝精度要求較高，安裝角必須保證在±5°以內(nèi)，且破壞了螺栓自身的幾何特征，對釘載分配規(guī)律具有不可知的影響。上述以電測實驗技術(shù)為基礎(chǔ)的測量手段在面對多排螺栓連接結(jié)構(gòu)時需要大量粘貼應(yīng)變片，試驗成本大、效率低。

謝鳴九[14]針對多排單列連接結(jié)構(gòu)開展研究，研究表明在常見的基本幾何參數(shù)下，多于4 排釘?shù)倪B接對于降低最嚴(yán)重釘?shù)某休d比例作用很小。鄭巖冰[15]則對多排單列連接結(jié)構(gòu)，研究寬徑比、螺栓直徑、螺栓間距等幾何參數(shù)對載荷分配比例的影響趨勢，并分析了不同參數(shù)對載荷分配比例影響的機(jī)制。龔瀟[16]同樣針對多排單列連接結(jié)構(gòu)，通過試驗與有限元對比，研究表明螺栓擰緊力矩、幾何參數(shù)對載荷分配的影響較小。

通過上述研究可以看出，開發(fā)一種可以方便快捷、準(zhǔn)確測量連接結(jié)構(gòu)螺栓載荷的試驗方法十分必要。本文提出使用光纖螺栓來測量復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)釘載分配的方法。該方法具有不影響原始結(jié)構(gòu)、測量精度高、方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，同時該方法可以實現(xiàn)對螺栓載荷的實時監(jiān)測。另外目前復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)釘載分配的研究，多是針對多排單列連接結(jié)構(gòu)開展幾何參數(shù)方面的研究，但對多排多列連接結(jié)構(gòu)的釘載分配研究還不足。因此本文針對6 排2 列復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)，利用光纖螺栓通過試驗手段對釘載分配進(jìn)行研究，驗證光纖螺栓技術(shù)的有效性和可行性，并基于商業(yè)有限元軟件(ABAQUS，2020，法國) 建立了考慮制造特征的有限元模型，探索了釘載不對稱、裝配間隙等特征對釘載分配的影響，為復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)釘載分配研究提供依據(jù)。另外多螺栓連接結(jié)構(gòu)不同的螺栓裝配順序會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的預(yù)緊內(nèi)應(yīng)力，因此本文設(shè)計了4 種裝配順序，研究裝配順序?qū)B接結(jié)構(gòu)釘載分配的影響。

1 光纖螺栓技術(shù)

光纖光柵傳感器因具有體積小、抗電磁干擾、測量精度高等獨(dú)特優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種大型結(jié)構(gòu)的監(jiān)測中[17-21]，大量應(yīng)用證明了利用光纖光柵制作的各類傳感器能夠有效地對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實時監(jiān)測。

光纖傳感器的檢測原理是固定周期的光柵會反射固定波長的入射光。光柵的Bragg 波長由下式?jīng)Q定：

式中：neff為芯模有效折射率；Λ為光柵周期[22]。當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或其他物理量發(fā)生變化時，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使反射光的波長發(fā)生變化，通過測量物理量變化前后反射光波長ΔλB的變化，就可以獲得待測物理量的變化情況。

光纖螺栓技術(shù)是通過將光纖光柵傳感器埋入螺栓中(避開螺栓中性層) 測量螺栓的軸向變形，通過標(biāo)定系數(shù)進(jìn)而反映螺栓所受的力。復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)中光纖螺栓受到雙剪作用，發(fā)生彎曲變形。因為光纖不在螺栓中性層，所以受彎時會有軸向變形，通過測定由彎曲引起的軸向變形，來反映螺栓所受的剪力。

光纖螺栓由光纖光柵傳感器、固定頭、引線及接口構(gòu)成。光纖螺栓刨面結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 光纖螺栓刨面結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of fiber optic bolt plane

