摘 要：沉頭螺栓連接能保證結(jié)構(gòu)良好的氣動(dòng)外形，常被應(yīng)用于飛機(jī)蒙皮等結(jié)構(gòu)。沉頭孔的制備過程中，由于設(shè)備條件限制，會(huì)導(dǎo)致锪窩深度誤差較大，給復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)帶來隱患。針對(duì)這一問題，結(jié)合有限元仿真分析進(jìn)行單釘單剪的靜拉伸試驗(yàn)，研究锪窩深度誤差對(duì)CFRP連接性能的影響。結(jié)果表明：對(duì)比于齊平狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)窩深值，锪窩較淺對(duì)靜強(qiáng)度影響較小，較深則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度下降，且锪窩越深，靜強(qiáng)度下降越快。

關(guān)鍵詞：螺栓連接；沉頭孔；锪窩深度誤差；連接性能

中圖分類號(hào)：TH131文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-5276（2024）03-0099-06

Effect of CFRP Countersunk Hole Socket Depth Error on Connection Performance

Abstract：Although countersunk bolt connection can ensure a good structure of aerodynamic shape and is often used in aircraft skin and other structures， a large error in the depth of countersink socket in the preparation process of countersunk holes is likely to occur due to limited equipment conditions， which brings hidden dangers to the composite laminated structure. To solve the problem， by combineing finite element simulation analysis， conducts a static tensile test of single nail and single shear， and studies the influence of countersink depth error on CFRP connection performance. The results show that the shallower countersink socket has less effect on the static strength compared with the standard fossa depth value in the flush state， and the deeper countersink will lead to the decrease of the static strength of the structure， and the deeper the countersink socket is， the faster the static strength decreases.

Keywords：bolted connection；countersunk hole；countersink depth error；connection performance

0 引言

碳纖維復(fù)合材料具有較好的比強(qiáng)度、比模量和抗疲勞性能，被廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域［1］。對(duì)于飛機(jī)蒙皮等結(jié)構(gòu)，為保證良好的氣動(dòng)外形，常使用沉頭高鎖螺栓作為連接緊固件，這就需要加工大量的沉頭孔［2］。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新一代飛機(jī)需要更高的機(jī)動(dòng)性、更長的服役時(shí)間、更強(qiáng)的復(fù)雜工況應(yīng)對(duì)能力，這對(duì)制孔質(zhì)量的要求也越來越嚴(yán)格。目前實(shí)際工程中的制孔常受設(shè)備條件限制，使得沉頭孔的锪窩深度不可避免地產(chǎn)生一定的誤差，而這些锪窩深度誤差并沒有一個(gè)統(tǒng)一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，也未能制定相關(guān)的锪窩工藝規(guī)范［3-5］。

學(xué)者們對(duì)锪窩深度誤差導(dǎo)致的損傷機(jī)理做了一定的研究。CHISHTI等［6］研究了沉頭高度比對(duì)損傷進(jìn)展和接頭強(qiáng)度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，沉孔的引入使軸向應(yīng)力大致減半并導(dǎo)致復(fù)合材料層合板的分層現(xiàn)象，這種分層主要位于沉頭區(qū)域的起始位置。LIU等［7］在ABAQUS中采用連續(xù)殼單元內(nèi)置損傷模型模擬層合板失效并建立模型來預(yù)測(cè)層間損傷，經(jīng)驗(yàn)證模型的精度和計(jì)算效率較高。NEZHAD等［8］利用X射線和光學(xué)顯微圖像研究了層合板的損傷和變形特征，分析了碳纖維布復(fù)合材料接頭中纖維屈曲斷裂、基體損傷、剪切損傷和層間分層等損傷機(jī)理，發(fā)現(xiàn)這些損傷廣泛地向沉頭孔下方復(fù)合材料部件的厚度發(fā)展，且向與加載方向相反的方向延伸。PARK等［9］研究了層合板層合處的拉伸裂紋擴(kuò)展，使用逆向方法確定了幾個(gè)裂紋前緣位置的應(yīng)力強(qiáng)度因子。LIU等［10］提出了一個(gè)數(shù)值模型來研究锪窩深度和角度對(duì)單螺栓沉頭抗拉強(qiáng)度的影響，以此數(shù)值模型來預(yù)測(cè)不同锪窩深度和锪窩角度的抗拉強(qiáng)度；采用方差分析的方法研究了锪窩深度和锪窩角度對(duì)極限拉伸載荷的協(xié)同效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)锪窩深度在抗拉強(qiáng)度中所占權(quán)重更高。

