復合材料波紋夾芯板成型工藝及其端部連接性能研究*

馬 森 趙啟林

(1.陸軍工程大學野戰工程學院，南京 210007;2.南京工業大學機械與動力工程學院，南京 211800)

1 概述

得益于復合材料比強度、比剛度高和環境適應能力強的優勢［1］，復合材料層合結構特別是層合板在港口樁基、橋面板等工程領域得到越來越廣泛的應用［2-6］。波紋夾芯板作為層合板的一種常見形式，能夠充分利用材料優勢，設計出質量更輕的結構。目前，波紋夾芯結構已廣泛應用于船舶的艙壁、艙門、甲板、船體外殼等。大量的研究工作表明：復合材料夾芯結構能夠很好地發揮復合材料的優勢［7-11］。

復合材料結構的一個重要研究領域是構件的成型工藝。復合材料波紋夾芯板的成型工藝主要有兩種，目前應用較為廣泛的是二次成型工藝，即首先將面板和芯層制作成預先設計的幾何形狀，再將二者黏結在一起，二次成型工藝方法簡單、容易操作，易于實現工業生產，但是采用這種工藝制作的板材，面板和芯層的黏結不可靠，容易出現脫黏剝離等問題。針對這些問題，哈爾濱工業大學的王強等提出了復合材料面板和芯層同時固化的一次成型工藝［12］，但是這種工藝沒有提出端部連接的處理方法，限制了波紋夾芯板在端部需要連接的情況下的應用。

機械連接通常是指對被連接件進行打孔，將兩個或多個被連接件機械地連接在一起的方法。復合材料機械連接有很多優點［13］：如在制造、更換和維修中可重復裝配和拆卸、便于檢查質量、對接頭零部件連接表面的準備和處理要求不高等。由于復合材料的脆性及各向異性，其螺栓連接接頭的螺栓孔周圍應力分布遠較金屬螺栓孔周圍應力分布復雜;同時其孔邊的應力狀態和失效模式與接頭形式、幾何參數、螺栓類型及擰緊力矩等因素關系密切［14］。正是由于影響復合材料連接性能的因素很多而且復雜，目前對復合材料螺栓連接接頭研究的手段主要是通過試驗和有限元軟件進行數值模擬。如Starikov等通過試驗研究了螺栓形式對接頭極限承載力的影響［15-16］;文獻［17-18］報道了施加預緊力對層合板螺栓連接接頭強度影響的研究，結果表明：施加一定程度的預緊力有利于提高接頭的極限承載力。

本研究對象為復合材料波紋夾芯板，首先提出了適合于端部機械連接的復合材料波紋夾芯板一體成型工藝;在成型工藝確定的基礎上，制作出了一系列的復合材料波紋夾芯板試件;提出了利用螺栓對復合材料波紋夾芯板端部進行連接的接頭形式，并研究了螺栓連接參數對連接效果的影響。

2 復合材料波紋夾芯板成型工藝研究

2.1 主要原材料及設備

2.1.1 主要原材料

碳纖維布、玻璃纖維布、環氧樹脂及固化劑是本試驗制作復合材料波紋夾芯板的主要原材料，其中碳纖維布用來作為面層材料，玻璃纖維布用來作為芯層材料。成型后的碳纖維和玻璃纖維鋪層的基本材料屬性見表1。

表1 波紋夾芯板材料屬性Table 1 Material properties of composite corrugated sandwich plate

2.1.2 主要設備

制作復合材料波紋夾芯板時用到的設備主要有芯模、夾具和加溫加壓設備。芯模由槐木制作而成，主要考慮到木材的硬度不是很大，方便脫模。夾具采用鋼板制作，和加壓設備配合使用可以提供指定方向的壓力，固化設備主要有熱壓機和烘箱。熱壓機在加壓的同時可以通過壓頭提供熱量，本文所使用的熱壓機可以提供0～20 MPa的壓力及壓頭處0～400℃的溫度。烘箱可以提供可調的溫度，具有加熱溫度高、保溫效果好的特點，可提供的溫度范圍是0～500℃。

