纖維增強復合材料螺栓連接性能試驗研究

邢立峰，曹安港，畢鳳陽，劉長喜，王曉宏

(1. 中國船舶重工集團公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078；2. 黑龍江工程學院 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050)

0 引 言

碳纖維增強樹脂基復合材料（簡稱復合材料）以其比強度、比剛度大和整體可設計好的優點，以往在航空領域應用廣泛，近年在船舶等領域應用范圍也日益擴大[1–4]。復合材料具有傳統金屬材料無法比擬的優良綜合性能，對提高艦船隱身性能方面更有諸多優點。復合材料的吸波透波性、絕緣隔熱隔音性、阻尼減振性以及無磁性等固有特性為提高艦艇的雷達隱身、紅外隱身、聲隱身和磁隱身等創造了極有利的條件，因而是設計和建造中小型隱身艦艇最有潛力的結構/隱身材料[2]。日本已經建成大型玻璃鋼掃雷艦“江之島”號。在艦船上使用的復合材料結構以曲面板壁板和支撐梁居多，雖然可通過將構件整體成型使零件總數量減少和總重量減輕，提高了經濟性能。但零部件的連接仍然必不可少，并且其連接性能對結構的可靠性也起到至關重要的作用。本文通過實驗研究了復合材料的螺栓連接性能，通過試驗分析了復合材料板開孔、復合材料預埋襯套、復合材料加鋼板夾層3種結構的螺栓連接性能，以期為艦船用復材連接結構設計提供一定參考和幫助。

相對于復合材料膠結連接，螺栓連接用于傳遞較高載荷或需要強調可靠性高的部位，多用于主承力構件的連接。機械鏈接的優點主要表現在：便于質量檢測，安全可靠；能傳遞大載荷，抗剝離性能好；受環境因素影響較小；連接中無殘余應力；能夠拆卸后再裝配，便于修補；加工簡單等[5]。復合材料構件螺栓連接結構的形式主要有開孔螺栓連接、孔內預埋金屬套筒件螺栓連接、層間預埋環形金屬件螺栓連接3種形式。復合材料機械連接破壞模式有層合板的拉伸破壞、剪切破壞、劈裂破壞、擠壓破壞以及緊固件的破壞，如圖1所示。

圖 1 復合材料機械連接基本破壞模式Fig. 1 Composite material mechanical connection basic failure mode

1 試驗材料及試驗過程

為了對比分析不同連接方案結構的性能，針對上述3種連接方案，設計了3種試驗：即無預埋件的螺栓連接層合板雙剪切試驗、螺栓孔內預埋鋼制套筒件的螺栓連接層合板雙剪切試驗和層合板內預埋鋼板的螺栓連接層合板雙剪切試驗。試驗中所涉及到的主要材料有復合材料層合板、預埋套筒、預埋鋼板和連接螺栓，其材料性能如下：

1）復合材料層合板，材料體系為T700/5228，所制T700/5228單向板經測試力學性能見表1；

2）預埋件材料力學性能見表2。

3種試驗的試件示意圖如圖2所示。

3種試驗方案中，無預埋件的螺栓連接層合板雙剪切試件按照ASTM D-5961標準規定尺寸進行設計[6]。試驗中所涉及的層合板試件以及鋼制預埋件的形狀及尺寸如圖3所示，試驗孔邊緣距離試件外邊緣孔邊距都設計為3倍（18 mm）。

表 1 T700S/環氧5228復合材料單向板力學性能Tab. 1 T700S/5228 composites unidirectional plate mechanical properties

表 2 金屬預埋件及螺栓的材料及力學性能Tab. 2 Materials and mechanical properties of metal embedded parts and bolts

圖 2 不同連接方案試驗件的示意圖Fig. 2 Schematic diagram of different connection scheme test pieces

圖 3 試件形狀尺寸及開孔位置Fig. 3 Specimen shape size and opening position

3種試件的開孔位置一致，但套筒預埋件試件為放入套筒使開孔直徑增大。3種試件的鋪層形式一致，為保證3種試件總體尺寸一致，預埋鋼板件的層合板試件中層合板的厚度為1 mm，3種試件尺寸及鋪層見表3。

表 3 三種不同連接形式螺栓連接層合板試件尺寸Tab. 3 Three different connection forms of bolted connection laminates for specimen size

2 試驗結果

1）無預埋件復合材料板試件及其破壞形式見圖4；

2）帶套筒預埋件復合材料板試件及其破壞形式見圖5；

3）鋼板預埋件復合材料板試件及其破壞形式見圖6。

復合材料板連接形式及試驗結果如表4所示。

圖 4 無預埋件螺栓連接層合板雙剪切試驗試件的損傷模式Fig. 4 Damage patterns of double shear test Specimens with non -buried bolt connection laminated plates

圖 5 螺栓孔內預埋鋼制套筒件的螺栓連接層合板雙剪切試件的損傷模式Fig. 5 Damage patterns of double - shear specimens in bolted joints of embedded steel sleeves in bolt hole

圖 6 層合板內預埋鋼板件的螺栓連接層合板雙剪切試件的損傷模式Fig. 6 Damage mode of double shear specimen of laminated plates with laminated plates in laminated plates

表 4 不同連接形式層合板雙剪切試驗結果對比Tab. 4 Comparison of double shear test results of different connection mode

3 結 語

上述試驗結果表明：

1）開孔螺栓連接、孔內預埋金屬套筒件螺栓連接、層間預埋環形金屬件螺栓連接3種不同形式連接的失效模式都是擠壓破壞，表明采用3倍孔邊距對復合材料層合板螺栓連接能夠獲得該試件最大承載力，在設計復合材料打孔螺栓連接時應保證打孔的位置和制件邊緣距離至少在3倍孔徑以上。

2）帶有預埋件的連接結構的承載能力較強，尤其是鋼板預埋件的連接結構，其承載能力約為其他2種連接形式的3倍。同時選擇韌性好的鋼板預埋，可提高復合材料連接的抗脆性破壞能力，如果不考慮重量因素是一種連接強度和可靠性高的復合材料層合板螺栓連接方式，在關鍵連接位置應用可靠性更高。

[1]錢江, 李楠, 史文強. 復合材料在國外海軍艦船上層建筑上的應用與發展[J]. 艦船科學與技術, 2015, 37(1): 233–237.

[2]李江, 濤羅凱, 曹明法. 復合材料及其在艦船中應用的最新進展[J]. 船舶, 2013, 24(1): 10–16.

[3]杜善義. 先進復合材料與航空航天[J]. 復合材料學報, 2007,24(1): 1–12.

[4]楊乃賓. 新一代大飛機復合材料結構[J]. 航空學報, 2008,29(3): 596–604.

[5]謝鳴九. 復合材料連接[M]. 上海. 上海交通大學出版社,2011年.

[6]Standard Test Method for Bearing Response of Polymer Matrix Composite Laminate[S]. ASTM D-5961.