光纖螺栓的工作方式如圖2 所示，將光纖螺栓與解調(diào)儀相連，通過解調(diào)儀測得光纖光柵傳感器內(nèi)波長的變化，再將解調(diào)儀與軟件連接，通過軟件的參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)處理即可實時觀測到螺栓的受力情況。本文采用光纖螺栓均為自主設(shè)計，委托沈陽智航公司加工制造。

圖2 光纖螺栓工作方式：(a) 光纖螺栓實物圖；(b) 解調(diào)儀；(c) 軟件解調(diào)界面Fig.2 Working mode of optical fiber bolt: (a) Physical diagram of optical fiber bolt; (b) Demodulation instrument; (c) Software demodulation interface

由于解調(diào)儀監(jiān)測的是光纖光柵傳感器波長的變化，因此要想測得螺栓受力，需要在正式試驗前，對光纖螺栓進(jìn)行剪力系數(shù)標(biāo)定試驗，測得光纖螺栓對特定試驗件的剪力系數(shù)。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗件

為驗證光纖螺栓技術(shù)的可行性及研究釘載不對稱、裝配順序及裝配間隙對釘載分配的影響，特設(shè)計了3 種6 排2 列的雙搭接復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)試驗件，標(biāo)準(zhǔn)試驗件結(jié)構(gòu)尺寸如圖3、表1所示，EC 試驗件首先用于釘載不對稱研究，另外用于與AG 試驗件進(jìn)行對比，研究裝配間隙對釘載分配的影響，AS 試驗件用于裝配順序研究。試驗件由上下金屬板、中間復(fù)材板、金屬墊片及螺栓構(gòu)成。復(fù)合材料的鋪層方式如表2 所示。

表1 3 種試驗件尺寸參數(shù)Table 1 Size parameters of three test pieces

表2 復(fù)合材料鋪層方式Table 2 Composite material lay-up mode

圖3 6 排2 列標(biāo)準(zhǔn)試驗件尺寸Fig.3 Six rows and two rows of standard test pieces

試驗件采用T800 碳纖維，纖維樹脂體系為CCF800H/AC631，纖維體積含量63vol%±3vol%，單層厚度為0.125 mm。金屬板為鋁合金7075-T7451，螺栓為鈦合金TC4。

2.2 剪力系數(shù)標(biāo)定

采用分級加載方式對光纖螺栓進(jìn)行剪力系數(shù)標(biāo)定，一次標(biāo)定兩個螺栓。標(biāo)定試驗在一個穩(wěn)定的溫度環(huán)境(溫度變化很小)下進(jìn)行，忽略溫度對光纖螺栓的影響。由于封裝工藝的影響，光纖螺栓在不同方向的變形會有不同，因此在剪力系數(shù)標(biāo)定時需要找到光纖螺栓線性較好的方向并標(biāo)記。光纖螺栓標(biāo)定試驗如圖4 所示。

圖4 標(biāo)定試驗示意圖Fig.4 Calibration test diagram

DDL50 電子萬能試驗機(jī)(長春機(jī)械科學(xué)研究院)采用分級加載方式：拉伸開始前采集數(shù)據(jù)20 s，作為初始值，每5 kN，保載20 s，目標(biāo)載荷20 kN。

提取波長，計算波長變化量。1#與2#光纖螺栓波長改變結(jié)果如圖5 所示?？芍饫w螺栓波長改變量與外載荷變化十分吻合，在保載階段光纖螺栓波長改變量同樣保持水平，說明光纖螺栓具有良好的靈敏度，可以實時反映螺栓受力情況，并且波長變化十分穩(wěn)定。

圖5 1#、2#螺栓波長變化曲線Fig.5 Wavelength change curves of 1#, 2# bolts

在標(biāo)定試驗中不對螺栓施加預(yù)緊力，忽略摩擦的影響，控制試驗件在上下夾頭位置一致，讓試驗件在加載過程中始終保持豎直。因此考慮認(rèn)為在加載過程中外載荷始終被兩個螺栓均分。在此基礎(chǔ)上提取波長改變量，繪制散點(diǎn)圖并進(jìn)行線性擬合，如圖6 所示，可知光纖螺栓擬合結(jié)果R2能夠達(dá)到0.99 以上，說明該方向線性好、結(jié)果穩(wěn)定。擬合曲線斜率即螺栓的剪力系數(shù)。

