層合板多螺釘單剪連接釘載分配的試驗研究

李鵬，周晚林，邵金濤，朱蘇偉，李蓓

(1. 南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016； 2. 南京林業大學 經濟管理學院，江蘇 南京 210037)

0 引言

多螺釘單剪連接已廣泛應用于飛機的復材結構中。研究表明：由于復材層合板在失效之前呈現明顯的線彈性行為，沒有明顯的塑性區，因此多釘螺栓連接在初始載荷時釘載的分配呈現嚴重不均勻性。釘載分配是預測多釘連接強度和復材結構整體失效的關鍵所在。目前，確定復材多釘連接釘載比例的方法主要有：解析模型預測法(如經典剛度法[1-2]和彈簧質量法[3-4])、有限元分析方法[5-8]和試驗測定法等[9-14]，其中試驗測定法由于試驗結果的可靠性強，在實際結構分析中得到廣泛應用。

試驗測定法一般采用壓力傳感器[10-11]測量釘-孔的接觸壓力，使用帶傳感器螺栓直接測量釘載，采用表面應變計測量旁路載荷[9,12-13]，其中，帶傳感器的螺栓[14]測量結果準確，但特制螺栓價格昂貴且不利于推廣。應變計法精確性比帶傳感器的螺栓測量法稍低，但可以滿足工程精度要求。本文采用文獻[12]中修正次彎曲及摩擦力影響的測量方法，對多釘單剪連接進行試驗測試，結果較為準確。

鑒于復材連接結構在設計時只有擠壓失效是被允許的[2]，為避免多釘連接中某一釘出現較高的承載比例而導致災難性失效，應盡可能確保多釘連接結構釘載分配的均勻化。為此必須研究影響釘載分配的因素以及程度。影響復合材料多釘連接載荷分配的主要因素有：釘孔直徑、釘孔排距、擰緊力矩、釘孔間隙、材料非線性等[3,13-19]。考慮到航空裝配中的空間和減重，應使得螺栓孔間隙和擰緊力矩的影響相對容易實現且效果較為明顯[3]，但需要注意的是：飛機裝配中要求釘孔間隙不超過釘孔直徑的1%[20-21]；對不同直徑的螺栓擰緊力矩還有嚴格的推薦值[2]。目前，釘載分配影響因素中，釘孔間隙的研究較多[12-14]，但是對擰緊力矩、夾緊面積，特別是較為準確的試驗研究較少。在此前提下，本文采用試驗測量分析釘孔間隙、擰緊力矩、夾緊面積對多釘單剪連接釘載分配的影響。

1 釘載分配測試試驗

1.1 試驗件參數

本試驗采用T700/FRD-YG-40S碳纖維增強環氧樹脂基復合材料層壓板，其力學性能如表1所示，鋪層順序為[45/-45/0/45/90/-45/0/45/0/-45/90/45/0]s，對稱鋪層，共26層，單層名義厚度0.14 mm，總厚度3.64 mm。試驗測試緊固件采用TC4抗剪切型鈦合金凸頭螺栓，螺栓桿部名義直徑為8 mm，螺栓基本力學性能如表1所示。

表 1 材料屬性

單釘單剪螺栓連接試驗件尺寸見圖1(a)；局部(膠層)尺寸見圖1(b)；三釘單剪螺栓連接試驗件尺寸見圖1(c)。其中，圖1(c)指示了本文試驗使用的螺栓編號，后文分別用1#、 2#、3#表示。孔名義直徑8 mm，板寬度W、邊緣間距e、螺栓孔間距p與螺栓直徑D的比值分別為W/D=6、e/D=3、p/D=4.5，直徑與厚度之比為D/t=2.20。試驗件尺寸參考ASTM[22-24]標準和文獻[12]、文獻[14]進行設計。

1.2 試驗過程

單釘單剪螺栓連接拉伸試驗在SANS CMT5205/5305微機控制萬能力學拉伸機(最大拉伸載荷100 kN)上進行，加載速率設置為1 mm/min。擰緊力矩則通過高精度扭力扳手施加。

載荷分配的測量試驗采用文獻[12]的測量方法，在天辰WES-100B萬能力學拉伸試驗機上完成(最大拉力100 kN)。每一種類型的試件均進行5組試驗。采用KD7016靜態應變測量儀測量BFH120-3AA應變片在各定載下的應變值，間接測量三釘單剪螺栓連接釘載分配比例。復材層合板力學性能受溫度影響，實驗室溫度控制在(22±4)℃[25-26]。參數設置見表2。

表 2 三釘單剪螺栓連接釘載分配測試參數配置

對單釘單剪連接進行單向拉伸試驗，得到：Dw=16mm(墊片外直徑)，P=15kN的極限摩擦力，見表3。由于試驗條件有限，5N·m以下數據誤差可能較大。

圖1 連接接頭圖(圖中尺寸單位為mm)