綜上所述，目前學(xué)者們對(duì)锪窩深度誤差已有一定研究，但現(xiàn)階段研究主要集中在損傷演化機(jī)理上，而對(duì)拉伸性能影響以及連接結(jié)構(gòu)破壞形式的研究較少。本文針對(duì)CFRP層合板制孔時(shí)產(chǎn)生的锪窩深度誤差問題，采用有限元建模仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了孔承受載荷時(shí)CFRP層合板軸向不同層的應(yīng)力分布規(guī)律以及拉伸過程中CFRP的纖維和基體損傷，研究了不同锪窩深度誤差造成的連接結(jié)構(gòu)破壞形式差異和對(duì)連接性能影響的規(guī)律。

1 拉伸過程有限元仿真分析

1.1 有限元建模過程

針對(duì)釘頭突出層合板Ⅰ類（锪窩深度較淺）、釘頭與層合板齊平Ⅱ類（锪窩深度等于釘頭高度）、釘頭在層合板內(nèi)部Ⅲ類（锪窩深度較深）3種典型情況進(jìn)行仿真分析。樣品層合板的尺寸為135 mm×36 mm×4 mm，在UG中完成三維建模后將模型導(dǎo)入ABAQUS中。為合理降低軟件計(jì)算量，在孔周邊區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格，其他區(qū)域相應(yīng)降低網(wǎng)格量，模型采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型為C3D8R，有限元區(qū)域劃分如圖1所示。螺栓定義為鈦合金材料，層合板材料屬性和損傷演化通過VUMAT子程序定義。由于拉伸過程應(yīng)力主要分布于沿拉伸方向，故本文采用二維Hashin準(zhǔn)則來進(jìn)行簡化計(jì)算，Hashin準(zhǔn)則的損傷類型和損傷因子的定義如表1所示。表中d超過1.0時(shí)即視為該處的應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到材料的強(qiáng)度極限而發(fā)生相應(yīng)的損傷，材料的詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

賦予材料后，通過定義拆分平面對(duì)層合板進(jìn)行分層處理并根據(jù)層合板鋪層順序逐層賦予材料方向，定義層合板之間的接觸為面與面接觸，有限元模型的接觸關(guān)系如下：上板下表面和下板上表面、螺帽與板、螺帽和螺栓、螺栓沉頭部分和沉頭孔部分內(nèi)壁、螺栓桿與上板通孔孔壁、螺栓桿與下板通孔孔壁，具體接觸關(guān)系示意如圖2所示。接觸方法采用罰接觸方法，滑移方式為有限滑移，層合板材之間摩擦因數(shù)μ=0.3，復(fù)材與螺栓之間的摩擦因數(shù)μ=0.15，算法選擇動(dòng)態(tài)顯式算法。將板材一端設(shè)置為固定，另一端施加2mm/min的加載速度，持續(xù)0.5s。

1.2 拉伸過程孔周應(yīng)力分布分析

選取拉伸0.2s時(shí)的仿真結(jié)果分析拉伸載荷加載時(shí)的應(yīng)力分布情況，如圖3所示。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)锪窩深度低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，試驗(yàn)件的應(yīng)力分布情況與標(biāo)準(zhǔn)窩深值的應(yīng)力分布相似，都是集中在CFRP上下板接觸處孔受載側(cè)位置，而當(dāng)锪窩深度大于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，螺栓沉頭處孔壁產(chǎn)生了較為明顯的應(yīng)力集中。這是因?yàn)檫^大的锪窩深度導(dǎo)致螺栓桿與孔壁的接觸面積減小，由于沉頭孔的存在，沉頭孔下方的層合板厚度也隨著锪窩深度增加而減小，從而導(dǎo)致整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降明顯，層合板沉頭孔處孔壁受到擠壓也更為明顯。

