裝配預緊力對復合材料連接件疲勞行為的影響

劉學術, 王學堯

（大連理工大學 汽車工程學院，遼寧 大連 116024）

復合材料因比模量大、強度高、抗疲勞耐腐蝕、可設計性強等諸多優越的性能被廣泛應用于航空航天、汽車工業、能源工程、化工等領域，特別在航空航天領域的應用發展更為迅速，復合材料在現代飛機結構上的應用水平已經成為衡量飛機先進性的一個重要指標[1]。與此同時，復合材料的設計與應用也面臨著許多問題和挑戰：一方面在材料的成型、加工與裝配過程中，難免會產生各種缺陷，影響結構的整體性能；另一方面，結構所承受的實際載荷日益復雜，材料在疲勞載荷作用下失效形式也多種多樣，這些都給復合材料的強度分析與壽命預測帶來了很大的困難。分析纖維增強復合材料的疲勞損傷機理與壽命具有重要的實際工程應用價值。隨著時間的推移，復合材料的用量呈現大幅增長趨勢，其應用部位也由一些非承力部件逐漸發展到次承力部件和主承力部件[2]。飛機各部位尤其復雜曲面都由很多零部件組成，這些零部件都需要進行連接，據有關統計， F-22 戰斗機每側機翼需要加工的連接孔數量高達14000 個,機翼表面存在大量的機械連接[3]。為保證結構的可靠性和穩定性，需要將復合材料連接件視為一個整體，在分析材料本身性能的同時，探究緊固件與復合材料板的相互作用對結構性能的影響，從而盡可能地發揮出連接件尤其是接頭處的強度。

影響復合材料連接結構強度以及疲勞性能的因素有很多，從復合材料角度講包括纖維基體的選擇、層合板的鋪層順序以及連接件的幾何尺寸（端徑比和寬徑比）[4-6]等；從緊固連接角度講包括連接類型、緊固件種類以及墊圈尺寸[7-8]等；從實驗本身角度講包括環境濕熱、加載頻率以及循環應力比[9-10]等。Kelly 等[11]研究了連接厚度及預緊力對碳纖維/環氧基層板機械連接剛度及強度的影響，結果顯示厚板的剛度明顯大于薄板，預緊力對厚板的擠壓強度影響不大。Qin 等[12]通過實驗及數值方法分析了不同螺栓形式（凸頭螺栓、沉頭螺栓）對復合材料雙剪連接結構力學性能的影響，考慮了間隙配合和預緊力對破壞的影響，對螺栓類型、接觸面積、應力分布等因素進行了數值討論。唐玉玲[13]分別對碳/碳復合材料單螺栓雙剪以及多螺栓單剪螺栓連接結構在拉伸載荷下進行了實驗和數值研究，得到開孔直徑、預緊力和鋪層順序對連接性能的影響。

緊固件在長期交變載荷的作用下會產生松弛，從而引起連接件過早產生疲勞失效。針對緊固件的預緊力損傷特征，國內外學者也進行了很多研究。郝秉磊等[14]通過正弦掃頻振動的頻譜信號分析連接件的松動，探究了振動的激振頻率對結構松動的影響，并通過在螺紋螺母間增加陶瓷填充體抑制了結構的松動。Li 等[15]針對軸向和橫向振動下的預緊松弛，進行了擰緊力矩、振幅和頻率的正交實驗，分析了螺栓連接在振動作用下的松弛演化規律。Xie 等[16]結合有限元研究了材料粗糙表面接觸下的預緊松弛，結果表明，較厚的接頭材料可以有效降低預緊松弛。

目前針對裝配預緊力以及預緊力退化在疲勞載荷下復合材料螺栓連接結構上的研究還較少，本工作通過拉伸疲勞實驗探究螺栓預緊力大小以及預緊力的松弛對復合材料雙釘單剪拉伸疲勞性能的影響，以螺栓孔變形量為疲勞衡量指標，對比結構的疲勞承載能力以及損傷特性。