表 3 試驗測量極限摩擦力

2 測量結果分析

試驗測量的復材層合板三釘單剪螺栓連接釘載分配比例結果見圖2。

從圖2可以看出：釘載分配非常不均勻。其中，未經過次彎曲修正的結果規律不符合理論分析。通過應變修正次彎曲影響后的結果：圖2(a)中1#釘和3#釘釘載比例明顯高于2#釘；圖2(b)中1#釘、3#釘的釘載比例較高且遠高于2#釘；在5 kN載荷時，由于擰緊力矩和2#釘-孔間隙，導致2#釘尚未完全與釘孔接觸，2#釘載比例異常得小。次彎曲修正后的釘載分配結果與文獻[3]理論計算以及文獻[14]測量得到的規律吻合。

3 載荷分配影響因素

3.1 影響載荷分配因素分析

通過單釘單剪螺栓連接進行拉伸試驗，測試不同間隙、擰緊力矩、夾緊面積下的載荷位移曲線。其中：80μm孔間隙，10N·m擰緊力矩，不同夾緊面積(墊片外直徑：Dw)條件下得到的載荷-位移曲線如圖3所示。

圖2 三釘單剪載荷分配測量結果

圖3中的結果表明：1)單剪螺栓連接螺栓承載和3個因素直接相關：接頭等效剛度、極限摩擦力、釘-孔之間的間隙；2)增大夾緊面積在保持摩擦力對螺栓承載影響的同時減緩孔周圍等效接觸剛度的強化。

根據已有的研究：高擰緊力矩會導致螺栓抗剪切性能下降。過高的擰緊力矩容易產生災難性失效—螺栓剪切失效，如圖4所示。故本研究選擇最大擰緊力矩為10N·m[2]。

為研究釘-孔間隙、擰緊力矩、夾緊面積等對三釘單剪連接載荷分配更具體的影響規律，本研究分別設置不同參數，進行定載荷拉伸試驗測量釘載分配，見表4。研究采用單一變量(例：間隙研究中，擰緊力矩為手擰，約0.5 N·m，墊片外直徑為16 mm)。

圖3 試驗得到的載荷位移曲線

圖4 單釘單剪連接螺栓剪切失效(18N·m擰緊力矩)

表 4 三釘單剪連接接頭參數配置

3.2 釘-孔間隙的影響

在15kN外載荷下，不同孔間隙組合三釘單剪螺栓連接釘載分配測量比例見圖5。

圖5 釘孔間隙對三釘單剪螺栓連接釘載分配的影響

圖5顯示：釘-孔間隙對釘載分配的影響顯著，其中參數配置5、2#釘首先出現擠壓失效，失效結果見圖 6。但是該配置的釘孔間隙已經遠遠超過航空裝配要求，所以在符合航空裝配要求釘-孔間隙范圍內，對最終實現載荷均勻化、提高連接件整體承載能力的作用有限。

圖6 孔失效位置(1#、3#釘-孔間隙160μm)

3.3 擰緊力矩的影響

在15kN外載荷下，直接測量得到的三釘單剪螺栓連接不同擰緊力矩組合釘載分配測量比例見圖7。通過極限摩擦力修正后的結果見圖8。

圖7 直接測量擰緊力矩對載荷分配的影響

圖8 極限摩擦力修正后影響規律

對比圖7和圖8不難發現：若直接采用測量得到表面應變來計算不同擰緊力矩下的釘載分配是不準確的。本文通過極限摩擦的修正，得到擰緊力矩對多釘單剪連接釘載分配的影響規律：在其他條件不變的前提下，增加某釘的擰緊力矩，可以減小該釘的釘載比例，且擰緊力矩對釘載分配有著較大的影響。

3.4 夾緊面積的影響

在15kN外載荷下，三釘單剪螺栓連接不同夾緊面積組合釘載分配測量比例見圖9。

圖9 夾緊面積對三釘單剪螺栓連接釘載分配的影響

較高的擰緊力矩導致較高的側向約束壓強，對于接頭處的等效剛度有增強作用，通過增大夾緊面積可以減弱擰緊力矩對等效剛度的強化。圖9顯示：在相同的高擰緊力矩作用下，增大1#、3#釘的夾緊面積，對載荷均勻化的影響雖然不如釘-孔間隙和擰緊力矩作用明顯，但是有一定的效果，即增加某釘處夾緊面積可以適當減小該釘的釘載比例。

4 結語

1) 本文在考慮單剪偏心載荷導致的彎曲基礎上，利用改進的應變計測量法，對三釘單剪螺栓連接釘載分配進行試驗測量。研究發現，該改進的方法測量層合板多釘單剪連接有較好的準確性和實用性，相比于有限元模擬具有較高的可信度，對比其他試驗測量的方法，該方法成本較低，操作難度較低且易于工程推廣。

2) 通過改進的測量方法，找到了影響三釘單剪螺栓連接釘載分配的因素，其中：初始釘-孔間隙對釘載分配比例影響最大，但是航空裝配對孔間隙要求高，所以該因素在飛機裝配中對載荷均勻化作用有限。

初始擰緊力矩對釘載分配也有著較為明顯的作用。但需要注意的是：高預緊力伴隨著強化釘孔等效接觸剛度，隨著載荷增加，擰緊力矩的作用也越來越不明顯；此外，高擰緊力矩會增加螺栓剪切失效的風險,需避免。增加夾緊面積(通過改變墊片外直徑)，對調節釘載分配有一定的作用。