沉頭螺栓锪窩誤差對(duì)復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)承載性能影響分析

摘 要：沉頭螺栓作為現(xiàn)代飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的一種重要連接形式，其锪窩精度與裝配質(zhì)量直接影響結(jié)構(gòu)服役性能。沉頭螺栓因其能夠保證連接結(jié)構(gòu)表面齊平度，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)中。由于工藝和結(jié)構(gòu)限制，锪窩角度誤差和深度誤差通常是不可避免的，并且對(duì)連接結(jié)構(gòu)力學(xué)特性和承載能力造成影響。針對(duì)以上問(wèn)題，本文開(kāi)展了沉頭螺栓锪窩幾何誤差對(duì)復(fù)合材料連接接頭承載機(jī)理與強(qiáng)度影響研究。在角度誤差、偏轉(zhuǎn)方向誤差以及深度誤差定義分析的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了不同誤差下的加載試驗(yàn)并進(jìn)行了顯微分析。通過(guò)對(duì)加載曲線(xiàn)和界面形貌的分析，揭示了不同誤差下的結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理和接頭失效載荷，探究了锪窩幾何誤差對(duì)復(fù)合材料沉頭螺栓單搭接接頭力學(xué)行為的影響，為沉頭螺栓在復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)中的高效工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：沉頭螺栓； 角度誤差； 偏轉(zhuǎn)方向誤差； 深度誤差； 損傷機(jī)理； 失效載荷

中圖分類(lèi)號(hào)：V262/TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.06.005

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金 （52005458， 52035011）；航空科學(xué)基金 （2018ZE23011）

由于飛機(jī)復(fù)合材料零部件制造、裝配與維護(hù)需求不同，造成不同的結(jié)構(gòu)件之間存在大量裝配連接形式。其中以傳統(tǒng)的螺栓連接為代表的機(jī)械連接結(jié)構(gòu)由于形式簡(jiǎn)單、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的重要連接形式[1-7]，而被廣泛應(yīng)用。此外，對(duì)于飛機(jī)機(jī)翼蒙皮等薄壁結(jié)構(gòu)，由于對(duì)其外形精度與表面質(zhì)量有嚴(yán)格要求，使得沉頭螺栓被廣泛應(yīng)用。完好的結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量不僅可以很好地滿(mǎn)足飛機(jī)氣動(dòng)外形要求，還能夠減少雷達(dá)截面積（RCS）以提高隱身能力[8-9]。