1 實驗

1.1 樣件與實驗方法

碳纖維復合材料雙釘單剪螺栓連接件樣件的尺寸設計參照ASTM-D5961，如圖1 所示，采用雙釘連接單剪結構，樣件寬度w=36 mm、螺栓孔直徑d=6 mm，單板長度L=160 mm。復合材料采用碳纖維增強樹脂基復合材料層合板，單層名義厚度為0.2 mm，鋪層順序為[－45/90/45/0/90/0/－45/45/90]s，總厚度為3.6 mm，緊固件為12.9 級高強度內六角螺栓。

圖1 雙釘連接件尺寸圖Fig. 1 Schematic diagram of the size of double nail connector

疲勞實驗參考GB/T35465.3—2017，在SDS100電液伺服疲勞試驗機上進行，實驗環境為自然干態，應力比R=0.2，頻率為4～6 Hz 的正弦加載，循環載荷幅值為8 kN，均值為12 kN。對于螺栓連接結構的裝配，選擇量程合適的扭矩扳手（3～15 Nm），分別對樣件兩個螺栓按順序多次均勻對稱擰緊。

1.2 實驗步驟

以不同預緊力下樣件的疲勞壽命為對比對象，參考ASTM-D7248 標準，兩個釘孔緊固件的擰緊力矩包括6-6、8-8、10-10 Nm 的對稱布置以及10-6、10-8 Nm 的非對稱布置，當連接結構完全失去承載能力或疲勞壽命達到50 萬次時實驗結束。實驗分為3 組：實驗1 為樣件在不同預緊力下疲勞壽命對比實驗，包括對稱布置樣件（1-1、1-2、1-3）與非對稱布置樣件（1-4）；實驗2 為樣件在不同預緊力下固定加載次數的連接孔變形對比實驗，包括對稱布置樣件（2-1、2-2、2-3）與非對稱布置樣件（2-4、2-5）；實驗3 為緊固件預緊力松弛對比實驗，均為對稱布置樣件，分別考慮初始預緊力（3-1、3-2），墊片種類（3-2、3-3、3-4），加載頻率（3-2、3-5、3-6）的影響，樣件參數如表1 所示。

表1 樣件參數Table 1 Test piece parameters

采用實驗測量的方法建立施加扭矩與螺栓預緊力之間的映射關系[17]。應變的測量采用DH3816H靜態應變儀，其連續采樣速率為1 Hz，需要保證扭矩與壓力施加在套筒材料的彈性區域內，并通過結果中扭矩-預緊力是否呈線性關系進行確認，如圖2 所示，通過多次測量驗證當擰緊力矩施加到8 Nm 時，預緊力達到6086 N。

圖2 預緊力-扭矩對應關系圖Fig. 2 Corresponding diagram of preload-torque

以結構孔的變形量為指標，衡量不同預緊力下螺栓連接復合材料連接件的疲勞性能，當孔徑的永久變形量達到孔徑的5%時結構失效[18]。

釘孔變形量的兩種測量方法：（1）直接測量N次疲勞循環后孔直徑以及疲勞實驗前的孔直徑，計算孔變形量；（2）通過應力/孔變形量的滯回曲線間接獲得。本實驗采用直接測量法測量結構各個孔的變形量，采用如圖3 所示的方法對連接孔進行編號，多次測量各個孔的變形量并計算平均值。

圖3 孔編號示意圖Fig. 3 Schematic diagram of hole numbering

2 結果與分析

2.1 預緊力對連接件疲勞壽命影響

實驗1 的疲勞壽命結果如表2 所示，其中樣件1-1、1-2、1-4 的失效模式為緊固件的剪斷，樣件1-3 在經過50 萬次疲勞載荷后未完全失去承載能力，可以初步看出在實驗擰緊力矩范圍內，樣件疲勞壽命隨擰緊力矩增大而增大，當擰緊力矩不均時（10-8 Nm），樣件的疲勞壽命有所減小。

