復合材料超差孔的承載強度與孔失效特性

李翔 劉海濤 張凌虎

摘 要：在復合材料零件的實際制造裝配過程中常常需要打孔進行機械連接，由于人工操作不當或者精度達不到要求等因素會使得螺栓孔偏大造成裝配零件超差現象。該實驗描述了通過制造碳纖維預浸料試板進行螺栓搭接。將試驗板鉆孔偏大至超差現象，然后用相同規格的標準件進行連接后進行組合試驗板拉伸試驗。觀測結果表明，復合材料孔擠壓失效可以概括為一個壓縮損傷積累的過程，可以分為以下四個階段：損傷發生；損害增長；纖維斷裂；結構性裂縫。結構孔失效的主要特性包括纖維受壓、基體開裂、分層和平面剪切開裂這四種情況。結構孔強度和失效模式也應該取決于橫向約束和基于不同的聚合物基質的分層的“韌性”。

關鍵詞：超差孔 復合材料 膠黏劑

中圖分類號：TB32 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（c）-0060-02

1 孔超差對零件的影響

眾所周知，零件的可靠性和耐久性是飛機結構中設計師必須考慮的一個很重要的環節；復合材料商務飛機更是如此。如何保證飛機在行駛中的安全？保證飛機的安全就是保護人類的生命，復合材料商務機在當今世界已經被廣泛采用，因為復合材料有許多的優勢是金屬材料所沒有的，比如比重比金屬材料輕；制造工藝簡單等特點。那么，復合材料的連接方式除了膠接（使用膠黏劑），還有機械連接方式。通常在日常裝配過程中一些非重要接頭為了減少成本會采用用膠黏劑直接作用在超差孔處。

2 實驗項目

本次試驗是以直接為6.35 mm的緊固件孔作為基準，研究不同超差程度下使用結構膠修補后孔的力學性能，得到修補孔的承載能力與修補膠層厚度之間的關系（見表1）。

3 試驗要求

3.1 試驗環境要求

試驗過程中溫度控制在23℃±2.8℃（-70℉±5℉），相對濕度控制在65%以下。

4 試驗步驟

將試驗板按照ASTM D3582方法進行搭接，見圖1所示，將螺栓放入超差螺栓孔中。

使用糊狀膠EA 9360將螺栓與超差孔的間隙進行膠接如圖2所示，放置至少24h使其固化。固化后，將試件編號并貼好標簽，等待試驗。

5 試驗過程

根據圖1的尺寸，制作2塊3.2 mm厚的試驗板與1塊6.4 mm的試驗板組成一個試驗件。根據上述試驗大綱制作相應超差尺寸的試驗件，然后將這些試驗件放在拉伸試驗機上進行拉伸試驗。

根據實驗任務書的要求，將所有試件按照超差尺寸的不同進行拉伸，拉伸機將會用相同的速率進行拉伸，待孔失效后停止試驗記錄實驗數據。每一個試驗件為一次記錄的數據。將這些數據通過計算得到結果進行分析。在試驗過程中如何判斷孔失效？通過對比拉伸試驗機在拉伸過程中傳輸的實時數據判斷，分別有兩種判斷方式：一是為螺栓孔周圍的膠失效；二是為試驗板失效。

6 試驗結果分析

圖1，2，3可看出，超差孔在收到外力的作用后螺栓孔的位置和形狀發生變化，螺栓變形，超差孔也在外力的作用下拉伸變形。由圖看初步分析，螺栓在收到外力變形后受壓力面與試板孔內壁擠壓后試板內壁受壓部分開始變形，首先內層膠被壓碎后擠壓試板內壁纖維結構。

螺栓的擠壓破壞載荷為：Pbr=doδkbrσb，σb為擠壓強度，根據理論許用值，EA9360的抗拉需用范圍為68 MPa，根據圖4的數據我們對比：從圖4中取出一個為“疑似”膠擠壓斷裂的點，載荷為10500 n，根據上述公式計算擠壓強度為95 MPa。對于理論使用值推算，此載荷為此試驗件的結構膠的斷裂。

由試驗數據可看出，在載荷大約為1噸時超差孔里的結構膠受壓破碎，而后螺栓與試驗板孔內壁的纖維開始擠壓，而由于纖維有一定的韌性。所以由圖我們可以看出在大約載荷為4t的時候試驗件才變形。試驗件變形就意味著載荷失效。

7 結語

當復合材料結構必須使用緊固件時，應對其進行特殊的設計考慮。復合材料有纖維和集體組成，其性能受到各組分材料性能的影響，并且具有非勻質性，緊固件對復合材料的影響與金屬材料不同，盡管復合材料的強度非常高，但如果處理不當就會帶來麻煩。所以緊固件的正確選擇極為重要。

在結構設計中，結構的整體性始終是減輕結構質量，提高結構效率的主要手段之一。相對金屬結構而言，復合材料便于進行整體固化成形，這對各類結構件，包括某些復雜的飛機結構件，提供了提高結構整體性的優越條件，有利于減輕結構質量，提高結構效率。但由于涉及，工藝和使用維修等方面的需要或限制，還是必須安排一定的設計和工藝里面，維護口蓋或者與其他零構件的連接接頭等，必須有相應的連接，所以連接設計在復合材料結構設計匯總是必不可少的關鍵環節之一。

參考文獻

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