摘 要：建立復(fù)合材料單螺栓單搭接頭實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，對預(yù)緊力及裝配應(yīng)力對其拉伸力學(xué)性能的影響規(guī)律進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)研究中設(shè)置11組不同大小的預(yù)緊力，得到預(yù)緊力大小對接頭拉伸剛度和峰值載荷的影響規(guī)律。使用3D-DIC全場應(yīng)變測量系統(tǒng)得到接頭表面應(yīng)變場，分析反映裝配應(yīng)力水平對接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：對于直徑6.35 mm的螺栓，隨著螺栓預(yù)緊力的增加，復(fù)合材料螺栓接頭的拉伸剛度與峰值載荷先增加后減小，預(yù)緊力為12 kN左右時(shí)接頭獲得最佳力學(xué)性能，此時(shí)峰值載荷為16.66 kN，拉伸剛度為19.12 kN/mm。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；螺栓；接頭；力學(xué)性能；實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：TB33" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" 文章編號：1671-5276（2024）05-0022-05

Influence of Preload Force on Tensile Mechanical Properties of Composite Bolted Joints

Abstract：A model of composite single-bolt single-lap joint was established to study the influence of preload and assembly stress on its tensile mechanical properties. Eleven sets of different sizes of preload levels were set up in the experimental study， and the behaviour of preload size on the tensile stiffness and peak load of the composite joints were obtained. The strain fields on the joint surface were obtained using a 3D-DIC full-ield strain measurement system， and the influence of the damage factor reflecting the assembly stress level on the mechanical properties of the joint was analyzed. The results show that the tensile stiffness and peak load of the composite bolt joint increases first and then decreases with the increase of the preload force for 6.35 mm diameter bolts. The best mechanical properties are obtained at a preload of around 12 kN， when the peak load is 16.66 kN and the tensile stiffness 19.12 kN/mm.

Keywords：composite；bolts；joints；mechanical properties；experiment

0 引言

復(fù)合材料憑借其優(yōu)異的力學(xué)性能，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用［1-2］。復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量較高，耐疲勞性與破損安全性較好，可以滿足機(jī)體結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強(qiáng)的要求［3］。隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成型工藝和裝配技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)合材料構(gòu)件的使用部位正在由次承力部件向主承力部件擴(kuò)展［4］。復(fù)合材料構(gòu)件的大量使用可以顯著降低機(jī)體質(zhì)量，在保證結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上大大降低油耗并增加航程。因而復(fù)合材料的使用比例已成為衡量一型飛機(jī)先進(jìn)與否的重要標(biāo)志之一。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體性較高，這就可以大大減少裝配工作量，提升裝配效率［5-6］。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)裝配時(shí)常使用的連接方式包括膠接、鉚接、螺栓連接和混合連接等。其中，膠接適用于受力較小的裝配結(jié)構(gòu)中，例如復(fù)合材料地板結(jié)構(gòu)以及客艙行李箱結(jié)構(gòu)的裝配。螺栓連接主要用于受力較大的裝配結(jié)構(gòu)中，與氣動外形有關(guān)的結(jié)構(gòu)多使用沉頭螺栓，例如機(jī)翼蒙皮壁板和機(jī)身筒段結(jié)構(gòu)，氣動外形要求不高的部位常使用六角頭螺栓連接，例如中央翼盒中梁與肋的裝配及翼身結(jié)合部位接頭的連接。螺栓連接結(jié)構(gòu)承載能力強(qiáng)，連接質(zhì)量易于檢查，因而大量應(yīng)用于復(fù)合材料裝配結(jié)構(gòu)中［7］。

研究表明，在復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)中，預(yù)緊力過大或過小時(shí)均有可能削弱結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。預(yù)緊力過小時(shí)，螺栓無法對被連接件提供足夠的側(cè)向支撐，這會使拉伸時(shí)被連接件間的靜摩擦力過小，從而過早產(chǎn)生滑移與損傷；預(yù)緊力過大時(shí)，可能在擰緊的過程中就產(chǎn)生層內(nèi)及層間損傷，這些損傷會成為裂紋源，使得結(jié)構(gòu)在服役時(shí)過早產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失效，削弱裝配體力學(xué)性能。因此，研究預(yù)緊力及裝配應(yīng)力對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)拉伸力學(xué)性能的影響，并基于性能要求確定一個(gè)合理的預(yù)緊力取值范圍，對連接質(zhì)量的控制及擰緊工藝參數(shù)的確定有一定指導(dǎo)作用。