圖6 1#、2#光纖螺栓剪力系數(shù)標(biāo)定結(jié)果Fig.6 Calibration results of 1#, 2# fiber optic bolt shear coefficient

進(jìn)一步觀察圖6 剪力系數(shù)標(biāo)定結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)1#、2#螺栓斜率并不一致，這是由于光纖螺栓封裝工藝導(dǎo)致的，不同光纖螺栓在受載時波長改變量并不一致。因此對試驗所需的光纖螺栓都需要進(jìn)行剪力系數(shù)標(biāo)定試驗。

在標(biāo)定試驗中，光纖螺栓波長改變量與外載荷變化十分吻合，說明測量結(jié)果能夠很好地反映螺栓實際受力情況，以此證明了光纖螺栓的測量精度及可靠性。

2.3 正式試驗

在工程實際中M6 螺栓施加的預(yù)緊力為5～8 N·m[23]，Liu 等[12]、鄭巖冰[15]研究表明螺栓預(yù)緊力對復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)釘載分配的影響可以忽略不計。為避免引進(jìn)不必要的誤差，因此本文試驗忽略預(yù)緊力的影響，在正式試驗中不對螺栓施加預(yù)緊力。

因為多螺栓連接結(jié)構(gòu)長時間裝配會導(dǎo)致一部分裝配變形，為排除非線性因素的干擾，試驗件需要一定的預(yù)拉伸，所以設(shè)置加載范圍為10～40 kN。

3 仿真設(shè)計

為準(zhǔn)確研究釘載不對稱及裝配間隙對釘載分配的影響，并進(jìn)一步與實驗結(jié)果對照，本文建立了兩種三維有限元模型。依據(jù)圣維南原理，有限元模型忽略了試驗件的夾持區(qū)域，結(jié)果表明簡化是合理的[24]。

3.1 材料模型

T800 級復(fù)合材料的單層力學(xué)性能如表3 所示[25-26]。為避免材料非線性特性影響研究結(jié)論，試驗載荷遠(yuǎn)小于各部件的破壞載荷，以保證試驗件一直保持在線彈性水平，計算過程中僅考慮螺栓和金屬板的彈性行為。螺栓材料為鈦合金TC4，彈性模量和泊松比為110 GPa 和0.31；金屬板材料為鋁合金7075-T7451，彈性模量和泊松比為70.3 GPa 和0.33。

表3 T800 級復(fù)合材料單層力學(xué)性能[25-26]Table 3 Monolayer mechanical properties of T800 grade composites[25-26]

3.2 有限元模型、網(wǎng)格和邊界

采用線性減縮實體單元(C3D8R)對螺栓和金屬板進(jìn)行建模，對復(fù)合材料采用連續(xù)殼(SC8R)單元。為保證數(shù)值預(yù)測的準(zhǔn)確性和收斂性，在螺栓孔處設(shè)計細(xì)網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離螺栓孔處采用粗網(wǎng)格，以降低計算成本。對于復(fù)合材料層合板，在厚度方向建立4 層單元。圖7 和圖8 顯示了兩種典型的雙層搭接接頭、復(fù)合層壓板和螺栓的網(wǎng)格示意圖。

圖7 釘載不對稱驗證三維有限元模型Fig.7 3D finite element model of nail load asymmetry

圖8 裝配間隙驗證三維有限元模型Fig.8 3D finite element model of assembly gap verification

圖7、圖8 在上下板左端施加完全約束，圖8為建立對稱模型，在對稱邊界處施加對稱約束。為方便后處理與外力的施加，將復(fù)合材料右端面與參考點(diǎn)建立方程約束，約束X方向位移相等。圖7 在參考點(diǎn)處施加X方向30 kN 的拉伸載荷，圖8 在參考點(diǎn)處施加X方向15 kN 的拉伸載荷。通過輸出復(fù)合材料板螺栓孔表面單元節(jié)點(diǎn)力作為螺栓載荷計算釘載分配。

