復合材料層合板螺栓連接強度實驗研究

王曉俠 方 超 張 亮 張 成 岳永威

1海軍裝備部駐上海地區軍事代表局，上海 201913

2哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

3哈爾濱工程大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

復合材料層合板螺栓連接強度實驗研究

王曉俠1方 超2張 亮3張 成3岳永威2

1海軍裝備部駐上海地區軍事代表局，上海 201913

2哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

3哈爾濱工程大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

通過對不同預緊力下艦船復合材料層合板單剪連接和雙剪連接兩種結構形式的靜拉伸強度實驗，考核了復合材料層板螺栓連接處的強度特性。實驗結果表明：雙剪連接結構強度隨著預緊力的增大而增大。而在單剪連接結構中，一定范圍內的預緊力可以增加連接結構的強度，過大的預緊力會使其連接強度減小。通過對以上實驗現象的分析，認為預緊力對板的側向約束限制并延緩了局部開裂和分層是預緊力增加螺栓連接結構強度的主要原因。

復合材料層合板；螺栓連接；單剪連接；預緊力；強度

1 引言

復合材料由于具有比剛度、比強度高，抗腐蝕性好，鋪層可設計性等優點被廣泛應用于航空、航天、造船、建筑等領域中。復合材料應用時由于工藝水平的限制和使用維修等方面的需要大多數采用螺栓連接，螺栓連接區域是復合材料層合板結構的薄弱區域。實際應用表明，在飛機的各種故障中，75%～80%的破壞發生在機體結構的零件連接部位上［1－4］，此外，大型地面雷達罩和艦船雷達罩因連接處強度不足而破壞的例子屢見不鮮。因此，開展復合材料層合板螺栓連接的強度研究對復合材料層合板的工程應用具有重要意義。

由于對減輕重量的要求不高，艦船上采用的復合材料層合板一般較厚，且通常采用單剪連接，和航空領域復合材料層合板的應用差異較大。航空領域中，一些學者對復合材料薄板的雙剪連接開展了大量的研究工作，而對厚板單剪連接的研究極為罕見。預緊力是復合材料螺栓連接的重要參量，國內外已有一些學者研究了預緊力對螺栓連接強度的影響，然而，由于復合材料層合板力學性能的復雜性，已發表的文獻數據差異較大。此外，由于實驗費用高昂，可得到的復合材料接頭實驗的數據依然較少。本文開展了不同預緊力下復合材料層合板單剪連接和雙剪連接兩種結構形式的靜拉伸強度實驗，重點研究了單剪連接和雙剪連接力學性能的差別及預緊力對連接強度的影響，為復合材料的工程應用提供參考。

2 實驗概況

本靜拉伸強度實驗的試件材料為玻璃布／環氧樹脂，材料參數為 E1＝12 GPa、E2＝10 GPa、E3＝6.6 GPa、 n12＝ 0.14、 ν13＝ 0.25、 ν23＝ 0.25、 G12＝ 2.5 GPa、G13＝ 1.5 GPa、G23＝1.5 GPa。 其中，標號 1 代表縱向、標號2代表橫向、標號3代表法向。試件具體尺寸如圖1所示，其中板厚H取為10 mm，開孔直徑D取為21 mm，為消除復合材料層合板端距和邊距對強度的影響，取試件端距E／D＝2.5、邊距 W／D＝ 2.5。

實驗在美國Instron公司生產的Fast Track8800電液伺服實驗機上進行，試件與實驗機采用夾具連接，為研究復合材料層合板單剪連接和雙剪連接力學性能的差別，本文共設計了2種夾持方式，如圖2所示。圖2a中的夾持方式用于模擬雙剪連接，此時螺栓較大的預緊力作用在壓板上，壓板和復合材料試件的接觸面積較大，使復合材料的應力集中相對較??；圖2b中的夾持方式用于模擬單剪連接，壓板和試件之間加入墊片后，由于墊片和試件接觸面積較小，螺栓較大的預緊力就通過墊片直接傳遞到復合材料試件上，產生較大的應力集中，和單剪連接的受力特性相似。實驗根據國家標準GB1447進行，拉伸速率取為2 mm／min。

