纖維增強(qiáng)復(fù)合材料螺栓連接性能試驗(yàn)研究

邢立峰，曹安港，畢鳳陽，劉長(zhǎng)喜，王曉宏

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078；2. 黑龍江工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

0 引 言

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱復(fù)合材料）以其比強(qiáng)度、比剛度大和整體可設(shè)計(jì)好的優(yōu)點(diǎn)，以往在航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，近年在船舶等領(lǐng)域應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大[1–4]。復(fù)合材料具有傳統(tǒng)金屬材料無法比擬的優(yōu)良綜合性能，對(duì)提高艦船隱身性能方面更有諸多優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合材料的吸波透波性、絕緣隔熱隔音性、阻尼減振性以及無磁性等固有特性為提高艦艇的雷達(dá)隱身、紅外隱身、聲隱身和磁隱身等創(chuàng)造了極有利的條件，因而是設(shè)計(jì)和建造中小型隱身艦艇最有潛力的結(jié)構(gòu)/隱身材料[2]。日本已經(jīng)建成大型玻璃鋼掃雷艦“江之島”號(hào)。在艦船上使用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以曲面板壁板和支撐梁居多，雖然可通過將構(gòu)件整體成型使零件總數(shù)量減少和總重量減輕，提高了經(jīng)濟(jì)性能。但零部件的連接仍然必不可少，并且其連接性能對(duì)結(jié)構(gòu)的可靠性也起到至關(guān)重要的作用。本文通過實(shí)驗(yàn)研究了復(fù)合材料的螺栓連接性能，通過試驗(yàn)分析了復(fù)合材料板開孔、復(fù)合材料預(yù)埋襯套、復(fù)合材料加鋼板夾層3種結(jié)構(gòu)的螺栓連接性能，以期為艦船用復(fù)材連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定參考和幫助。

相對(duì)于復(fù)合材料膠結(jié)連接，螺栓連接用于傳遞較高載荷或需要強(qiáng)調(diào)可靠性高的部位，多用于主承力構(gòu)件的連接。機(jī)械鏈接的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：便于質(zhì)量檢測(cè)，安全可靠；能傳遞大載荷，抗剝離性能好；受環(huán)境因素影響較小；連接中無殘余應(yīng)力；能夠拆卸后再裝配，便于修補(bǔ)；加工簡(jiǎn)單等[5]。復(fù)合材料構(gòu)件螺栓連接結(jié)構(gòu)的形式主要有開孔螺栓連接、孔內(nèi)預(yù)埋金屬套筒件螺栓連接、層間預(yù)埋環(huán)形金屬件螺栓連接3種形式。復(fù)合材料機(jī)械連接破壞模式有層合板的拉伸破壞、剪切破壞、劈裂破壞、擠壓破壞以及緊固件的破壞，如圖1所示。

圖 1 復(fù)合材料機(jī)械連接基本破壞模式Fig. 1 Composite material mechanical connection basic failure mode

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)過程

為了對(duì)比分析不同連接方案結(jié)構(gòu)的性能，針對(duì)上述3種連接方案，設(shè)計(jì)了3種試驗(yàn)：即無預(yù)埋件的螺栓連接層合板雙剪切試驗(yàn)、螺栓孔內(nèi)預(yù)埋鋼制套筒件的螺栓連接層合板雙剪切試驗(yàn)和層合板內(nèi)預(yù)埋鋼板的螺栓連接層合板雙剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)中所涉及到的主要材料有復(fù)合材料層合板、預(yù)埋套筒、預(yù)埋鋼板和連接螺栓，其材料性能如下：

1）復(fù)合材料層合板，材料體系為T700/5228，所制T700/5228單向板經(jīng)測(cè)試力學(xué)性能見表1；

2）預(yù)埋件材料力學(xué)性能見表2。

3種試驗(yàn)的試件示意圖如圖2所示。

3種試驗(yàn)方案中，無預(yù)埋件的螺栓連接層合板雙剪切試件按照ASTM D-5961標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]。試驗(yàn)中所涉及的層合板試件以及鋼制預(yù)埋件的形狀及尺寸如圖3所示，試驗(yàn)孔邊緣距離試件外邊緣孔邊距都設(shè)計(jì)為3倍（18 mm）。