對(duì)于復(fù)合材料沉頭螺栓連接結(jié)構(gòu)，在其加工過(guò)程中由于制造工藝與能力的限制，無(wú)法完全保證加工精度與孔壁質(zhì)量，從而影響后續(xù)裝配質(zhì)量。其中锪窩角度誤差會(huì)對(duì)螺栓沉頭和锪窩間接觸面的面積和摩檫力產(chǎn)生影響，造成復(fù)合材料干涉連接后锪窩孔周應(yīng)力分布和連接界面干涉量不均勻，影響連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。對(duì)于該種連接形式，于書(shū)宇[10]基于三維Hashin失效準(zhǔn)則和材料退化模型，建立了復(fù)合材料疲勞加載過(guò)程中的損傷累積演化模型，并通過(guò)靜強(qiáng)度和疲勞試驗(yàn)，研究不同孔口圓角和锪窩深度對(duì)連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，當(dāng)锪窩深度較小，螺栓不能完全沉入連接孔時(shí)，會(huì)導(dǎo)致螺栓應(yīng)力集中加劇，加速螺栓破壞進(jìn)程；當(dāng)锪窩深度較大，會(huì)使螺栓與連接孔軸線(xiàn)間的偏移角度增加，加劇螺栓沉頭部分的擠壓變形，削弱結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度；而過(guò)大的孔口圓角會(huì)增大螺栓與連接孔軸線(xiàn)間的偏移角度，加速疲勞損傷進(jìn)程，降低結(jié)構(gòu)整體連接強(qiáng)度；而較小的孔口圓角則會(huì)使螺栓產(chǎn)生局部損傷，同樣不利于提高整體承載性能。雷金山[11]建立了二維軸對(duì)稱(chēng)有限元模型，分析了鋁合金結(jié)構(gòu)沉頭螺栓干涉連接的應(yīng)力場(chǎng)分布和不同干涉量、沉頭角度、锪窩深度對(duì)凸瘤大小的影響。研究表明，當(dāng)干涉量在1.5%～2%時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中較小，殘余應(yīng)力分布最均勻，锪窩深度的增加會(huì)引起凸瘤高度的增加，降低連接強(qiáng)度。Nezhad等[12]通過(guò)試驗(yàn)研究了存在配合間隙的復(fù)合材料沉頭螺栓連接損傷過(guò)程，研究結(jié)果表明，極限載荷失效時(shí)主要是層內(nèi)損傷，其位于沉頭邊緣且在沉頭下方連接孔沿厚度方向擴(kuò)展。王建等[13]對(duì)連接孔的傾斜角度、傾斜方向以及螺栓扭矩對(duì)接頭承載性能的影響進(jìn)行單釘單剪試驗(yàn)，研究表明當(dāng)連接孔傾斜角度從0°增加到4°時(shí)，接頭極限承載強(qiáng)度下降9%～12%，而連接孔傾斜方向?qū)O限承載強(qiáng)度影響甚微，增加螺栓扭矩可以提高極限承載強(qiáng)度。劉學(xué)術(shù)[14]、徐茂青[15]等利用有限元仿真的方法，基于層間失效準(zhǔn)則分析了連接孔垂直度誤差對(duì)連接區(qū)層間應(yīng)力的影響規(guī)律，研究表明，垂直度誤差影響螺栓與連接件之間的接觸關(guān)系，造成連接區(qū)應(yīng)力分布不均勻，層間切應(yīng)力隨著垂直度誤差的增加而增大，是造成分層失效的主要原因。姜穎[16]利用改進(jìn)Hashin失效準(zhǔn)則和剛度折減方案，結(jié)合多釘單剪拉伸試驗(yàn)，分析了垂直度誤差對(duì)結(jié)構(gòu)承載性能的影響規(guī)律，研究表明，當(dāng)拉伸端螺栓傾斜方向與加載方向夾角為銳角時(shí)，釘載分配不均勻化程度較高，造成結(jié)構(gòu)承載能力降低，當(dāng)螺栓傾斜方向與拉伸方向夾角為鈍角時(shí)，比無(wú)垂直度誤差時(shí)承載能力強(qiáng)。以上研究為復(fù)合材料沉頭螺栓結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了有效的理論依據(jù)，但是對(duì)于锪窩誤差分類(lèi)及其影響尚缺乏系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中缺乏全面的锪窩誤差影響依據(jù)。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文針對(duì)復(fù)合材料沉頭螺栓干涉連接結(jié)構(gòu)裝配過(guò)程中的锪窩誤差對(duì)承載性能影響開(kāi)展了研究。首先對(duì)锪窩幾何誤差進(jìn)行定義，然后開(kāi)展了不同類(lèi)型誤差影響下的試驗(yàn)分析，獲得了锪窩角度誤差、角度偏轉(zhuǎn)方向誤差以及角度與深度誤差共同作用對(duì)結(jié)構(gòu)損傷失效和接頭強(qiáng)度的影響，為結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 锪窩誤差定義

1.1 锪窩角度誤差定義

锪窩角度誤差定義為：在理論锪窩軸線(xiàn)A1A2與實(shí)際制孔锪窩軸線(xiàn)B1B2形成的平面中二者之間的夾角，用符號(hào)β表示，如圖1所示。基于目前國(guó)內(nèi)航空領(lǐng)域?qū)B接孔垂直度誤差的參考標(biāo)準(zhǔn)為2°[13-17]，本文選擇研究的锪窩角度偏差參數(shù)范圍，即有效研究邊界，定為0°～3°。