3.3 接觸條件

接觸相互作用采用基于表面的接觸模型，使用線性懲罰方法開展計算仿真。裝配間隙的存在會導(dǎo)致復(fù)合板發(fā)生較大滑移，因此滑移計算采用小滑移公式，離散方法采用面對面離散。在3 個部件之間定義了3 種接觸相互作用；復(fù)合板與鋁板、鋁板與螺母表面及復(fù)合板和鋁板孔與螺栓桿接觸。主從面設(shè)置如圖9 所示，復(fù)合板與鋁板接觸屬性為硬接觸，摩擦系數(shù)為0.15[27]；鋁板與上下螺帽表面及復(fù)合板和鋁板孔與螺栓桿接觸為硬接觸，摩擦系數(shù)為0.1。

圖9 復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)接觸屬性主從面示意圖Fig.9 Schematic diagram of master/slave surfaces of contact properties of composite connected structures

4 結(jié)果與討論

4.1 釘載不對稱驗證試驗

采用EC 試驗件研究釘載不對稱時對多列螺栓釘載分配的影響，為考察釘載不對稱時對多列螺栓釘載分配產(chǎn)生多大的影響，同樣研究了釘載對稱時多列螺栓釘載分配情況進(jìn)行結(jié)果對比，并建立有限元模型驗證試驗結(jié)果。

EC 試驗件釘載不對稱驗證試驗如圖10 所示。通過機(jī)械加工將一直徑6 mm 光纖螺栓加工為直徑5.64 mm，并將其裝配在EC 試驗件間隙列Bolt 1 螺栓孔處，使EC 試驗件間隙列Bolt 1 螺栓孔處產(chǎn)生460 μm 初始裝配間隙，保持其余光纖螺栓與螺栓孔裝配公差均為0 mm。因此對EC 試驗件來說，Bolt 1 螺栓處左右釘孔間隙不一致導(dǎo)致釘載不對稱，外載荷并不會被兩列螺栓均分。釘載對稱試驗則為所有光纖螺栓與螺栓孔裝配公差均為0 mm。

圖10 EC 試驗件釘載不對稱驗證試驗工裝示意圖Fig.10 Tooling diagram of EC test piece nail load asymmetrical verification test

圖11 為EC 鋁板位移云圖?？芍笥裔斂组g隙不一致使鋁板位移變得不對稱，主要影響B(tài)olt 1～Bolt 3 螺栓孔處位移，對Bolt 4～Bolt 6 螺栓孔處位移幾乎沒影響。

圖11 EC 有限元模型鋁板位移云圖Fig.11 Displacement cloud of EC finite element model aluminum plate

表4 為釘載不對稱和釘載對稱兩種情況對無間隙列螺栓釘載分配影響的試驗和有限元結(jié)果。表中螺栓載荷為釘載系數(shù)，釘載系數(shù)定義為單個螺栓載荷占所有螺栓載荷總和的百分比。觀察試驗及有限元結(jié)果可知整體釘載分布趨勢為兩頭大中間小的凹形趨勢。由表4 試驗和有限元結(jié)果可知Bolt 1 (圖3 包含螺栓分布定義)為關(guān)鍵螺栓。對比觀察Bolt 2～Bolt 6 螺栓的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種情況的釘載占比變化很小，但Bolt 1 螺栓釘載占比較大，說明釘載不對稱時對Bolt 1 螺栓影響最為顯著；而有限元結(jié)果表明兩種情況下Bolt 2～Bolt 6 螺栓的釘載占比變化較大，Bolt 1 螺栓釘載占比變化很小，說明釘載不對稱時對Bolt 1 螺栓影響并不顯著。試驗結(jié)果表明釘載不對稱會導(dǎo)致無間隙列Bolt 1 螺栓較釘載對稱時承載增大4.7%。有限元結(jié)果則為增大1.3%。因此表明有限元模型并不能顯著地反映釘載不對稱時對關(guān)鍵螺栓的影響。觀察表4 合力試驗結(jié)果可發(fā)現(xiàn)釘載不對稱使無間隙列整體承載力較釘載對稱時增大14.7%。有限元結(jié)果增大12.7%。另外觀察釘載對稱試驗的合力結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)6 個光纖螺栓所測得合力為14.9 kN，這與外載荷30 kN 被兩列螺栓均分十分接近，也從側(cè)面說明了光纖螺栓和標(biāo)定試驗的準(zhǔn)確性。