表 1 T700S/環(huán)氧5228復(fù)合材料單向板力學(xué)性能Tab. 1 T700S/5228 composites unidirectional plate mechanical properties

表 2 金屬預(yù)埋件及螺栓的材料及力學(xué)性能Tab. 2 Materials and mechanical properties of metal embedded parts and bolts

圖 2 不同連接方案試驗(yàn)件的示意圖Fig. 2 Schematic diagram of different connection scheme test pieces

圖 3 試件形狀尺寸及開孔位置Fig. 3 Specimen shape size and opening position

3種試件的開孔位置一致，但套筒預(yù)埋件試件為放入套筒使開孔直徑增大。3種試件的鋪層形式一致，為保證3種試件總體尺寸一致，預(yù)埋鋼板件的層合板試件中層合板的厚度為1 mm，3種試件尺寸及鋪層見表3。

表 3 三種不同連接形式螺栓連接層合板試件尺寸Tab. 3 Three different connection forms of bolted connection laminates for specimen size

2 試驗(yàn)結(jié)果

1）無預(yù)埋件復(fù)合材料板試件及其破壞形式見圖4；

2）帶套筒預(yù)埋件復(fù)合材料板試件及其破壞形式見圖5；

3）鋼板預(yù)埋件復(fù)合材料板試件及其破壞形式見圖6。

復(fù)合材料板連接形式及試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖 4 無預(yù)埋件螺栓連接層合板雙剪切試驗(yàn)試件的損傷模式Fig. 4 Damage patterns of double shear test Specimens with non -buried bolt connection laminated plates

圖 5 螺栓孔內(nèi)預(yù)埋鋼制套筒件的螺栓連接層合板雙剪切試件的損傷模式Fig. 5 Damage patterns of double - shear specimens in bolted joints of embedded steel sleeves in bolt hole

圖 6 層合板內(nèi)預(yù)埋鋼板件的螺栓連接層合板雙剪切試件的損傷模式Fig. 6 Damage mode of double shear specimen of laminated plates with laminated plates in laminated plates

表 4 不同連接形式層合板雙剪切試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab. 4 Comparison of double shear test results of different connection mode

3 結(jié) 語

上述試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）開孔螺栓連接、孔內(nèi)預(yù)埋金屬套筒件螺栓連接、層間預(yù)埋環(huán)形金屬件螺栓連接3種不同形式連接的失效模式都是擠壓破壞，表明采用3倍孔邊距對(duì)復(fù)合材料層合板螺栓連接能夠獲得該試件最大承載力，在設(shè)計(jì)復(fù)合材料打孔螺栓連接時(shí)應(yīng)保證打孔的位置和制件邊緣距離至少在3倍孔徑以上。

2）帶有預(yù)埋件的連接結(jié)構(gòu)的承載能力較強(qiáng)，尤其是鋼板預(yù)埋件的連接結(jié)構(gòu)，其承載能力約為其他2種連接形式的3倍。同時(shí)選擇韌性好的鋼板預(yù)埋，可提高復(fù)合材料連接的抗脆性破壞能力，如果不考慮重量因素是一種連接強(qiáng)度和可靠性高的復(fù)合材料層合板螺栓連接方式，在關(guān)鍵連接位置應(yīng)用可靠性更高。

[1]錢江, 李楠, 史文強(qiáng). 復(fù)合材料在國(guó)外海軍艦船上層建筑上的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 艦船科學(xué)與技術(shù), 2015, 37(1): 233–237.

[2]李江, 濤羅凱, 曹明法. 復(fù)合材料及其在艦船中應(yīng)用的最新進(jìn)展[J]. 船舶, 2013, 24(1): 10–16.

[3]杜善義. 先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2007,24(1): 1–12.

[4]楊乃賓. 新一代大飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)[J]. 航空學(xué)報(bào), 2008,29(3): 596–604.

[5]謝鳴九. 復(fù)合材料連接[M]. 上海. 上海交通大學(xué)出版社,2011年.

[6]Standard Test Method for Bearing Response of Polymer Matrix Composite Laminate[S]. ASTM D-5961.