綜上所述，本文建立復(fù)合材料單螺栓單搭接頭，研究預(yù)緊力及裝配應(yīng)力對其拉伸力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本節(jié)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)和仿真使用的復(fù)合材料單螺栓單搭接頭，根據(jù)ASTM D5961標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了接頭的外形尺寸。根據(jù)螺栓擰緊的5個(gè)階段，即自鎖階段、螺栓彈性變形段、螺栓塑性變形段、復(fù)合材料損傷萌生段和復(fù)合材料損傷擴(kuò)展段。選擇各階段共11個(gè)預(yù)緊力進(jìn)行分析，研究接頭的拉伸力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)過程中使用3D-DIC全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，獲得復(fù)合材料表面的應(yīng)變場。

1.1 拉伸試樣設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中使用的復(fù)合材料單搭接頭如圖1所示。試樣所用尺寸根據(jù)ASTM D5961［8］標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。其中，試樣采用的寬徑比w/d=6.3，端徑比e/d=3.15，厚徑比t/d=0.59，在這種情況下可以保證復(fù)合材料在拉伸過程中產(chǎn)生擠壓失效。碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層壓板使用977-2預(yù)浸料鋪疊，在熱壓罐中固化成型。層壓板共鋪疊為20層，總厚度為3.76 mm，鋪層角度為［45°/90°/-45°/0°/90°/0°/-45°/90°/45°/-45°］。螺栓直徑為6.35 mm，螺栓孔直徑約為6.40 mm，螺栓與孔之間單邊間隙為25 μm，符合飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)螺栓連接要求。

為保證試樣制造的準(zhǔn)確度，復(fù)合材料層壓板使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具用于制孔，以減小復(fù)合材料可能出現(xiàn)的分層或毛刺。制孔時(shí)將復(fù)合材料板置于夾具上進(jìn)行，下層的復(fù)合材料板可以對上層板起到支撐作用，減少上層板出口處的分層與毛刺。此外，需要在下層板底部墊木塊，以減少下層板出口端的分層情況。制孔時(shí)鉆頭轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，進(jìn)給速度為15 mm/min。制孔實(shí)驗(yàn)表明，在該參數(shù)下，制孔時(shí)排屑順暢，鉆頭軸向力變化較為平穩(wěn)，所制出的孔質(zhì)量較高，尺寸偏差小。

本文研究不同大小預(yù)緊力對復(fù)合材料接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)組設(shè)計(jì)如表1所示?，F(xiàn)行的裝配大綱中規(guī)定，直徑6.35 mm的螺栓額定預(yù)緊力為6.21 kN。實(shí)驗(yàn)中共設(shè)置了5個(gè)預(yù)緊力分組，分別對應(yīng)預(yù)緊力不足、螺栓彈性段、螺栓塑性段、復(fù)合材料損傷起始段和復(fù)合材料損傷擴(kuò)展段，每個(gè)階段設(shè)置1—3個(gè)預(yù)緊力水平。按照標(biāo)準(zhǔn)工況設(shè)置每組實(shí)驗(yàn)的擰緊工藝參數(shù)，即潤滑油潤滑，轉(zhuǎn)速30 r/min，擰緊螺母、在螺母端安裝小墊圈以及不使用密封膠。

1.2 實(shí)驗(yàn)操作步驟

拉伸實(shí)驗(yàn)在SANS萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)機(jī)最大拉伸載荷為100 kN，拉力和位移的相對誤差控制在±0.5%以內(nèi)。準(zhǔn)靜態(tài)拉伸速度2 mm/min，測試溫度為（23±5）℃，濕度為（55±5）%。拉伸載荷由實(shí)驗(yàn)機(jī)的內(nèi)置傳感器測量。實(shí)驗(yàn)中測量圖1中A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的位移，以此確定接頭的位移。當(dāng)接頭峰值載荷下降超過20% 時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