1.2 锪窩角度偏轉(zhuǎn)方向誤差定義

锪窩角度偏轉(zhuǎn)方向誤差定義為：以锪窩底面的中心點(diǎn)為坐標(biāo)軸的原點(diǎn)，以與試件上表面平行的面作為XY平面建立坐標(biāo)軸，锪窩孔的軸線(xiàn)A1A2在XY平面的投影B1B2，與Y軸（加載方向）所形成的夾角，用符號(hào)α表示，如圖 2所示。在拉伸過(guò)程中，外載荷施加方向?yàn)閅方向，本文針對(duì)锪窩角度偏轉(zhuǎn)方向選擇參數(shù)為0°、90°、180°三種有效研究邊界情況。

1.3 锪窩深度誤差定義

锪窩深度誤差定義為：標(biāo)準(zhǔn)锪窩底面 B1B2與實(shí)際制孔锪窩底面 A1A2 所形成的高度差，用符號(hào)Δh 表示，如圖 3所示。锪窩深度偏差存在兩種情況：锪窩過(guò)深用 Δh 表示，過(guò)淺用-Δh 表示。根據(jù)學(xué)者之前的研究，本文不再對(duì)锪窩深度偏差這一單一因素對(duì)連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究，而是選擇研究角度和深度（锪窩過(guò)深的情況）偏差共同作用時(shí)對(duì)連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響規(guī)律。本文研究锪窩深度偏差參數(shù)的范圍為0～0.3mm。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)所采用復(fù)合材料為單向預(yù)浸料USN20000和非飽和聚酯樹(shù)脂7901固化而成，單層厚度0.15mm，共計(jì)24層，總厚度3.6mm，鋪層順序?yàn)閇45/0/-45/90]3s，材料屬性參數(shù)見(jiàn)表1。連接件采用鈦合金沉頭高鎖螺栓與自鎖螺母，螺栓材料為T(mén)i-6AL-4V，彈性模量E=110GPa，泊松比υ=0.3，螺母材料為鋁合金。沉頭螺栓的公稱(chēng)直徑為6.35mm，考慮制造誤差的影響，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量沉頭螺栓光桿的實(shí)際直徑為6.32mm，對(duì)于同一批次生產(chǎn)的螺栓，制造工藝穩(wěn)定性較高，實(shí)際螺栓尺寸均相同。

試驗(yàn)件為單螺栓單搭接結(jié)構(gòu)如圖4所示，單板長(zhǎng)度為135mm，寬為36mm，夾持區(qū)域長(zhǎng)度為75mm，孔軸線(xiàn)距離層合板寬邊和長(zhǎng)邊均為18mm。試驗(yàn)件采用高壓水切割工藝控制精度。為保證試驗(yàn)過(guò)程中夾持力作用在同一水平面上，在試件的兩端黏結(jié)材料屬性與尺寸相同的復(fù)合材料板。

試驗(yàn)件采用螺栓干涉連接，利用液壓裝置將螺栓壓入連接孔中。在復(fù)合材料干涉連接結(jié)構(gòu)中，一般選擇干涉量范圍為1%～2%[18]。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論，本試驗(yàn)選取的相對(duì)干涉量為1.2%，擰緊力矩為4N·m。試驗(yàn)主要分析锪窩角度誤差、角度偏轉(zhuǎn)方向誤差以及角度與深度誤差共同作用對(duì)復(fù)合材料沉頭螺栓單搭接干涉連接結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度影響規(guī)律。針對(duì)角度偏差和角度偏轉(zhuǎn)方向先采用控制單一變量法進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，變量參數(shù)的選擇見(jiàn)表2和表3。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