表2 疲勞實驗結果Table 2 Fatigue test results

圖4 為樣件的具體失效形式。由圖4 可以看到，連接件由于螺栓的剪斷失效從而導致結構失去承載能力；對于復合材料板來說，主要的損傷形式為孔邊的擠壓變形，以結構整體失效作為疲勞分析判據有很大的局限性。為了進一步分析結構的疲勞性能，在實驗2 中以復合材料板的孔變形為主要研究對象進行不同預緊力下的疲勞實驗。

圖4 連接件失效示意圖 （a）剪斷失效；（b）孔變形Fig. 4 Schematic diagram of component failure （a）shear failure；（b）hole deformation

2.2 預緊力對連接孔變形的影響

圖5 為實驗2 中樣件2-1、2-2、2-3（6-6、8-8、10-10 Nm）三組對稱布置預緊力樣件1 號孔的變形量對比圖。從圖5 可以看出，預緊力的差異對連接孔的變形產生較大影響。隨著疲勞載荷循環次數的增加，連接孔的變形量呈上升趨勢；在6-6～10-10 Nm 范圍內，疲勞實驗條件相同的情況下，隨著螺栓預緊力的增加，連接孔的變形量逐漸減小，即抗疲勞性能增強。對于6-6 Nm 樣件在循環到4 萬次左右時孔變形量達到5%，8-8 Nm 樣件在8 萬次左右孔變形量達到5%，10-10 Nm 樣件在10 萬次左右時變形量達到5%。

圖5 1 號孔變形量對比Fig. 5 Comparison of No.1 hole deformation

當對螺栓施加預緊力時，螺栓孔的周圍出現壓應力，由于材料的泊松效應，材料將產生變形，而遠處的材料將抵抗變形，從而在孔周圍產生預應力，預應力有助于防止螺栓孔疲勞裂紋的萌生與擴展[19]。此外，在疲勞實驗加載過程中，隨著載荷的增加，通過板間摩擦以及板與螺栓間的擠壓傳遞的載荷也開始增加，由于孔間間隙的存在，在加載剛剛開始時，施加的載荷主要通過摩擦傳遞；當螺栓完全接觸擠壓孔壁后，摩擦力停止增加，剩余載荷在螺栓與復合材料板間進行分配，從結果上說，摩擦力分擔了通過螺栓傳遞的部分載荷，從而提高結構的整體承載能力。隨著緊固件預緊力的增加，板間摩擦力也隨之增加，從而對載荷的分配進一步優化。

因此，預緊力的存在一方面在螺栓孔周圍產生了預應力，可以避免初始裂紋的生成并抑制已有裂紋的擴展。另一方面改善了載荷的傳遞與分配，進一步降低了疲勞循環拉伸載荷對結構的影響，大大提高了結構疲勞性能。隨著預緊力的增加，這兩種效應也隨之增強，連接孔變形也隨之減緩；尤其在實驗中連接件的整體壽命很大程度受到螺栓承載能力的影響，載荷的優化分配有助于提高結構的疲勞壽命，這也與前文的實驗結果相一致。但當預緊力過大時，將會造成孔周基體的損傷，甚至直接壓潰材料，導致連接結構提前失效[20]。根據Liu 等[21]的研究，對于復合材料連接結構，適當的預緊力可以改善螺栓-孔的接觸條件，隨著預緊力值增大這種作用逐漸由正向負轉變。