2.2 試件制作前的準備工作

2.2.1 芯模的準備

制作復合材料波紋夾芯板，首先是要準備支撐纖維布的芯模，本文制作芯模選擇的材料是木材。首先將木塊通過機械加工手段制作成設計的形狀，因為經過機械加工的木質芯模表面還很粗糙，邊角存在毛刺，會使加工完畢的波紋夾芯板存在初始缺陷。因此，還需要先對模具表面進行打磨，使模具表面基本光滑，即用手撫摸表面感覺不出明顯的不平滑現象。因為本文所設計的芯模沒有考慮拔模斜度，為了便于脫模，采取的措施是在木芯模表面包裹脫模紙。脫模紙是一種在原紙的表面涂敷了特殊功能性材料的工業用紙，一面敷有黏結劑，另一面光滑，附著在該面的油漬、污點和其他附著物，如漿糊、樹脂、涂料等都可簡單地清除。包裹脫模紙時特別要注意盡量減少表面的褶縐。最后還需在表面涂刷脫模劑。

2.2.2 裁剪纖維布

根據構件的尺寸計算出所需要的纖維布的尺寸。注意在計算纖維布的寬度時需要把端部需要翻折的部分計算在內，同時長度和寬度方向均留有一定的余量。

2.2.3 上、下墊板和 L形板

制作試件前還需要準備上、下兩塊墊板和L形板。墊板和L形板均由鋼板制作，墊板放在上下面板處，L形板放在拐角的位置。其作用一是作為操作的平臺，便于夾芯板制作模塊的搬運;二是給拼裝的模具提供定位，使得夾芯板制作模塊在加溫、加壓時不發生相對錯動。注意墊板的厚度不能太厚，太厚放在熱壓機上熱量不容易傳遞，太薄則剛度太小，無法對模具起到約束的作用，本文在制作夾芯板時，墊板的厚度為3 mm。

2.3 復合材料波紋夾芯板制作流程

復合材料波紋夾芯板成型工藝流程如圖1所示。

圖1 復合材料波紋夾芯板成型工藝流程Fig.1 Molding process of composite corrugated sandwich plate

制作過程中需要注意以下幾點：1)纖維布預先都是經過浸膠處理，使環氧樹脂和固化劑充分浸潤纖維布;2)在鋪設完上面板纖維(圖1f)后，按照圖2所示對連接端的端部纖維翻折;3)利用熱壓機給上、下面板提供壓力，利用特制的夾具給側面翻折纖維提供壓力，上、下面板和側面提供的壓力為4 MPa。因為熱壓機僅僅給上、下面板提供熱量，導致中間芯層部分的固化劑遲遲不能固化，大大降低了試件制作效率，因此，在熱壓機上加熱加壓2 h，待固化劑已經基本固化，將波紋夾芯板制作模塊放入烘箱保持溫度180℃約4 h。固化完全后脫模，制作出的復合材料波紋夾芯板如圖2所示。

圖2 制作完成的試件Fig.2 A completed specimen

3 螺栓連接參數對復合材料波紋夾芯板端部連接性能的影響

基于前文提出的復合材料波紋夾芯板成型工藝，制作出了一系列的試件，研究了不同的螺栓連接參數對復合材料波紋夾芯板端部連接性能的影響。

3.1 試件描述

根據前文提出的復合材料波紋夾芯板的成型工藝，制作試驗所需要的復合材料波紋夾芯板試件。試件外形尺寸分別為：長 500 mm、寬 250 mm、高130 mm;其中面板由12層碳纖維布制作，波紋芯層由15層玻璃纖維布制作，加工完畢后，面板的厚度約2 mm，芯層的厚度約5 mm，試件橫截面尺寸如圖3所示。