為了更進(jìn)一步分析孔周的應(yīng)力分布情況，將層合板按層分開，分別提取上層板入口A、沉頭處B、上層板出口C、下層板入口D、下層板出口E的孔周應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)后觀察每層應(yīng)力分布，如圖4所示。

可以看出在相同的載荷作用下，在A截面處Ⅰ、Ⅱ類試驗(yàn)件的應(yīng)力分布略有差異，但最大應(yīng)力差別較小，Ⅲ類試驗(yàn)件由于锪窩深度過大導(dǎo)致沉頭螺栓尚未與層合板接觸，所以應(yīng)力極小；Ⅰ、Ⅱ類試驗(yàn)件在B、C截面最大應(yīng)力差別不大，但Ⅲ類試驗(yàn)件相比于Ⅰ、Ⅱ類試驗(yàn)件出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中。這是因?yàn)橥瑯拥妮d荷下，Ⅲ類試驗(yàn)件由于锪窩過深，導(dǎo)致螺栓桿與孔壁接觸面積減小，在同樣的拉伸載荷作用下，更易在沉頭孔處產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)拉伸載荷持續(xù)作用時(shí)，將會(huì)先于其他兩類試驗(yàn)件發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞；D、E截面處3種類型試驗(yàn)件應(yīng)力分布類似。

在拉伸過程中，對(duì)比5處截面的應(yīng)力分布和大小，可以看出應(yīng)力主要集中在層合板沉頭位置及搭接處的孔受載側(cè)，拉伸過程中孔的損傷將會(huì)從這些位置開始。

1.3 拉伸過程孔周區(qū)域損傷分析

在孔周應(yīng)力分布分析后，選取拉伸至結(jié)束（0.5s）時(shí)的仿真結(jié)果進(jìn)行拉伸過程中的孔周損傷分析。如圖5所示，連接孔周圍發(fā)生損傷破壞的部分用紅色表示，未發(fā)生損傷的區(qū)域用藍(lán)色表示；A、B、C、D、E分別表示5個(gè)不同的軸向孔周位置（本刊為黑白印刷，如有疑問請(qǐng)咨詢作者）。

由圖5可以看出，Ⅰ類試驗(yàn)件在拉伸載荷的作用下纖維和基體損傷主要出現(xiàn)在通孔受載側(cè)。這是由于在拉伸載荷的持續(xù)作用下，通孔受載側(cè)相比于沉頭孔受載側(cè)具有更小的受力面積，相比于沉頭孔受載側(cè)更容易發(fā)生纖維和基體的損傷，其損傷分布均勻。Ⅱ類試驗(yàn)件在上板出口處、下板入口處均出現(xiàn)了纖維和基體的損傷，主要集中在沉頭孔受載側(cè)及搭接處通孔受載側(cè)，上層板損傷程度大于下層板，且損傷程度較為均勻，總體損傷程度較小。Ⅲ類試驗(yàn)件對(duì)比于Ⅰ、Ⅱ類試驗(yàn)件，锪窩深度過深，使得在沉頭孔受載側(cè)受力面積過小，同時(shí)抵抗拉伸載荷軸向分力的部分過薄，導(dǎo)致在沉頭孔受載側(cè)及上板出口受載側(cè)出現(xiàn)極為明顯的基體和纖維損傷，故在拉伸載荷的作用下，結(jié)構(gòu)的損傷主要集中在這些區(qū)域，在下板入口處出現(xiàn)微小基體損傷，下板出入口均幾乎未出現(xiàn)纖維損傷。

2 材料及試驗(yàn)實(shí)施方案

2.1 材料及試驗(yàn)安排

試驗(yàn)件是根據(jù)ASTM D 5961［11］標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的單螺栓單搭接樣品，材料為AC531/CCF800H高韌性環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，其鋪層順序?yàn)椋?/-45/0/90/45/0/-45/0/90/45/0/-45/0］s，試驗(yàn)件示意圖如圖6所示。樣品層合板的尺寸為135mm×36mm×4mm，在兩端使用強(qiáng)力膠粘附尺寸為75mm×36mm×4mm的墊片以保證試驗(yàn)件在負(fù)載下的穩(wěn)定性。