表4 EC 試驗件無間隙列試驗與有限元釘載分配結(jié)果Table 4 Nail load distribution results of EC test piece gapless column test and finite element

4.2 裝配順序的影響

設(shè)計了AS 試驗件，考慮4 種裝配順序，對比研究裝配順序?qū)︶斴d分配的影響，4 種裝配順序如表5 所示。其中Case 1 為從受力端依次安裝螺栓；Case 2 為從兩側(cè)安裝到中間螺栓；Case 3 為從中間安裝到兩側(cè)螺栓；Case 4 為從固定端依次安裝螺栓。圖12 顯示了4 種裝配順序?qū)︶斴d分配的影響，其中虛線表示所有6 個螺栓之間的載荷平均，螺栓載荷表示為6 個螺栓承載的百分比。由圖可知大部分載荷由Bolt 1、Bolt 2、Bolt 6 螺栓承擔(dān)，實驗結(jié)果表明Bolt 1、Bolt 2、Bolt 6 螺栓總承載占比達(dá)到70%以上，裝配順序的改變對Bolt 1、Bolt 2、Bolt 6 螺栓影響最為明顯。對于中間Bolt 3、Bolt 4、Bolt 5 螺栓裝配順序的改變使承載呈現(xiàn)上升趨勢，說明后安裝Bolt 1 螺栓可使中間螺栓分擔(dān)更多載荷，進(jìn)而可以提高連接結(jié)構(gòu)的整體承載能力。

表5 AS 試驗件4 種裝配順序Table 5 Four assembly sequences for AS test pieces

圖12 AS 試驗件4 種裝配順序的釘載分配試驗結(jié)果Fig.12 Results of nail load distribution test of four assembly sequences of AS test pieces

在Case 3 中，即由內(nèi)向外安裝螺栓，可以看到每個螺栓之間的載荷分擔(dān)更加均勻。與Case 1相比對于主要承載的螺栓(在此試驗中是Bolt 1 和Bolt 6 螺栓) 載荷下降更加明顯。Bolt 1 螺栓相比于Case 1、Case 2 中分別降低25%、5.2%。Bolt 6螺栓作為關(guān)鍵螺栓，螺栓載荷相比于Case 1、Case 2 中分別降低9.7%、9.4%，進(jìn)而表明由內(nèi)向外安裝螺栓可以提高整體連接結(jié)構(gòu)承載能力達(dá)9%以上。

同樣從固定端依次安裝螺栓(Case 4)也會產(chǎn)生更均勻的載荷分布。Bolt 1、Bolt 2、Bolt 6 螺栓相比于Case 1、Case 2 中螺栓載荷更加接近平均載荷。大部分載荷都由外側(cè)Bolt 1、Bolt 2、Bolt 5、Bolt 6 這4 個螺栓承擔(dān)，總承載占比達(dá)85%以上。

4 種裝配順序的螺栓載荷標(biāo)準(zhǔn)差列在表6 中，可以發(fā)現(xiàn)Case 3、Case 4 相較于Case 1、Case 2 標(biāo)準(zhǔn)差明顯降低，說明采用Case 3、Case 4 的裝配順序可以使螺栓載荷分布更加均勻，提高連接結(jié)構(gòu)的承載能力。因此在裝配螺栓時，最后安裝外側(cè)螺栓(在此試驗中為Bolt 1 螺栓)可以有效優(yōu)化多排釘?shù)妮d荷分配結(jié)果。