圖3 試件橫截面尺寸Fig.3 Size of the cross section of the specimen

試件通過墊片和螺栓與反力墻連接，考慮采用兩種螺栓布置方式：方式1的螺栓布置在圖2中標記有“+”符號的位置，方式2螺栓布置在圖2中標記有“+”和“*”符號的位置。

墊片由 Q235鋼材制作，厚度6 mm。為了防止拐角處過于鋒利，在墊片和復合材料接觸的邊角打磨出直徑約為2 mm的圓角。連接螺栓采用M12高強螺栓，公稱直徑為12 mm，有效直徑為10.36 mm。

3.2 試驗設計

本次試驗共 6組，編號分別是 Z-0、Z-20、Z-40、Q-0、Q-20、Q-40。其中 Z 表示螺栓按照“方式1”布置，Q表示螺栓按照“方式2”布置，“-”符號后面的數字表示對螺栓施加的預緊力大小，單位為Nm。因為復合材料波紋夾芯板制作時存在誤差，端面厚度不完全均勻，在給螺栓施加預緊力時，首先給每個螺栓加大約50 Nm的預緊力，然后再將螺栓放松到需要的預緊力大小。

試件加載示意如圖4所示，夾芯板一端通過螺栓與反力墻連接，另一端布置加載和測量設備。圖4中的傳力墊板是厚度為20 mm的鋼板，其作用是防止荷載傳感器與試件的接觸面過小導致的試件局部壓潰。試驗前測量荷載施加點到反力墻的距離L1和位移測量點到反力墻的距離L2。

圖4 加載示意Fig.4 Loading diagram

3.3 試驗分析及結論

根據圖4所示的加載示意分別對6組試件進行性能試驗，并對試驗結果進行分析。

3.3.1 螺栓布置方式對連接性能的影響

試件Z-40和試件Q-40的位移-荷載曲線如圖5所示，可以看出：對于采用多螺栓連接的復合材料波紋夾芯板，在荷載施加的初始階段，端部位移隨著荷載的增加而變大;當荷載施加到一定程度(試件 Z-40 為 59.4 kN，試件 Q-40 為 87.7 kN)時，承載力會出現輕微的下降，繼續加載承載力又會再次上升，總體表現為承載力的“波動”現象，這種“波動”現象以試件Z-40較為明顯;而試件Q-40的“波動”現象持續的“時間”更長;另外，兩組試驗的極限承載力也有比較大的差異，試件 Z-40為62.5 kN，試件 Q-40 為 91.2 kN，破壞均是發生在螺栓連接處，夾芯板沒有發生結構破壞。

分析出現承載力“波動”的原因如下：對于螺栓連接處的翻折纖維，該部分纖維受力分為兩個部分，一是螺栓的壓緊力P，二是面板對該部分纖維的拉力f。

假設螺栓的個數為n，第i個螺栓對面板的作用力為Fi(i=1，2，…，n)。理想狀態下，根據力的平衡條件，f和Fi應該滿足公式(1)所示條件：

但實際情況是，由于板厚不均勻和邊界效應等因素，每個螺栓的力并不完全相等，螺栓連接處的纖維所受力自然也不相等，在荷載增加時，墊片根部纖維絲(包括面板和翻折)所受剪力和拉力逐漸增加，受力最大處的纖維首先達到強度極限值，發生斷裂。該處纖維在破壞前所承受的荷載會被重新分配到其他位置的纖維處，同時造成緊繃的受拉面板出現力的釋放，所以出現承載力的下降，隨著荷載的繼續增加，剩余的螺栓連接位置纖維再次繃緊并破壞，如此反復，待所有螺栓位置的纖維絲均破壞時，試件失去承載力。螺栓按照方式2布置時，螺栓數量多，拉力的釋放和重新分配在更多的螺栓間進行，“波動”現象持續的“時間”更長;相同的f條件下，螺栓處纖維平均受力變小，在夾芯板試件沒有發生結構破壞的前提下，能夠承受更大的荷載。

圖5 試件Z-40和試件Q-40位移-荷載曲線對比Fig.5 Displacement-load curves of Z-40 and Q-40

圖6 不同螺栓布置和預緊力時波紋板位移-荷載對比曲線Fig.6 Influence of bolt arrangement and preload on structural load-displacement curve

