預(yù)緊力對(duì)復(fù)合材料單搭接接頭疲勞性能的影響

肖睿恒，王耀，劉慶波，安魯陵

(1. 中國(guó)商飛上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324； 2. 南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

0 引言

由于復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量較高、抗疲勞、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)[1]，新一代飛機(jī)上大量使用復(fù)合材料以提高飛機(jī)的綜合性能[2]。同時(shí)，由于螺栓連接具有安全可靠、易于拆卸、便于維修更換等優(yōu)點(diǎn)，因此飛機(jī)結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料螺栓連接接頭大量存在。在進(jìn)行螺栓連接時(shí)，需對(duì)螺栓施加一定的預(yù)緊力，預(yù)緊力大小會(huì)影響復(fù)合材料接頭的疲勞性能，進(jìn)而影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)的綜合性能。

不少學(xué)者開(kāi)展了預(yù)緊力對(duì)復(fù)合材料接頭疲勞性能影響研究。RAMKUMAR R L等[3]研究和測(cè)試了預(yù)緊力對(duì)螺栓孔伸長(zhǎng)率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在較低預(yù)緊力水平下，螺栓孔伸長(zhǎng)量的增長(zhǎng)相對(duì)緩慢，而在較高預(yù)緊力水平下，螺栓孔伸長(zhǎng)量會(huì)突然變化。SAUNDERS D S等[4]在拉-壓疲勞載荷下，對(duì)AS4/3501-6雙螺栓單搭接接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)：接頭的主要失效形式是緊固件的疲勞失效。HERRINGTON P D等[5]研究了螺栓預(yù)緊力對(duì)復(fù)合材料雙搭接接頭疲勞性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)接頭施加相同大小的疲勞載荷時(shí)，預(yù)緊力的增加導(dǎo)致疲勞壽命的增加，而當(dāng)施加相同應(yīng)力水平的疲勞載荷時(shí)，預(yù)緊力對(duì)疲勞壽命幾乎沒(méi)有影響。LIM T S等[6]通過(guò)試驗(yàn)研究了螺栓預(yù)緊力對(duì)復(fù)合材料單螺栓雙搭接接頭的疲勞性能影響。研究發(fā)現(xiàn)：在相同應(yīng)力水平下，35 MPa預(yù)緊力下的接頭疲勞壽命比0 MPa預(yù)緊力下接頭的疲勞壽命長(zhǎng)，但歸一化強(qiáng)度(最大應(yīng)力/靜強(qiáng)度)與疲勞壽命圖并無(wú)差異；接頭疲勞失效形式與靜態(tài)失效形式相同，均為擠壓失效，復(fù)合材料的損傷區(qū)域在墊圈外部區(qū)域擴(kuò)展。GIANNOPOULOS I K等[7]通過(guò)試驗(yàn)研究了螺栓預(yù)緊力對(duì)AS7/8552雙搭接接頭強(qiáng)度和疲勞性能的影響，用光學(xué)顯微鏡研究了接頭的損傷和最終失效形式。研究發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)緊力的增大，連接的靜強(qiáng)度增大，疲勞壽命明顯延長(zhǎng)。對(duì)于預(yù)緊力較大的接頭，失效主要發(fā)生在墊圈外部，預(yù)緊力水平和墊圈直徑會(huì)影響損傷的位置。在較低預(yù)緊力時(shí)，孔徑伸長(zhǎng)量增長(zhǎng)相對(duì)緩慢，而在較高預(yù)緊力下，孔徑伸長(zhǎng)量會(huì)突然增大。

目前，對(duì)復(fù)合材料接頭疲勞性能的研究，較多集中在T300級(jí)復(fù)合材料雙搭接接頭，而對(duì)于新一代飛機(jī)中廣泛使用的T800級(jí)復(fù)合材料單搭接接頭的研究還較少。本文對(duì)不同預(yù)緊力的T800級(jí)復(fù)合材料單搭接接頭進(jìn)行試驗(yàn)研究與仿真分析。試驗(yàn)中使用引伸計(jì)獲取其孔徑伸長(zhǎng)量，為減小試驗(yàn)誤差，每一種預(yù)緊力連接下的接頭均進(jìn)行3組試驗(yàn)。研究預(yù)緊力對(duì)接頭失效形式、疲勞壽命和孔徑伸長(zhǎng)量和孔周漸進(jìn)損傷的影響，為T(mén)800級(jí)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)提供參考。

1 試樣設(shè)計(jì)