在室溫下對(duì)復(fù)合材料沉頭螺栓單搭接干涉連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，最高拉伸載荷 100kN，如圖 5所示。拉伸速度為2mm/min[19]，記錄位移載荷曲線(xiàn)，保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為避免因試驗(yàn)機(jī)夾頭未對(duì)試驗(yàn)件夾緊而產(chǎn)生試件滑動(dòng)，在試驗(yàn)正式加載前，先預(yù)加載到500N再卸載，試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照ASTM D5961標(biāo)準(zhǔn)處理。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 锪窩角度誤差對(duì)接頭強(qiáng)度的影響

單搭接接頭不同锪窩角度誤差在偏轉(zhuǎn)方向?yàn)?°下的典型載荷-位移曲線(xiàn)如圖6所示。在曲線(xiàn)第1階段，曲線(xiàn)的趨勢(shì)和斜率基本保持一致，呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，此階段主要是復(fù)合材料板之間的摩檫力傳遞載荷，夾具與試件建立密切接觸，將試驗(yàn)件上力夾緊。第2階段，不同角度誤差的曲線(xiàn)開(kāi)始分離，不同锪窩角度誤差曲線(xiàn)斜率改變的位置基本處于同一范圍，初始階段不同锪窩角度誤差下接頭剛度均大于無(wú)幾何誤差條件下，待穩(wěn)定后接頭剛度基本一致。第3階段，連接接頭承受的拉伸載荷達(dá)到最大值，其中0.5°和1°角度誤差下接頭極限載荷小于無(wú)幾何誤差的情況，2°和3°角度誤差下接頭極限載荷大于無(wú)幾何誤差情況，但是總體誤差均在5%以?xún)?nèi)，該誤差尚未排除試驗(yàn)件、試驗(yàn)機(jī)、試驗(yàn)流程等本身誤差因素的影響，因而可以認(rèn)為在0°～3°范圍內(nèi)，其對(duì)結(jié)構(gòu)失效強(qiáng)度的影響較小，這也從側(cè)面印證了目前國(guó)內(nèi)航空領(lǐng)域?qū)B接孔垂直度誤差的參考標(biāo)準(zhǔn)為2°的可靠性。但是可以看到，一旦有锪窩角度誤差后，其失效位移明顯小于無(wú)誤差的情形，這為對(duì)失效位移有要求的工況提供了數(shù)據(jù)支持。第4階段，連接接頭最終失效，載荷隨位移的增大而減小或處于載荷停滯階段。

選取無(wú)锪窩幾何誤差與锪窩角度誤差為1°，在相同拉伸位移5mm時(shí)，對(duì)試件進(jìn)行處理，通過(guò)掃描電鏡對(duì)連接界面損傷情況進(jìn)行觀(guān)測(cè)，如圖 7所示。在沉頭螺栓沉頭部位與锪窩孔壁連接界面，當(dāng)無(wú)幾何誤差時(shí)，連接界面僅發(fā)生了纖維彎曲損傷；當(dāng)存在角度誤差時(shí)，復(fù)材出現(xiàn)了嚴(yán)重的擠壓損傷，包括分層損傷、纖維剪切損傷以及纖維斷裂損傷。對(duì)下層板主擠壓面進(jìn)行分析，當(dāng)無(wú)锪窩幾何誤差時(shí)，復(fù)材損傷情況更為嚴(yán)重，纖維斷裂損傷和分層損傷情況較存在角度誤差時(shí)損傷程度更大，還出現(xiàn)了基體壓潰現(xiàn)象，有角度誤差的情況下復(fù)材出現(xiàn)了剪切損傷帶。因此上層板锪窩處的復(fù)材損傷隨角度誤差的增大損傷程度更嚴(yán)重，對(duì)下層板主擠壓面復(fù)材損傷隨角度誤差的增大損傷程度更小。