圖6 為2-3、2-4、2-5（10-10、10-8、10-6 Nm）三組樣件內連接孔的變形情況。從圖6 可以看出：當兩個螺栓施加相同預緊力時，四個連接孔的受力情況在理論上完全相同，整個結構呈對稱性，2-3 樣件中四個連接孔變形量大致相同，由于加工、裝配及實驗裝夾上的誤差，無法保證1 號孔與4 號孔、2 號孔與3 號孔的受力完全相同，因此連接孔變形量也存在著一定的差異。2-4 和2-5 樣件中對螺栓施加了不同的預緊力，其中1 號孔與2 號孔處2-4 與2-5 樣件都施加了10 Nm 扭矩，3 號孔與4 號孔處2-4 樣件施加了8 Nm 扭矩，2-5 樣件施加了6 Nm 扭矩，可以看出預緊力的不同導致連接孔變形的不同，總體上3 號孔與4 號孔的變形量大于1 號孔與2 號孔的變形量，且2-5 樣件的連接孔變形量大于2-3 與2-4 樣件，這與圖5 中得到的結論一致。

圖6 樣件內孔變形對比 （a）樣件2-3；（b）樣件2-4；（c）樣件2-5Fig. 6 Comparison of inner hole deformation of sample （a）sample 2-3；（b）sample 2-4；（c）sample 2-5

圖7 為2-2、2-3（8-8 Nm、10-10 Nm）樣件的具體失效形式。從圖7 可以看出，對于復合材料板來說，主要的損傷形式包括螺栓對連接孔的擠壓變形以及板間滑動摩擦所導致的磨損，可以觀察到兩組樣件在墊圈覆蓋區域均有較為明顯的壓痕，板面間由于長時間的摩擦出現高溫磨損以及釘孔邊緣的磨屑。并且預緊力越小，損傷越嚴重，對于8-8 Nm樣件，由于較大的孔變形以及螺栓的過度屈服傾斜，復合材料板表層由于擠壓出現較為明顯的凸起以及擠壓區域端部的少量基體開裂。

圖7 樣件損傷對比 （a）樣件2-2；（b）樣件2-3；（1）螺母接觸面；（2）層合板間接觸面Fig. 7 Test piece damage comparison （ a） sample 2-2；（b）sample 2-3；（1）nut contact surface；（2）contact surface between the laminated board

釘孔擠壓時通常存在三種接觸類型[22]：接觸非滑移區、接觸滑移區以及非接觸區。對于應力比R=0.2 的拉拉疲勞載荷，在疲勞循環初期，結構的主要損傷為接觸滑移區的微動損傷以及接觸非滑移區的沖擊疲勞產生的沖擊損傷。隨著孔間隙量的增加，緊固件與復合材料孔邊的循環沖擊載荷越來越大，結構的損傷破壞也越嚴重。前文已對不同預緊力下孔邊應力以及載荷分配進行了分析，較小預緊力下，結構的抗疲勞性能下降，孔變形增大，沖擊損傷增加，進一步加劇了結構的疲勞損傷。

此外，釘孔間由于摩擦產生磨屑，而螺栓緊固件的存在導致磨屑很難從釘孔間排出，從而在釘孔間不斷累積，在循環載荷作用下逐漸形成一層致密的緩沖層，降低了釘孔間的摩擦因數，減小孔的磨損并緩解循環沖擊的影響，預緊力越大，這種對磨屑的密封效應越強，對結構的沖擊載荷緩解效應也越強，從而提高了結構的疲勞承載能力。

圖8 為樣件1-1、1-2、1-3（6-6、8-8、10-10 Nm）三組樣件變形隨疲勞載荷次數變化，圖中縱坐標為連接件每個疲勞循環中位移峰值和谷值的差值，反映出連接件整體的變形以及剛度變化特征。參考典型的復合材料的疲勞特性[23]，結構的疲勞損傷主要呈現以下特征：首先，損傷主要以沿著單層板纖維方向的基體開裂為主，直至基體開裂達到飽和狀態；此后，復合材料各鋪層界面脫粘，單層局部的裂紋擴展到厚度方向，直至出現纖維的斷裂失效，對于螺栓連接復合材料樣件，宏觀上表現為孔邊的擠壓變形以及結構力學性能的退化；材料模量的降低進一步加劇了循環載荷下結構的變形，隨著釘孔間隙增大，沖擊損傷更加嚴重，加劇結構的孔變形以及螺栓的屈服變形直至結構失去承載能力。