表6 AS 試驗件4 種裝配順序螺栓載荷標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果對比Table 6 Comparison of standard deviation results of bolt loads for four assembly sequences of AS test pieces

4.3 裝配間隙的影響

通過設(shè)計AG、EC 試驗件對比研究了裝配間隙的影響，為保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，每種試驗件設(shè)計5 件，每件獨(dú)立重復(fù)試驗2 次。為避免裝配順序的影響，裝配順序統(tǒng)一采用第一種裝配順序(Case 1)。本文使用了三維有限元模型驗證光纖螺栓可以在實驗中觀察到裝配間隙對釘載分配的影響，同時工程算法采用剛度法[28]計算，以進(jìn)行對比，如圖13 所示。實驗結(jié)果表明不同裝配間隙條件下，總承載趨勢仍然為兩頭大中間小的凹型趨勢，Bolt 1、Bolt 6 螺栓承載占比最大，Bolt 2、Bolt 5 螺栓次之，Bolt 3、Bolt 4 螺栓承載占比最小。兩個外側(cè)螺栓承載占到總承載力的60%左右，因此Bolt 1 螺栓為關(guān)鍵螺栓，承載力占到38%左右。試驗得到的承載力趨勢與有限元結(jié)果達(dá)到了很好的一致性，從圖中可以觀察到Bolt 2～Bolt 6 螺栓的實驗結(jié)果與有限元結(jié)果很接近，而關(guān)鍵螺栓Bolt 1 的試驗承載結(jié)果比有限元結(jié)果偏大，與實驗結(jié)果相比有限元結(jié)果誤差最大達(dá)到10%。EC 有限元結(jié)果與剛度法計算的釘載分配保持高度一致。說明由于制造誤差的存在，不同螺栓孔與螺栓的配合精度會存在微弱差異，而在多排螺栓連接結(jié)構(gòu)中，研究釘載分配時這種微弱差異會被放大，實驗結(jié)果表明螺栓承載誤差最大為 ±3%，與剛度法計算結(jié)果相差達(dá)到6%以上。因此需要根據(jù)間隙特征修正仿真模型和工程算法。

圖13 AG、EC 試驗與有限元釘載分配結(jié)果Fig.13 Nailing distribution results of AG and EC test and finite element

AG 試驗件配合間隙是同時存在，在鋁合金板與復(fù)合板摩擦系數(shù)較小的情況下，板間相對位移產(chǎn)生所需要的載荷也是非常小的，在這種情況下，AG 試驗件一列的6 個螺栓幾乎是同時承載的，從圖13 中可知試驗與有限元結(jié)果均表明一致間隙的存在并不會顯著影響釘載分配。

5 結(jié) 論

設(shè)計了基于光纖光柵傳感器的光纖螺栓來測量多排螺栓連接結(jié)構(gòu)中不同螺栓的剪切力。針對典型的復(fù)合材料-鋁合金連接工況，研究了釘載不對稱、裝配順序、裝配間隙對復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)釘載分配的影響。取得了以下結(jié)論：

(1) 標(biāo)定試驗表明光纖螺栓具有良好的線性和穩(wěn)定性，證明光纖螺栓可以準(zhǔn)確測量螺栓所受的剪力；

(2) 多螺栓連接結(jié)構(gòu)釘載不對稱時會進(jìn)一步加劇釘載的不均勻分配，因此在工程實際中應(yīng)避免釘載不對稱情況出現(xiàn)；

(3) 對于多螺栓連接結(jié)構(gòu)裝配順序會影響釘載分布。在工程實際中最后安裝最外側(cè)螺栓，可以降低釘載分布差異，提高整體連接結(jié)構(gòu)可靠性；

(4) 對于連接結(jié)構(gòu)存在一致裝配間隙時的釘載分配與無間隙的情況基本相同。然而間隙的存在導(dǎo)致仿真和理論結(jié)果與實驗結(jié)果存在偏差，誤差最大達(dá)到10%，需要根據(jù)間隙特征修正仿真模型和工程算法。