試樣參考ASTM D5961/D5961M[8]標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，其幾何尺寸如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料單搭接接頭尺寸

試件所用復(fù)合材料為T(mén)800級(jí)碳纖維復(fù)合材料，鋪層方向?yàn)閇45/-45/45/90/0/-45/0/90/45/-45/0]s，共22層，總厚度為4.2 mm。螺栓采用NAS 6603系列六角頭螺栓，螺栓直徑為4.8 mm(0.19 in)，螺母采用NAS 1805-3，螺栓孔直徑為4.85 mm。在接頭螺母?jìng)?cè)加不銹鋼平墊圈，墊圈內(nèi)徑5 mm，外徑12 mm，厚度2 mm。

2 疲勞試驗(yàn)與仿真

2.1 試驗(yàn)方案

疲勞試驗(yàn)參考ASTM D6873[9]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，對(duì)不同預(yù)緊力接頭施加相同大小的拉-拉疲勞載荷，采用5 Hz的加載頻率、R=0.1的應(yīng)力比，波形采用正弦波波形，最大疲勞載荷為9 kN。條件疲勞極限設(shè)置為106次疲勞循環(huán)時(shí)接頭不失效或復(fù)合材料孔徑伸長(zhǎng)量>10%孔徑(即0.485 mm)，在疲勞試驗(yàn)中如果滿足任一條件就停止循環(huán)加載。

2.2 預(yù)緊力值確定

為探究預(yù)緊力大小對(duì)復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)疲勞力學(xué)性能的影響規(guī)律，首先需要設(shè)置合適的預(yù)緊力，以獲得可靠的試驗(yàn)結(jié)果。相關(guān)試驗(yàn)已得出所使用螺栓屈服時(shí)預(yù)緊力約為9 kN。設(shè)置最大預(yù)緊力為屈服時(shí)預(yù)緊力的80%左右，取最大預(yù)緊力為7.5 kN，同時(shí)由于預(yù)緊力太小時(shí)，螺栓容易因施加預(yù)緊力不足而松動(dòng)，因此設(shè)置最小的預(yù)緊力為1.5 kN。設(shè)置的預(yù)緊力參數(shù)如表1所示。

表1 預(yù)緊力參數(shù) 單位：kN

2.3 預(yù)緊力-擰緊力矩關(guān)系確定

本文采用間接方式控制螺栓連接產(chǎn)生的預(yù)緊力，即通過(guò)控制施加在螺母上的擰緊力矩值來(lái)控制預(yù)緊力大小。首先試驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)緊力-擰緊力矩關(guān)系測(cè)試，然后確定對(duì)應(yīng)目標(biāo)預(yù)緊力的擰緊力矩。預(yù)緊力-擰緊力矩關(guān)系測(cè)試使用的設(shè)備為自主設(shè)計(jì)制造的復(fù)合材料構(gòu)件螺紋緊固件連接試驗(yàn)平臺(tái)，其轉(zhuǎn)矩測(cè)量誤差在0.1%以內(nèi)，可測(cè)量的預(yù)緊力范圍是0～160 kN，預(yù)緊力測(cè)量誤差在1%以內(nèi)，轉(zhuǎn)速范圍是0～220 r/min。試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。

圖2 螺紋緊固件連接試驗(yàn)平臺(tái)

擰緊過(guò)程均采用30 r/min的轉(zhuǎn)速，進(jìn)行預(yù)緊力-擰緊力矩關(guān)系測(cè)試，通過(guò)試驗(yàn)平臺(tái)上的力傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器，記錄產(chǎn)生相應(yīng)預(yù)緊力時(shí)對(duì)應(yīng)的擰緊力矩值。預(yù)緊力-擰緊力矩關(guān)系如表2所示。

表2 預(yù)緊力-擰緊力矩關(guān)系

2.4 試樣制備

首先依據(jù)ASTM D5961/D5961M標(biāo)準(zhǔn)完成復(fù)合材料層合板試片的制作；然后在試樣兩端分別用AB膠粘上復(fù)合材料板和附板；固定螺栓頭，以30 r/min轉(zhuǎn)速擰緊螺母，達(dá)到相應(yīng)擰緊力矩值時(shí)，停止擰緊，試樣制備完成。制備完成的試樣如圖3所示。