圖8 不同預緊力下結構變形對比Fig. 8 Comparison of structural deformation under different preloads

本實驗采用的復合材料板由于具有較強的剛度和疲勞性能，結構的損傷形式主要以孔邊的擠壓變形為主，故在螺栓失效前，結構整體的變形特征曲線基本反映了結構孔的變形特征。從圖8 中可以看出，結構的變形初始增長較為緩慢，呈現線性變化特征，此時孔間間隙較小，破壞形式主要以微動損傷為主，微觀上體現為孔邊的基體開裂、纖維斷裂以及擠壓變形；隨著連接孔變形增大，結構的沖擊損傷逐漸成為主要破壞形式，進一步加劇了孔邊的纖維破壞與變形，此時，結構的變形呈現出冪函數的變化特征，對于1-1 和1-2 樣件，這種損傷形式的轉變更為迅速。此外，預緊力較小情況下螺栓的疲勞承載能力也下降，1-1 和1-2 樣件很快由于螺栓斷裂而使整個樣件失去承載能力；1-3 樣件循環至50 萬次后螺栓仍未斷裂，復合材料板孔邊由微動損傷為主轉化為沖擊損傷為主的過程更加完整，曲線中也更好地體現出了這樣的變化過程。

3 預緊力退化實驗分析

在疲勞實驗加載前對螺栓連接件進行分級增加扭矩，獲取的樣件應變變化如圖9 所示。由圖9 看出，從無扭矩增加到3 Nm 后逐級增加到8 Nm，整體數據呈明顯的階梯狀分布；此外，由于各個接觸面的接觸條件、樣件的變形以及材料的誤差損傷等因素的影響，應變的變化并不是完全的線性增長，通過多次測量獲取平均值從而確定疲勞加載前結構的應變變化。

圖9 樣件應變變化Fig. 9 Test piece strain change

3.1 初始預緊力對預緊力退化影響

利用套筒裝置實時測量螺栓預緊方向的應變變化，為了保證數據的穩定性，樣件每循環10000次停止以獲取對應的應變變化；根據對螺栓連接結構的擰緊力矩-預緊力測量實驗，將應變的變化轉化為預緊力的變化，并與疲勞實驗前結構的初始應變進行對比，繪制出連接件相較于初始擰緊力（P0）對應當前預緊力（P）的百分比變化圖。圖10 為3-2（8-8 Nm）樣件隨著疲勞循環次數增加的預緊力變化趨勢。由圖10 可以看出，預緊力的變化整體上呈現初期下降較快，而后緩慢下降并逐漸平穩的趨勢，利用對數函數進行擬合，橫縱坐標分別為歸一化循環次數與剩余預緊力，擬合曲線為：

圖10 8-8 Nm 連接件預緊退化Fig. 10 8-8 Nm component preload degradation

在螺栓擰緊后連接界面微凸體間相互嵌入，導致預緊力下降較快[24]，此外，由于裝配間隙的存在，樣件循環初期界面的滑移量較大，界面磨損快，能量耗散嚴重，使得預緊力出現較大的松弛。

對于整個疲勞過程來說，樣件承受著微動磨損以及沖擊載荷的共同作用：前者在結構的連接板間產生磨屑，使得厚度方向出現應力松弛從而降低預緊力；后者影響了螺栓的屈服變形以及螺紋的塑性變形，從而造成緊固件的松動。此外，復合材料的黏彈性效應帶來的剛度衰減對連接件松弛的影響也不可忽視，王景澤[25]對常溫自然環境下的不同復合材料螺栓連接結構預緊力進行監測，其中碳纖維復合材料螺栓連接結構經過10 h 后預緊力衰減可以達到5%。