如圖2所示，三維數(shù)字圖像相關(guān)（3-dimensional digital image correlation，3D-DIC）系統(tǒng)組成部分包括2個(gè)CCD相機(jī)（1 200萬像素，25 mm焦距）、1個(gè)標(biāo)定板、1個(gè)三腳架、LED光源和圖像處理軟件。實(shí)驗(yàn)前需要在接頭表面制造散斑。首先，用酒精清潔復(fù)合層壓板表面，去除油漬和污垢。將白色啞光漆均勻地噴涂在試樣表面。等白色底漆風(fēng)干后，使用制斑工具制作散斑。根據(jù)接頭尺寸及其與相機(jī)的距離，使用直徑為0.33mm的黑色散斑，并將其密度控制在50%左右。散斑制作完成后，將單搭接頭放置在拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)的夾具上，并保證接頭周圍區(qū)域的開敞性。2臺CCD相機(jī)分別布置在接頭兩側(cè)，它們用于測量復(fù)合層壓板表面的應(yīng)變場。測量時(shí)首先調(diào)整CCD相機(jī)的光圈和曝光時(shí)間，以確保相機(jī)獲得的圖像具有適當(dāng)?shù)牧炼龋苊鈭D像曝光不足或曝光過度。其次，調(diào)整CCD相機(jī)的鏡頭焦距，以保證獲得圖像的清晰度。然后調(diào)整CCD相機(jī)的空間位姿，使2臺CCD相機(jī)的光軸在接合面上的同一點(diǎn)相交。2臺CCD相機(jī)之間的夾角約為45°，儀器測量區(qū)域約占接頭表面的3/4。

接著使用標(biāo)定板來標(biāo)定CCD相機(jī)和3D-DIC系統(tǒng)。標(biāo)定板是具有均勻散斑和校準(zhǔn)特征點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件。在標(biāo)定過程中，標(biāo)定目標(biāo)需要在拉伸接頭位置自由旋轉(zhuǎn)、傾斜和平移，并實(shí)時(shí)由CCD相機(jī)采集圖像。圖像分析軟件確定了3D-DIC系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)，同時(shí)校正了鏡頭的光學(xué)畸變。根據(jù)校準(zhǔn)目標(biāo)上的一系列已知參數(shù)，圖像分析軟件獲得了由CCD相機(jī)定義的三維坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系被用作對試樣表面位移場和應(yīng)變場進(jìn)行三維測量時(shí)的參考。

在拉伸實(shí)驗(yàn)開始前拍攝一組照片，作為拉伸載荷為0時(shí)的參考圖像。隨后，實(shí)驗(yàn)機(jī)和3D-DIC系統(tǒng)同時(shí)啟動，CCD相機(jī)每3s自動采集一次圖像。拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，停止CCD相機(jī)采樣。在圖像處理軟件中選擇計(jì)算區(qū)域和設(shè)置相關(guān)參數(shù)，計(jì)算該區(qū)域的位移場和應(yīng)變場。

2 結(jié)果與討論

本節(jié)主要對拉伸實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果進(jìn)行分析與討論，分析載荷-位移曲線得到各接頭的拉伸剛度與峰值載荷，并分析造成力學(xué)性能差異的原因。

通過對接頭載荷-位移曲線的分析可知，拉伸過程大致可分為5個(gè)階段，無滑移段、滑移段、完全接觸段、損傷段和最終失效段。在無滑移段，接頭依靠兩板之間的靜摩擦來承受外部載荷，此時(shí)接頭的抗拉剛度較大。當(dāng)外載荷超過兩板所能提供的最大靜摩擦力時(shí)，接頭發(fā)生相對滑移，拉伸曲線進(jìn)入滑移段。在這個(gè)階段，位移顯著增加而拉伸載荷增加較少?；贫蔚拈L度取決于螺栓桿和孔之間的間隙大小。當(dāng)螺栓桿與孔發(fā)生接觸時(shí)，拉伸曲線進(jìn)入完全接觸段。此時(shí)接頭的承載能力主要取決于螺栓桿與孔的接觸面積，接頭承載能力隨著接觸面積的增加而增加。由于螺栓桿與孔之間存在間隙，螺栓在受拉時(shí)會發(fā)生傾斜，與復(fù)合層壓板形成嚴(yán)重?cái)D壓區(qū)，復(fù)合材料層壓板的損傷也主要發(fā)生在這幾個(gè)區(qū)域。隨著螺栓桿和孔的擠壓作用不斷增強(qiáng)，復(fù)合層壓板開始產(chǎn)生損傷，曲線進(jìn)入損傷段。該階段接頭的抗拉剛度降低，但沒有完全失去承載能力。當(dāng)損傷累積到一定程度時(shí)，接頭完全失去承載能力，載荷發(fā)生顯著的降低，此時(shí)接頭進(jìn)入最終失效段。