圖3 制備完成的試樣

2.5 試驗(yàn)過(guò)程

在室溫23℃、相對(duì)濕度在 50% 左右的實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)MTS 809試驗(yàn)機(jī)來(lái)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)如圖4所示。該試驗(yàn)機(jī)可以自主設(shè)置疲勞載荷曲線，力示值相對(duì)誤差和位移示值相對(duì)誤差均在±0.5%以內(nèi)，可以施加的載荷范圍為0～100 kN，頻率1 Hz～20 Hz，滿足試驗(yàn)要求。疲勞試驗(yàn)時(shí)采用試驗(yàn)機(jī)專用引伸計(jì)測(cè)量接頭的孔徑伸長(zhǎng)量。引伸計(jì)跨距為20 mm，將引伸計(jì)的兩個(gè)卡腳分別固定在螺栓兩側(cè)。引伸計(jì)布置如圖5所示。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

2.6 仿真模型

為研究復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)承受疲勞載荷后的損傷起始和擴(kuò)展情況，本文基于三維Hashin[10]靜態(tài)失效準(zhǔn)則，考慮剩余疲勞強(qiáng)度，建立了三維Hashin疲勞失效準(zhǔn)則；采用文獻(xiàn)[11]建立的復(fù)合材料剩余強(qiáng)度和剩余剛度模型，以模擬復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在疲勞循環(huán)載荷中的性能退化。仿真模型如圖6所示。

圖6 復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型

3 結(jié)果分析與討論

3.1 失效形式分析

對(duì)不同預(yù)緊力的復(fù)合材料單搭接接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，復(fù)合材料板孔徑伸長(zhǎng)量首先達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)接頭未發(fā)現(xiàn)明顯破壞?，F(xiàn)取7.5 kN預(yù)緊力的復(fù)合材料單搭接接頭進(jìn)行說(shuō)明。

圖7(a)-圖7(f)分別是7.5 kN預(yù)緊力接頭疲勞試驗(yàn)后各部件圖片。由圖7(a)可知，接頭失效時(shí)螺栓出現(xiàn)明顯傾斜，但沒(méi)有明顯破壞產(chǎn)生。

由圖7(b)和圖7(c)可知，孔周的復(fù)合材料出現(xiàn)較明顯擠壓損傷，孔周的復(fù)合材料板表面較為光滑，復(fù)合材料板兩側(cè)區(qū)域出現(xiàn)碎屑。這是因?yàn)樵谄谳d荷作用下，兩塊復(fù)合材料板會(huì)不斷摩擦，孔周復(fù)合材料板表面受摩擦作用產(chǎn)生碎屑，并不斷向復(fù)合材料板端擴(kuò)展，孔周的復(fù)合材料表面區(qū)域粗糙度降低。

由圖7(d)和圖7(e)可知，螺栓桿表面出現(xiàn)壓痕，螺母未出現(xiàn)明顯損壞。

由圖7(f)可知，平墊圈表面出現(xiàn)壓痕，這是因?yàn)樵谄谳d荷作用下螺栓傾斜，螺母不斷擠壓平墊圈。

圖7 接頭破壞圖

3.2 疲勞壽命分析

統(tǒng)計(jì)不同預(yù)緊力復(fù)合材料單搭接接頭試驗(yàn)的疲勞壽命(對(duì)數(shù)疲勞壽命lgN，N為循環(huán)次數(shù))，并取平均值，結(jié)果如表3所示。

表3 疲勞壽命結(jié)果

由表3可知，在一定范圍內(nèi)，預(yù)緊力增大，接頭疲勞壽命逐漸增大。當(dāng)螺栓預(yù)緊力由1.5 kN增大至7.5 kN時(shí)，接頭的對(duì)數(shù)疲勞壽命由3.01增大至4.59，相差達(dá)52.5%，因此預(yù)緊力的大小會(huì)顯著影響復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

3.3 孔徑伸長(zhǎng)量曲線分析

在疲勞載荷作用下，螺栓桿會(huì)不斷擠壓孔周復(fù)合材料，使復(fù)合材料孔徑逐漸增大，因此通過(guò)復(fù)合材料孔徑伸長(zhǎng)量隨循環(huán)次數(shù)的變化，可以間接研究孔周復(fù)合材料的損傷情況。取7.5 kN預(yù)緊力下復(fù)合材料單搭接接頭的孔徑伸長(zhǎng)量隨循環(huán)次數(shù)變化數(shù)據(jù)，將其繪制為孔徑伸長(zhǎng)量-循環(huán)次數(shù)變化曲線，如圖8所示。