3.3.2 螺栓預緊力對連接性能的影響

圖6為螺栓按照方式1和方式2布置時，分別對螺栓施加0，20，40 N·m的預緊力時波紋板的位移-荷載對比曲線，可以看出：在承載力進入“波動”狀態之前，隨著荷載的增加，波紋板撓度基本呈線性關系增加;相同螺栓布置形式、相同荷載時，增加預緊力，波紋板端部位移明顯減小。從不同螺栓布置形式的位移-荷載曲線對比中也可以看出：施加相同的預緊力時，布置更多的螺栓有利于控制試件的端部位移。

試驗結果表明：對于復合材料波紋夾芯板，在本文提出的螺栓連接方式下，增加螺栓預緊力，能夠有效控制試件的端部位移;相同預緊力情況下，增加螺栓數量也會起到控制試件端部位移的效果，分析其機理如下。

對于預緊力螺栓，在承受外加拉力之前，螺桿中已經有了一定的預拉力P。而在被連接板疊之間則有預壓力C，P與C相互平衡。當對螺栓施加外拉力Nt后，螺栓桿在板疊間壓力未消除前被拉長，此時螺栓桿拉力增量為ΔP;而壓緊的板疊則放松，其間壓力減小 ΔC［19］。

下面分析預緊力螺栓連接對懸臂板撓度的影響。懸臂板在承受均布荷載作用時的變形可以分為兩部分，一是端部受拉板疊伸長Δb引起結構偏轉產生的偏轉位移 S1，二是夾芯板結構本身的變形S2，如圖7所示。

圖7 懸臂板變形示意Fig.7 Schematic diagram of the deformation of the cantilever plate

因此，懸臂板的位移S可以表示為：

在相同外荷載作用下，有預緊力時夾芯板本身的變形S2Y和無預緊力時結構的本身變形S2W是相等的。

但是預緊力的大小會對懸臂板的偏轉位移S1產生影響。從圖7可以看出偏轉位移S1是由于夾芯板端部連接處板疊伸長量Δb導致的。圖8所示為螺栓連接處板疊受力-受形示意。實際應用中參與預緊力施加的鋼制墊片和反力墻都不完全是剛體，也就是說在二者夾緊纖維鋪層時都會存在一定的彈性變形，預緊力的存在導致反力墻和墊片之間存在預壓力C的區域如圖中Ae所示，預緊力越大，板疊之間存在預壓力的區域Ae的面積會越大。墊片和反力墻之間存在預壓力C的區域變形協調，在外力Fi的作用下板疊伸長量Δb如式(3)所示。

式中：b為反力墻和墊片在 Fi方向的板疊厚度;Ee為板疊的等效彈性模量。

預緊力通過影響Ae的大小影響Δb的變化。沒有預緊力時，螺栓伸長量大，偏轉位移大;預緊力增大，協調變形區域的面積增大，螺栓伸長量小，相應的偏轉位移變小。當連接螺栓的數量增多時，Fi(i=1，2，…，n)相同，平均分配到每個螺栓上的作用力 Fi會減小，Δb變小，從而使板的變形得到控制。

圖8 板疊受力-變形示意Fig.8 Force-deformation diagram of plate stack

4 結束語

本文首先對復合材料波紋夾芯板的成型工藝進行了研究，其次對復合材料波紋夾芯板的螺栓連接方式進行了對比研究，得出以下結論：研究出了一種適合于復合材料波紋夾芯板端部連接的成型工藝，并通過相應的試驗證明了這種成型方法對端部機械連接具有很好的適用性。對采用螺栓連接的復合材料波紋板的連接參數進行了試驗研究，試驗結果表明，采用多螺栓連接的復合材料波紋板的破壞過程具有明顯的“波動”階段;在復合材料波紋夾芯板不發生結構破壞的前提下，通過對連接螺栓適當施加預緊力可以明顯地提高復合材料的極限承載力和連接剛度;適當增加連接螺栓的數量也可以達到增加連接剛度和提高極限承載力的目的。