為提升沉頭孔的制孔精度和效率，采用直徑8mm鉆锪一體刀完成制孔工作，型號(hào)為D8×19.68×D18×100°×75×d10，在距板材邊緣18mm處制孔。試驗(yàn)件的加工在DMU 60 mono BLOCK高精度五軸加工中心完成，其锪窩精度可以控制在±0.01mm范圍內(nèi)。制孔時(shí)，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 500r/min，進(jìn)給速度設(shè)置為10mm/min。為確保制孔質(zhì)量，通過專用夾具固定試驗(yàn)件，并在下方放置一層環(huán)氧樹脂板來控制出口處的毛刺和分層問題。

為保證制備好的試驗(yàn)件符合實(shí)驗(yàn)要求，采用專用儀器檢測(cè)制孔后孔的質(zhì)量。用SBM-8CX內(nèi)徑千分尺測(cè)量孔的直徑，V9106高新精密三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量孔垂直度，TrulokSR801锪窩深度量規(guī)測(cè)量锪窩深度誤差。合格的試驗(yàn)件孔徑精度需控制在±0.02mm，垂直度精度需控制在±0.2°，锪窩深度誤差控制在±0.02mm。

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)實(shí)際工程中锪窩深度可能出現(xiàn)的沉頭螺栓釘頭與連接件的表面齊平、沉頭螺栓釘頭內(nèi)凹進(jìn)連接件表面、沉頭螺栓釘頭外凸出連接件表面的3種锪窩深度類型，將沉頭孔锪窩深度水平值分為6組，通過改變鉆锪一體刀的垂直進(jìn)給量來控制沉頭孔深度h，范圍為1.1mm～3.1mm，其中锪窩深度1.9mm為沉頭螺栓釘頭與連接件表面齊平的標(biāo)準(zhǔn)锪窩值。考慮到實(shí)際制孔時(shí)窩深過深的情況更為棘手，制孔時(shí)選擇2組锪窩深度小于標(biāo)準(zhǔn)值，4組锪窩深度大于等于標(biāo)準(zhǔn)值，具體锪窩深度如表3所示，制作過程如圖7所示。

2.2 靜強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)置

靜拉伸試驗(yàn)過程依據(jù)ASTM D5961標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)于不同窩深水平值的試驗(yàn)件進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)，測(cè)得發(fā)生破壞時(shí)的最大靜態(tài)承載力。使用PT-1167GDW萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，采用YSA302抗剪型鈦合金沉頭高鎖螺栓作為連接緊固件。試驗(yàn)裝置如圖8所示。采用位移控制，拉伸速率設(shè)置為2mm/min。試驗(yàn)在正常室溫下進(jìn)行，當(dāng)試驗(yàn)件發(fā)生明顯破壞后，繼續(xù)加載一段位移至拉伸力處于較低時(shí)停止試驗(yàn)，根據(jù)锪窩深度的劃分，試驗(yàn)設(shè)為6組，每組進(jìn)行5次試驗(yàn)。

3 結(jié)果分析及討論

拉伸試驗(yàn)完成后，記錄不同锪窩深度的平均最大靜態(tài)拉力，導(dǎo)出最大靜拉伸力-位移曲線如圖9所示。拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。同時(shí)記錄不同锪窩深度試驗(yàn)件的具體失效形式。

從圖9和表4可以看出，在锪窩深度小于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，試驗(yàn)件的破壞曲線與標(biāo)準(zhǔn)件類似，最大靜拉伸力變化不大；锪窩深度大于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，試驗(yàn)件的平均最大靜態(tài)拉力逐漸減小，本實(shí)驗(yàn)锪窩過深的3組锪窩深度試驗(yàn)件對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)件分別下降約3.5%、7.9%、10.8%，發(fā)生破壞時(shí)的位移量也越來越小。