3.2 锪窩角度偏轉(zhuǎn)方向誤差對(duì)接頭強(qiáng)度的影響

锪窩角度偏轉(zhuǎn)方向誤差也是影響接頭強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。為了更接近于工程實(shí)際，選擇相同的锪窩角度誤差為1°，干涉壓釘方式為豎直壓釘，對(duì)其偏轉(zhuǎn)方向誤差影響開(kāi)展研究。選擇偏轉(zhuǎn)方向分別為0°、90°和180°三種情況進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)得到的典型載荷-位移曲線(xiàn)如圖8所示。在曲線(xiàn)初始階段，接頭載荷隨位移的增大而線(xiàn)性增大，4種情況曲線(xiàn)斜率保持一致，隨載荷的持續(xù)增大，曲線(xiàn)開(kāi)始出現(xiàn)分離，曲線(xiàn)斜率逐漸減小，載荷隨位移的增大而增大，當(dāng)達(dá)到極限承載位置時(shí)，載荷隨位移的增大而減小。由圖8可得，隨锪窩角度誤差偏轉(zhuǎn)方向的增大，連接接頭的極限載荷整體變化較小（偏轉(zhuǎn)方向?yàn)?80°與偏轉(zhuǎn)方向0°相比極限載荷下降了382.63N，下降量小于3%），但是對(duì)于不同偏轉(zhuǎn)方向試驗(yàn)件達(dá)到極限載荷的位移大幅減小，當(dāng)角度誤差偏轉(zhuǎn)方向?yàn)?80°時(shí)與無(wú)幾何誤差情況下達(dá)到極限載荷的位移減小了0.457mm，降低量大于15%。此外，連接接頭剛度隨锪窩幾何誤差偏轉(zhuǎn)方向的增大而增大。

3.3 锪窩角度與深度誤差共同作用對(duì)接頭強(qiáng)度的影響

目前對(duì)锪窩深度誤差對(duì)接頭強(qiáng)度的影響已開(kāi)展大量研究，普遍認(rèn)為锪窩深度誤差的增大會(huì)導(dǎo)致接頭拉伸強(qiáng)度減小。但是角度誤差和深度誤差共同作用對(duì)接頭強(qiáng)度的影響規(guī)律尚缺乏明確的結(jié)論。因此本節(jié)重點(diǎn)針對(duì)锪窩角度和深度誤差共同作用下復(fù)合材料干涉連接接頭性能開(kāi)展研究。試驗(yàn)得到典型锪窩角度和深度誤差共同作用下載荷-位移曲線(xiàn)如圖9所示。

從整體趨勢(shì)來(lái)看，锪窩深度誤差的增大導(dǎo)致接頭拉伸極限載荷減小。锪窩深度誤差的增大，引起沉頭螺栓上表面低于復(fù)合材料上層板上表面，螺栓與孔壁的接觸面積減小，導(dǎo)致接頭極限拉伸載荷減小。深度和角度誤差共同作用時(shí)位移載荷曲線(xiàn)斜率均大于只有角度誤差作用的情況下，即接頭剛度隨深度誤差的加入而增大。

對(duì)無(wú)锪窩幾何誤差、只有角度誤差（1°）、同時(shí)具有角度誤差（1°）和深度誤差（0.2mm）三種情況進(jìn)行5mm定位拉伸，試驗(yàn)后結(jié)構(gòu)釘頭表面形貌如圖 10所示。無(wú)锪窩幾何誤差情況下，復(fù)合材料層合板上表面的損傷范圍大約為8mm，釘頭偏移距離大約為0.2mm；只有角度誤差的情況下，上表面的損傷范圍大約為10mm，釘頭偏移距離大約為1mm；锪窩角度誤差和深度誤差共同作用時(shí)，上邊表面的損傷范圍最大達(dá)到了14mm，釘頭偏移距離大約為 2mm。锪窩深度誤差導(dǎo)致釘頭下陷，拉伸試驗(yàn)后釘頭與上表面偏移距離增大，損傷范圍越來(lái)越大。