2 實驗結果及討論

針對單剪和雙剪兩種連接形式分別開展了0 N·m、100 N·m、200 N·m 3 種擰緊力矩的靜拉伸強度實驗，實驗中每種工況均進行2次實驗，采用AC型扭力扳手施加擰緊力矩，0 N·m擰緊力矩采用手動擰緊。

2.1 載荷位移曲線

圖3所示為各工況下試件的載荷位移曲線，從圖3a和圖3b可以看出，在試件的初始拉伸階段，試件位移逐漸增大而載荷卻沒有明顯增加，這主要是由于試件的擰緊力矩為0 N·m，且試件和螺栓為間隙配合，此時實驗機的拉伸主要使螺栓和試件孔壁逐漸接觸，因此載荷沒有明顯增加。從圖3c～圖3f可以看出，試件載荷在拉伸的初始階段就迅速增大，然后載荷穩定而位移逐漸增大，這主要是由于此4種工況承受較大的擰緊力矩，試件和壓板之間產生的摩擦力較大，試件拉伸之初需克服此摩擦力，因此載荷突然增大而試件并沒有相對滑動，待載荷增大到超過試件摩擦力時，試件產生滑動，使螺栓和試件孔壁逐漸接觸，此過程中試件的載荷約等于穩定的摩擦力，僅位移發生較大變化。200 N·m擰緊力矩比100 N·m擰緊力矩工況的初始載荷大，這是因為較大的預緊力會產生較大的摩擦力，導致拉伸載荷較大。從圖3可以看出，待螺栓和試件孔壁完全接觸后，載荷基本隨位移線性增加，在增加的過程中，伴隨著多次載荷的微小突降，且載荷每次突降時均可聽到 “啪啪”的基體開裂聲，但此時沒有影響試件的整體強度，載荷微小突降后繼續隨位移線性增加。隨著試件的繼續拉伸，可頻繁聽到“啪啪”的響聲，此后載荷迅速下降，由于試件的端距和邊距較大，試件仍有一定的承載能力，但承載較原試件有較大降低，可視為試件已經破壞。

2.2 破壞強度及破壞位移

各工況下試件的破壞強度和破壞位移的平均

值如表1所示，表中破壞強度σp的定義為：式中，Pmax為破壞載荷；D為孔徑；H為試件板厚。破壞強度和破壞位移隨預緊力的變化曲線分別如圖4、圖5所示。

表1 試件破壞強度及破壞位移Tab.1 Failure strength and displacement of experimental parts

由表1和圖4、圖5可知，在0 N·m和100 N·m擰緊力矩下，單剪連接試件和雙剪連接試件的破壞強度及破壞位移差別較小，而擰緊力矩為200 N·m時，單剪連接試件的破壞強度和破壞位移比雙剪連接試件均有較大幅度下降，這主要是由于單剪連接時較大的預緊力直接作用于復合材料層合板上，使復合材料層合板產生較大的壓應力，此處的壓應力接近材料的壓縮強度，使復合材料層合板出現了基體開裂現象，產生了初始損傷，此外，這種較大的壓應力加劇了拉伸時的應力集中，進而使破壞載荷和破壞位移下降明顯。由實驗結果可知，在單剪連接結構中，一定范圍內的預緊力可以增加連接結構的強度，而過大的預緊力會使其連接強度減小，因此當復合材料層合板采用單剪連接結構時，要慎重選擇所施加的擰緊力矩，施加的擰緊力矩所產生的應力值以不超過工程設計中的許用應力為宜。

從圖4、圖5還可以看出，雙剪連接時，試件的破壞強度和破壞位移均隨著預緊力的增大而增大，但200 N·m擰緊力矩試件比100 N·m擰緊力矩試件的增加值較小，說明擰緊力矩增大到一定程度后則對螺栓連接結構的靜拉伸強度影響不大。國內外已有不少學者對預緊力能提高螺栓連接強度做出了解釋，認為預緊力使結構連接處應力集中趨于緩和。此外，預緊力對板的側向約束限制并延緩了局部開裂和分層［5－8］。筆者認為后者是預緊力提高結構連接強度的主要因素，從圖3可知，有擰緊力矩試件第1次基體開裂對應的載荷明顯大于無擰緊力矩試件的載荷，且其破壞位移也較無擰緊力矩的試件大，因此，有理由認為預緊力對局部開裂和分層的抑制使破壞位移增大，進而提高了連接結構的強度。與此相反，試件在高預緊力下，壓板與復合材料層合板較大的接觸面積使預緊力對結構的應力集中趨于緩和，預緊力僅在結構被拉伸的過程中限制受擠壓孔的擴張，這種限制作用會使孔壁處的受力特別復雜，甚至可能會導致應力集中的加劇，下文將采用數值方法具體研究預緊力對復合材料層合板螺栓連接結構應力集中的影響。