此處的拉伸剛度主要指接觸段的拉伸剛度，即螺栓桿與孔壁發(fā)生接觸時(shí)的剛度，其數(shù)值通過式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Fmax表示峰值載荷；u表示位移。

實(shí)驗(yàn)和仿真得到的載荷-位移曲線如圖3—圖7所示（本刊黑白印刷，相關(guān)疑問咨詢作者）。分析接頭的載荷-位移曲線可以看出，隨著預(yù)緊力的增加，復(fù)合材料螺栓接頭的拉伸剛度和峰值載荷先增加后減小，如圖8所示。當(dāng)預(yù)緊力在12 kN附近時(shí)，達(dá)到最佳力學(xué)性能，此時(shí)接頭的峰值載荷為16.66 kN，拉伸剛度為19.12 kN/mm。預(yù)緊力達(dá)到12 kN附近時(shí)，螺栓在擰緊過程中就達(dá)到了塑性變形階段，因此可以推斷，擰緊時(shí)適當(dāng)提高預(yù)緊力數(shù)值，即使螺紋中產(chǎn)生了少量的塑性變形，也可以提高復(fù)合材料螺栓接頭的力學(xué)性能。以預(yù)緊力12 kN為中心，小于或大于這一預(yù)緊力均會導(dǎo)致接頭力學(xué)性能的降低，其中預(yù)緊力為0 kN（預(yù)緊力不足）時(shí)其峰值載荷和拉伸剛度分別降低10.20%和28.45%，預(yù)緊力為20 kN（復(fù)合材料在螺栓擰緊階段即產(chǎn)生損傷）時(shí)其峰值載荷和拉伸剛度分別降低4.98%和29.03%。

預(yù)緊力過小時(shí)，無法為復(fù)合材料層壓板提供足夠的側(cè)向支撐，導(dǎo)致兩板之間可提供的靜摩擦力過小，因而非滑移段的剛度會顯著變小，且兩板之間會過早產(chǎn)生相對滑移。進(jìn)入擠壓階段后，接頭的承載能力主要取決于螺栓桿與孔壁之間的接觸面積，預(yù)緊力較小則螺栓所能提供的側(cè)向約束較小，相同的拉力下可能產(chǎn)生更大的位移，導(dǎo)致二者之間接觸面積減小，因而拉伸剛度也顯著減小。此外，預(yù)緊力過小會導(dǎo)致螺栓桿與孔之間局部擠壓作用增強(qiáng)，在壓力較大的區(qū)域可能過早產(chǎn)生復(fù)合材料基體破碎或螺栓桿的塑性變形，從而減小接頭的峰值載荷。在一定程度內(nèi)增加預(yù)緊力可以提高接頭的側(cè)向支撐，從而提高接頭的拉伸剛度和峰值載荷。

圖9所示為載荷14.5 kN左右時(shí)復(fù)合材料層壓板表面的應(yīng)變場。分析應(yīng)變分布規(guī)律可知，預(yù)緊力大小對復(fù)合材料表面應(yīng)變場影響較大，隨著預(yù)緊力的增加，靠近螺栓孔附近的區(qū)域應(yīng)變值也明顯減小。拉伸過程中，由于試樣發(fā)生了較為明顯的次彎曲作用，因此在靠近螺栓孔的y方向產(chǎn)生較大的壓縮應(yīng)變，靠近螺栓孔的x方向產(chǎn)生較大的拉伸應(yīng)變。拉伸時(shí)螺栓頭和螺母對復(fù)合材料板產(chǎn)生較強(qiáng)的擠壓作用，因此孔周應(yīng)變集中最為嚴(yán)重，是損傷產(chǎn)生和擴(kuò)展的主要區(qū)域。研究中發(fā)現(xiàn)螺栓預(yù)緊力是影響應(yīng)變場的主要因素之一。

3 結(jié)語

1）對于直徑6.35 mm的螺栓而言，隨著螺栓預(yù)緊力的增加，復(fù)合材料螺栓接頭的拉伸剛度與峰值載荷先增加后減小。預(yù)緊力為12 kN左右時(shí)接頭獲得最佳力學(xué)性能，此時(shí)峰值載荷為16.66 kN，拉伸剛度為19.12 kN/mm。

2）預(yù)緊力大小對復(fù)合材料表面應(yīng)變場影響較大，隨著預(yù)緊力的增加，相同拉伸載荷下螺栓孔附近應(yīng)變值顯著減小。

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