4 結(jié)論

本文針對(duì)锪窩幾何誤差對(duì)復(fù)合材料沉頭螺栓干涉連接結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理與拉伸強(qiáng)度影響規(guī)律開(kāi)展研究，通過(guò)開(kāi)展不同類(lèi)型锪窩誤差影響下的拉伸試驗(yàn)，揭示復(fù)合材料沉頭螺栓干涉連接接頭失效機(jī)理，定義锪窩誤差含義并確定有效研究邊界，分別定義了锪窩角度誤差、锪窩角度偏轉(zhuǎn)方向誤差以及锪窩深度誤差的含義，并定義了工程上有意義的有效研究邊界。開(kāi)展了復(fù)合材料沉頭螺栓單搭接干涉連接結(jié)構(gòu)拉伸試驗(yàn)，獲得不同锪窩角度誤差、锪窩角度偏轉(zhuǎn)方向誤差以及锪窩角度與深度誤差共同作用下的結(jié)構(gòu)承載數(shù)據(jù)。

通過(guò)研究，得出以下結(jié)論：

（1）評(píng)估不同锪窩角度誤差下連接接頭的損傷機(jī)理與失效強(qiáng)度差異。不同锪窩角度誤差相較于無(wú)幾何誤差情況，失效載荷總體差異均在5%以?xún)?nèi)，但是一旦有锪窩角度誤差后，其失效位移明顯小于無(wú)誤差的情形。

（2）評(píng)估不同锪窩角度偏轉(zhuǎn)方向誤差對(duì)接頭強(qiáng)度的影響。隨锪窩角度誤差偏轉(zhuǎn)方向的增大，連接接頭的極限載荷整體變化較小，但是達(dá)到極限載荷的位移大幅減小，當(dāng)角度誤差偏轉(zhuǎn)方向?yàn)?80°時(shí)與無(wú)幾何誤差情況下達(dá)到極限載荷的位移減小了0.457mm，降低量大于15%。

（3）評(píng)估锪窩角度與深度誤差共同作用對(duì)連接接頭強(qiáng)度的影響。從整體趨勢(shì)來(lái)看，锪窩深度誤差的增大導(dǎo)致接頭拉伸極限載荷減小。深度和角度誤差共同作用時(shí)位移載荷曲線(xiàn)斜率均大于只有角度誤差作用的情況下，即接頭剛度隨深度誤差的加入而增大。

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Influence of Countersunk Bolt Geometry Error on the Bearing Performance of Composite joint Structure

Zou Peng1， Liu Yingli2

1. National Key Laboratory of Strength and Structural Integrity，Aircraft Strength Research Institute of China， Xi’an 710065， China

2. Xi’an Changfeng Research Institute of Mechanism and Electricity， Xi’an 710072， China

Abstract： As an important joint form in modern aircraft composite structures， countersunk bolts have a direct impact on the service performance of the structure due to their dimple accuracy and assembly quality. Countersunk bolts are widely used in aircraft composite joint structures due to their ability to ensure surface flatness of the joint structure. Due to process and structural limitations， dimple angle and depth errors are usually unavoidable and have an impact on the mechanical properties and load-bearing capacity of the jointing structures. In response to the above issues， this paper conducted a study on the impact of geometric errors in countersunk bolt dimpling on the load-bearing mechanism and strength of composite joints. Based on the definition of angle error， deflection direction error and depth error， loading experiments were conducted under different errors and microscopic analysis was conducted. By analyzing the loading curves and interface morphology， the structural damage mechanism and joint failure load under different errors were revealed， and the influence of dimple geometry error on the mechanical behavior of composite countersunk bolt single lap joint was explored， which provided theoretical basis for the efficient engineering application of countersunk bolts in composite joint structures.

Key Words： countersunk bolt； dimple angle error； dimple deflection direction error； dimple depth error； damage mechanism； failure load