由圖9可以看出，隨著位移的逐漸加載，靜拉伸過程可以分為4個(gè)階段：第一是彈性變形階段，這一階段發(fā)生在靜拉伸載荷加載初期，試驗(yàn)件的載荷和位移成線性關(guān)系并快速增長；第二階段，彈性變形結(jié)束，進(jìn)入塑性變形階段，載荷隨位移增加緩慢增大，逐步達(dá)到靜拉伸的最大載荷；第三階段，塑性變形階段結(jié)束，進(jìn)入局部失效階段，CFRP板出現(xiàn)部分纖維和基體的損傷破壞，結(jié)構(gòu)承載能力下降，隨著位移增大，載荷逐漸減小，此階段可以聽到纖維斷裂的聲音；第四階段分為兩種情況，當(dāng)锪窩深度大于釘板齊平時(shí)的锪窩深度時(shí)，沉頭螺栓直接發(fā)生拉脫，曲線將會(huì)以近乎垂直的趨勢(shì)快速達(dá)到一個(gè)載荷較低值，當(dāng)锪窩深度小于釘板齊平時(shí)的锪窩深度時(shí)，將繼續(xù)剪切CFRP板，載荷維持緩慢降低的趨勢(shì)直到達(dá)到較低值，在第四階段的末期，結(jié)構(gòu)件均喪失正常承載能力。锪窩深度誤差導(dǎo)致的破壞形式差異如圖10所示。

經(jīng)過觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)锪窩深度小于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，破壞形式均為試驗(yàn)件被剪切破壞，由沉頭螺栓光桿強(qiáng)行將材料擠壓剪切，如圖10（b）所示；當(dāng)锪窩深度等于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，部分試驗(yàn)件發(fā)生剪切破壞，部分試驗(yàn)件發(fā)生拉脫破壞；而當(dāng)锪窩深度大于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，破壞形式均為拉脫破壞，如圖10（c）所示。這是由于當(dāng)锪窩深度小于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，主要是螺栓桿承力，破壞形式是層合板的孔壁受到螺栓光桿擠壓，進(jìn)而發(fā)生層合板的剪切破壞。隨著锪窩深度的逐漸增大，沉頭孔所在位置的層合板厚度會(huì)逐漸減小，并且由于拉伸過程中螺栓的傾斜，層合板所受的徑向分力會(huì)先將厚度較小位置的層合板擠壓破壞，接著發(fā)生整體強(qiáng)度突降，釘頭被拽出層合板，發(fā)生螺栓拉脫破壞。

拉伸試驗(yàn)的結(jié)果表明锪窩深度小于等于標(biāo)準(zhǔn)锪窩深度值時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)連接性能影響不大，而當(dāng)锪窩深度大于標(biāo)準(zhǔn)锪窩深度值時(shí)，連接性能則會(huì)出現(xiàn)明顯折損且破壞形式更為嚴(yán)重，這與有限元仿真中孔周區(qū)域應(yīng)力和損傷分析得出的規(guī)律一致。

4 結(jié)語

本試驗(yàn)研究了沉頭孔锪窩深度誤差對(duì)碳纖維復(fù)合材料單搭接單螺栓連接性能的影響，結(jié)合有限元仿真分析，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果研究了孔周應(yīng)力分布，通過受載孔靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，分析不同锪窩深度對(duì)連接性能的影響，得到以下結(jié)論。

1）锪窩深度大于釘板齊平時(shí)的锪窩深度時(shí)，孔周應(yīng)力分布表明在受力時(shí)各層間的承載極為不均，沉頭孔位置有非常明顯的應(yīng)力集中，這會(huì)直接導(dǎo)致纖維和基體產(chǎn)生較大損傷，引發(fā)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

2）當(dāng)锪窩深度小于釘板齊平時(shí)的锪窩深度時(shí)，連接件靜拉伸強(qiáng)度變化不明顯，破壞形式主要為剪切破壞。

3）锪窩過深直接影響結(jié)構(gòu)件連接性能。當(dāng)锪窩深度大于釘板齊平時(shí)的深度時(shí)，連接件的靜拉伸強(qiáng)度會(huì)隨著锪窩深度的增加而減少，最多下降約10.8%。同時(shí)在拉伸載荷作用下，锪窩深度較大的連接件也會(huì)更早地發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞失效，并且锪窩深度越大，失效越快，破壞形式主要為拉脫破壞。

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