圖8 7.5 kN接頭孔徑伸長(zhǎng)量-循環(huán)次數(shù)變化曲線圖

由圖7可知，復(fù)合材料單搭接接頭孔徑伸長(zhǎng)量隨循環(huán)次數(shù)的變化過(guò)程可以分為3個(gè)階段。

1)疲勞初始階段。接頭承受拉-拉疲勞載荷后，孔徑伸長(zhǎng)量急劇增加，這一階段的孔徑伸長(zhǎng)量-循環(huán)次數(shù)曲線斜率較大，但隨循環(huán)次數(shù)增加，曲線斜率逐漸減小。此階段螺栓產(chǎn)生的損傷較小，主要的損傷形式為復(fù)合材料疲勞損傷，且根據(jù)曲線的變化趨勢(shì)可知，此階段復(fù)合材料疲勞損傷在較短時(shí)間內(nèi)快速擴(kuò)展并趨于穩(wěn)定，這一階段占據(jù)疲勞壽命的比例較小。這是因?yàn)槌跏紶顟B(tài)時(shí)，螺栓桿與孔壁在加載方向上為線接觸狀態(tài)，承載能力較弱。因此承受疲勞載荷后，螺栓桿擠壓復(fù)合材料孔壁，使復(fù)合材料損傷區(qū)域急劇增大，但是同時(shí)螺栓桿與孔壁的接觸面積會(huì)不斷增大，承載能力逐漸增強(qiáng)，相同循環(huán)次數(shù)下，復(fù)合材料損傷量會(huì)逐漸減小，即曲線斜率逐漸減小。

2)孔徑緩慢增長(zhǎng)階段。加載一定循環(huán)次數(shù)后，孔徑伸長(zhǎng)量會(huì)隨循環(huán)次數(shù)緩慢增加，甚至基本不變，這一階段的孔徑伸長(zhǎng)量-循環(huán)次數(shù)曲線斜率基本不變，曲線接近一條直線。此階段主要的損傷形式包括螺栓疲勞損傷和復(fù)合材料疲勞損傷，這一階段占據(jù)疲勞壽命的比例最大。這是因?yàn)樵诩虞d了一定循環(huán)次數(shù)后，螺栓桿與孔壁接觸面積已經(jīng)增大至一定程度，在加載方向上螺栓桿與孔壁已由線接觸完全轉(zhuǎn)為面接觸，接頭承載能力大大增強(qiáng)，因此復(fù)合材料損傷擴(kuò)展速度變慢。

3)孔徑加速增長(zhǎng)階段。繼續(xù)加載疲勞載荷，到達(dá)一定循環(huán)次數(shù)后，孔徑伸長(zhǎng)量隨循環(huán)次數(shù)急劇增加，孔徑伸長(zhǎng)量-循環(huán)次數(shù)曲線斜率逐漸增大，曲線逐漸趨于一條豎直的直線，并達(dá)到孔徑伸長(zhǎng)量標(biāo)準(zhǔn)，這一階段占據(jù)疲勞壽命的比例較小。這是因?yàn)樵谄谳d荷作用下，復(fù)合材料單搭接接頭即將破壞所致。

3.4 孔徑伸長(zhǎng)量曲線對(duì)比

圖9為不同預(yù)緊力時(shí)復(fù)合材料孔徑伸長(zhǎng)量-循環(huán)次數(shù)變化曲線。由圖可知，當(dāng)螺栓預(yù)緊力為1.5 kN和2.5 kN時(shí)，在疲勞初始階段，孔徑伸長(zhǎng)量已達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)，接頭失效；當(dāng)螺栓預(yù)緊力增大至4.5 kN時(shí)，在孔徑緩慢增長(zhǎng)階段，孔徑伸長(zhǎng)量達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)螺栓預(yù)緊力繼續(xù)增大至6.5 kN和7.5 kN時(shí)，在孔徑加速增長(zhǎng)階段，孔徑伸長(zhǎng)量達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)。因此螺栓預(yù)緊力的增大不僅增大了接頭疲勞壽命，而且改變了接頭失效時(shí)所處的孔徑伸長(zhǎng)量階段。

圖9 不同預(yù)緊力接頭孔徑伸長(zhǎng)量-循環(huán)次數(shù)變化曲線圖

在疲勞初始階段，隨著預(yù)緊力增大，曲線斜率明顯減小，即相同循環(huán)次數(shù)時(shí)，孔徑伸長(zhǎng)量減小。這是因?yàn)轭A(yù)緊力增大后，增大了接頭側(cè)向壓力，進(jìn)而增大了接頭各表面的摩擦力和剛度，降低了接頭變形量。同時(shí)由孔徑伸長(zhǎng)量曲線可知，隨著預(yù)緊力增大，疲勞初始階段所占據(jù)的循環(huán)次數(shù)減少，接頭更快進(jìn)入孔徑緩慢增長(zhǎng)階段。