圖11 對比了3-1、3-2（6-6、8-8 Nm 樣件在疲勞載荷作用下循壞7 萬次后的預緊力退化情況。由圖11 可以看出，樣件的預緊力分別下降了約30%和43%，初始預緊力越大，預緊力下降越平緩。這主要是因為預緊力越大，接觸壓力越大，界面滑移需克服的摩擦力也增大，且復合材料板孔邊的應力分配也得到優化，促使預緊力松弛的各方面因素都得到了緩解。

圖11 6-6 Nm 與8-8 Nm 預緊退化對比Fig. 11 Comparison of 6-6 Nm and 8-8 Nm preload degradation

3.2 墊片對預緊力退化影響

圖12 為不同墊片下的樣件（3-2、3-3、3-4）預緊力退化對比。經過14 萬次循環后，普通平墊連接件的預緊力下降約35%，增加墊片數量后下降約38%，而采用彈簧墊片后，預緊力下降約25%，可以看出，相較于普通平墊，彈簧墊片對預緊力松弛起到了很好的抑制效果，而當將平墊數量增加到兩個時，加劇了預緊力的退化。彈簧墊片在機械產品的承力或非承力樣件中有著廣泛的作用，通過墊片壓平后產生彈力并增大摩擦，從而起到防松作用。平墊相較于彈簧墊片更多起到分散壓力作用，當在連接部位使用兩個墊片時，一方面增加了整個結構的滑移界面，加劇了界面磨損以及預緊松弛；另一方面，裝配過程以及墊片本身存在的誤差也增加了結構中的間隙，尤其是厚度方向，因此由誤差而導致的預緊松弛也隨之增加。

圖12 不同墊片下預緊力退化Fig. 12 Degradation of preload under different gaskets

3.3 加載頻率對預緊力退化的影響

圖13 為不同疲勞載荷頻率下樣件（3-2、3-5、3-6）的預緊力退化情況。經過14 萬次循環后，相較5 Hz 時預緊力下降約35%，頻率為4 Hz 時預緊力下降約20%，6 Hz 時下降約為42%，可以看出，隨著載荷頻率增加，螺栓預緊松弛也在加快。從能量角度分析，頻率越大，連接件的應變速率也越高，單位時間內循環次數越多，摩擦所消耗能量越多，螺栓預緊力的松弛也隨之加快。

圖13 不同加載頻率下預緊力退化Fig. 13 Degradation of preload at different loading frequencies

4 結論

（1）復合材料雙釘單剪連接件的疲勞性能受預緊力的影響很大。6-6、8-8、10-10 Nm 扭矩下的連接件（2-1、2-2、2-3）孔變形達到5%的循環次數分別約為4 萬次、8 萬次與10 萬次，在擰緊力矩標準范圍內，預緊力越大，結構整體的抗疲勞性能越強，復合材料板螺栓孔邊的變形越小。

（2）當雙釘連接結構中兩螺栓預緊力不同時（2-3、2-4、2-5），各連接孔的變形量存在較大差異，且結構整體的孔變形量變大，預緊力差別越大，連接孔的變形量差異越大；此外，由于加工、裝配以及實驗裝夾的影響，連接件存在受力不均現象，螺栓預緊力的差異則進一步加劇了這種影響。

（3）在疲勞載荷的作用下，緊固件預緊力存在著下降的現象，預緊力下降程度與初始預緊力大小、墊片類型以及疲勞載荷的頻率等密切相關。6-6與8-8 Nm 扭矩下的連接件（3-1、3-2）經過7 萬次循環預緊力下降分別約為30%和43%；對于循環14 萬次的8 Nm 連接件，使用普通平墊、加厚平墊與彈簧墊片（3-2、3-3、3-4）后預緊力下降分別為35%、38%與25%；頻率為4、5 與6 Hz（3-2、3-5、3-6）時預緊力下降分別為20%、35%與42%。