2.3 復合材料層合板螺栓連接結構的仿真計算

本文采用ANSYS軟件模擬復合材料層合板螺栓連接結構［9－11］，其計算模型為實驗中的雙剪連接模型。為精確模擬實驗中層合板在拉力作用下的響應，本文采用了實體建模技術，有限元模型中忽略了螺紋對螺栓的削弱作用，用光滑圓柱代替螺栓。建模中采用SOLID45單元模擬復合材料層合板，采用PRETS179單元模擬螺栓的預緊力，螺栓與試件孔壁之間、試件和壓板之間、壓板和螺母之間采用接觸單元TARGE170和CONTA174模擬，接觸對間的摩擦系數取為0.15。螺栓連接的有限元模型如圖6所示。

通過計算可得不同預緊力下復合材料層合板的應力云圖如圖7所示，層合板最大應力隨預緊力的變化曲線如圖8所示。從圖7、圖8可以看出，在拉力作用下，無預緊作用的復合材料層合板孔邊應力的影響范圍比有預緊作用的層合板大，而復合材料層合板最大應力卻隨預緊力的增大而增大。由此可知，預緊力在結構被拉伸的過程中限制了受擠壓孔的擴張，這種限制作用加劇了層合板的應力集中，這也進一步證明預緊力有限制并延緩局部開裂和分層的作用，是提高螺栓連接強度的主要因素。

3 結 論

本文開展了不同預緊力下復合材料層合板單剪連接和雙剪連接兩種結構形式的靜拉伸強度實驗，詳細分析了實驗的載荷位移曲線，通過對實驗現象和實驗結果的分析可得到的結論及建議如下：

1）載荷基本隨位移線性增加，在增加的過程中，伴隨著多次基體開裂導致的載荷突降，但基體開裂不會影響試件的整體強度，載荷微小突降后繼續隨位移線性增加。

2）雙剪連接結構強度隨著預緊力的增大而增大，而在單剪連接結構中，一定范圍內的預緊力可以增加連接結構的強度，過大的預緊力會使其連接強度減小，因此，當復合材料層合板采用單剪連接結構時，建議采用中等擰緊力矩。

3）預緊力在結構被拉伸的過程中限制了受擠壓孔的擴張，這種限制作用加劇了層合板的應力集中，而沒有使應力集中趨于緩和，因此，預緊力限制并延緩了局部開裂和分層是提高螺栓連接強度的主要因素。

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An Experimental Study on Bolts Connection Strength of Composite Laminated Boards

Wang Xiao－xia1 Fang Chao2Zhang Liang3 Zhang Cheng3Yue Yong－wei2
1 Military Representative Office in Shanghai District，Naval Armament Department， Shanghai 201913，China
2 College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University， Harbin 150001，China
3 College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

In this paper，the static tensile－strength experiments of warship composite boards were done in both single and double shear connection forms under different pre－tightening forces，in which the connection strength characters of composite boards were assessed.The results indicate that the connection strength of double shear structure increases with the addition of pre－tightening force， while in single shear structure， it may be increased by a given range of pre－tightening force， but excessive level of pretightening force will reduce the connection strength.Through the analysis based on the experiment phenomena， the conclusions are drawn that added connection strength of bolt due to pre－tightening forces increasing is mainly attributed to the boards lateral restrain reduced by pre－tightening force limits and delay of local dehiscence and stratification.

composite board； bolt connection； single shear connection； pre－tightening force； strength

U661.72

A

1673－3185（2011）03－88－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.03.019

2010-07-26

海軍武器裝備預先研究項目（401030101）；國防科技合作項目（2007DFR80340）；船舶科技預研基金（07J1.1.6）

王曉俠（1962－），男，高級工程師。研究方向：船舶總體與系統。

方 超（1984－），男，碩士研究生。研究方向：艦船總體與系統。E-mail：fangchaoboy＠163.com