在孔徑緩慢增長(zhǎng)階段，隨著預(yù)緊力增大，此階段占據(jù)總循環(huán)次數(shù)的比例明顯增加，曲線為接近水平的一條直線。這是因?yàn)轭A(yù)緊力增大，減少了疲勞初始階段造成的接頭變形量和復(fù)合材料損傷區(qū)域，同時(shí)增大了接頭的摩擦力和剛度。

在孔徑加速增長(zhǎng)階段，預(yù)緊力的增大則延遲了孔徑加速增長(zhǎng)階段開(kāi)始時(shí)的循環(huán)次數(shù)，孔徑加速增長(zhǎng)階段的循環(huán)次數(shù)均較小。

3.5 孔周復(fù)合材料疲勞漸進(jìn)損傷分析

試驗(yàn)手段可以得到不同預(yù)緊力下復(fù)合材料接頭的疲勞壽命和孔徑伸長(zhǎng)量變化，但是不能得到復(fù)合材料疲勞損傷機(jī)理。本小節(jié)使用已驗(yàn)證的疲勞有限元模型研究復(fù)合材料的損傷起始和演化規(guī)律，圖10為仿真所得7.5 kN的接頭在不同循環(huán)次數(shù)(N為循環(huán)次數(shù))時(shí)復(fù)合材料基體損傷、纖維損傷區(qū)域圖。當(dāng)復(fù)合材料單元未產(chǎn)生相應(yīng)損傷時(shí)，單元顏色顯示為藍(lán)色，當(dāng)復(fù)合材料單元產(chǎn)生相應(yīng)損傷時(shí)，單元顏色顯示為紅色(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問(wèn)咨詢作者)。

圖10 復(fù)合材料損傷區(qū)域圖

由圖10可知，對(duì)螺栓施加7.5 kN預(yù)緊力后，復(fù)合材料無(wú)任何損傷產(chǎn)生。加載2 000次循環(huán)后，孔周區(qū)域出現(xiàn)較大范圍基體損傷，并開(kāi)始出現(xiàn)部分纖維損傷，此時(shí)損傷形式以基體損傷為主；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到6 000次時(shí)，基體損傷逐漸擴(kuò)展到整個(gè)復(fù)合材料孔壁和復(fù)合材料板表面部分區(qū)域，纖維損傷逐漸在孔壁復(fù)合材料區(qū)域擴(kuò)展；循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，由6 000次增加至25 000次時(shí)，基體損傷區(qū)域和纖維損傷區(qū)域基本不變，此時(shí)處于孔徑緩慢增長(zhǎng)階段；當(dāng)循環(huán)次數(shù)由25 000增加至32 000次時(shí)，基體和纖維損傷區(qū)域急劇增加，此時(shí)處于孔徑加速增長(zhǎng)階段。

4 結(jié)語(yǔ)

1)預(yù)緊力大小不改變復(fù)合材料單搭接接頭的疲勞失效形式，接頭失效形式均為復(fù)合材料孔徑伸長(zhǎng)量達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)。

2)在一定范圍內(nèi)，增大預(yù)緊力可以顯著增大復(fù)合材料單搭接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，較1.5 kN預(yù)緊力接頭，7.5 kN預(yù)緊力接頭的對(duì)數(shù)疲勞壽命增大了52.5%。

3)孔徑伸長(zhǎng)量隨循環(huán)次數(shù)變化曲線可以分為疲勞初始、孔徑緩慢增長(zhǎng)和孔徑加速增長(zhǎng)3個(gè)階段。

4)增大預(yù)緊力，可以縮短疲勞初始階段的循環(huán)次數(shù)，并增大孔徑緩慢增長(zhǎng)階段的循環(huán)次數(shù)，進(jìn)而增大復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

5)仿真結(jié)果表明，加載2 000次循環(huán)時(shí)，主要損傷形式為基體損傷；加載6 000次循環(huán)時(shí)，纖維損傷區(qū)域顯著增加；加載32 000次循環(huán)時(shí)，損傷急劇增加，孔徑迅速增長(zhǎng)，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本對(duì)應(yīng)。

6)針對(duì)本文研究的T800級(jí)復(fù)合材料單搭接接頭，在不考慮環(huán)境等其他因素影響時(shí)，從疲勞性能考慮，預(yù)緊力值應(yīng)盡可能取更大值。