纖維增強復合材料層合板擠壓響應研究進展

彭亞南，莫 凡，毛才文

(同濟大學材料科學與工程學院，上海 200092)

1 前 言

復合材料作為《“十三五”國家科技創新規劃》號召發展的新材料之一，其高比強度、高模量、耐腐蝕等優異性能使其在航空、汽車、軌道交通等領域得到廣泛應用[1]。復合材料性能的不穩定性、離散性是其生產應用的主要障礙。在復合材料應用與產業方面，我國與國外仍存在較大差距，成型工藝、結構設計等無法滿足高性能、高效率復合材料的工業要求，目前國內復合材料還無法用于承力結構。

復合材料與金屬等異種材料的組合使用可以發揮材料優勢，是復合材料主要應用方式。但連接部位是復合材料結構中較薄弱位置，70%的結構破壞發生在連接部位[2]，如何提高復合材料連接性能是結構設計中不可忽視的問題。復合材料的連接方式主要包括膠接、機械連接、兩者的混合連接以及其他新型連接方式，如激光焊接[3]、無鉚釘連接[4]等。機械連接具有裝配簡單、檢修方便、可靠性高、傳遞載荷大等優點[5]，是工業中復合材料構件中最常用的連接方式。復合材料機械連接擠壓性能研究對工程應用與實際生產具有重大意義和參考價值。

目前國內外試驗方法眾多，但無法形成復合材料擠壓響應的統一評價標準，本文對現有標準試驗方法進行對比、評估與分析，并介紹了復合材料另一種主要研究手段——有限元數值模擬的應用發展。綜述了復合材料機械連接主要影響因素的研究進展，希望為纖維增強復合材料擠壓性能研究提供試驗方法和研究方向參考。

2 研究方法

由于復合材料的各向異性和脆性，復合材料的機械連接孔周圍形成復雜的應力分布。在載荷作用下，復合材料孔周圍首先發生破壞。機械連接擠壓強度是指復合材料在載荷作用下形成損傷至發生擠壓破壞過程中所承受的擠壓應力，可通過試驗和數值模擬進行研究。試驗研究積累大量原始數據，具有最直觀的參考應用價值，同時可作為有限元模型可行性的有效驗證。有限元數值模擬可對試驗結果進行預估，有利于試驗設計和機理分析，同時節省時間和經濟成本。近年來，大多學者采用試驗和有限元模擬相結合的方式對復合材料連接性能進行研究。

2.1 試驗研究

復合材料機械連接擠壓性能的評估主要基于擠壓強度試驗。試驗標準對試驗的器材、材料、環境條件等起到規范的作用，使所得到的材料擠壓性能數據具有統一性，對復合材料結構選材、設計及產品的質量監控評估具有重要的應用參考價值。不同國家的試驗標準對儀器、試樣、試驗程序和結果處理與分析的規定不盡相同，本節選取中國、美國、德國、日本等制定的6個復合材料擠壓強度測試標準[6-11]進行對比分析，列舉了其中差異，同時討論了這些差異對試驗結果的影響，為試驗研究提供了途徑參考和選擇。

2.1.1 標準基本介紹

國內的纖維增強復合材料擠壓試驗標準有GB/T 7559-2005 HB《纖維增強塑料層合板螺栓連接擠壓強度試驗方法》(下簡稱GB/T 7559-2005 HB)、HB7070-94《纖維增強塑料層合板擠壓強度試驗方法》(下簡稱HB7070-94)，分別制定于2005年、1994年。美國材料試驗協會制定的ASTM D5961 M-13《Standard Test Method for Bearing Response of Polymer Matrix Composite Laminates》(下簡稱ASTM D5961 M-13)于1996年發布，之后進行六次修訂。德國航空委員會制定的DIN EN 6037:2016《Aerospace Series Fiber Reinforced Plastics Test Method-Determination of Bearing Strength》(下簡稱DIN EN 6037:2016)是根據歐洲標準EN 6037:2015進行修改完善，2016年頒布。國際標準化組織對1995年制定的試驗標準修訂，于2015年頒布新試驗標準ISO 12815《Fiber-Reinforced Plastic Composites-Determination of Plain-Pin Bearing Strength》(下簡稱ISO 12815)。日本工業標準委員會也在2012年制定了JIS K7080-2:2012《Carbon Fiber Reinforced Plastics-Testing Methods for Bearing Strength-Part 2:Orthotropic and Quasi-isotropic Long Fiber Laminates》(下簡稱JIS K7080-2:2012)。國內標準的更新速度低于國外，隨著研究的深入，及時更新、完善試驗標準才能保證研究可靠性。國內試驗標準的時效性有待提高。

2.1.2 適用范圍和試樣規范

表1概述了各標準所適用的材料和連接方式。復合材料擠壓響應試驗根據搭接方式可分為單剪試驗、雙剪試驗。ASTM D5961/D5961M-13的4種試驗場景涵蓋了復合材料連接大多使用狀態，給出了凸頭螺栓、沉頭螺栓、銷釘、鉚釘等各種連接件下的試驗情況。

表1 標準適用范圍

擠壓強度的定義直接影響到對復合材料擠壓性能評定的參考標準，定義不同使最終結果無法直接比較。表2列出了各標準的擠壓強度定義，極限(最大)擠壓強度、偏移擠壓強度是復合材料擠壓性能的重要衡量標準。

表2 擠壓強度的定義

對于復合材料單緊固件連接的試樣，多采用圖2所示的方式，參數有寬度w、長度L、孔心至試樣端部距離e、孔徑D、板厚t、連接件直徑d。但GB/T 7559-2005采用的是含有3孔的長方形試樣，中心孔為固定孔，兩端為擠壓孔，在試樣兩端同時施加拉伸載荷，會造成與其他標準完全不同的應力分布，當試樣較短時，這種影響更加明顯。測試標準給出了試樣尺寸的標準值，基本都遵循100 mm≤L≤180 mm;3 mm≤t≤5 mm;w/D≥5，e/D≥3，其中w/D=6，e/D=3是最為普遍采用的標準尺寸。值得一提的是，ASTMD 5961-2005、GB/T 7559-2005不僅給出了標準尺寸值，還規定了尺寸的可變范圍；DIN EN 6037:2016對于復合材料鋪層順序的選擇也給定了推薦值。

圖1 偏移擠壓強度示意圖[8]Fig.1 Offset bearing strength illustration[8]

圖2 試樣示意圖Fig.2 Specimen geometric illustration (mm)

2.1.3 試驗裝置和條件

GB/T 7559-2005和HB 7070-94試驗裝置較為復雜繁瑣，不利于操作，耐環境性較差。對于試樣的固定，GB/T 7559-2005采用銷釘固定試樣，HB 7070-94、ASTMD 5961-2013、JIS K7070-2：2012采用夾具夾緊固定試樣，ISO 12815、DIN EN 6037:2016則提供了夾具或緊固件兩種方式供研究者選擇。對于較短試樣，固定銷釘附近應力集中會影響擠壓孔附近的應力分布，從而使復合材料擠壓響應產生差異。除此之外，如圖3所示，ASTMD 5961-2013中單剪雙試樣擠壓試驗的夾具匠心別運，由短夾板、長夾板和不銹鋼墊片各兩個組成，這種特殊的夾具既可以防止試樣在拉伸載荷下產生彎曲效應，又可防止在壓縮載荷下失去穩定。

表3給出了各試驗標準的環境和加載條件。標準試驗對溫度和濕度的要求基本一致，并采用靜準態載荷下恒定位移加載速度的方式加載，同批有效試樣數量要求大于5個。GB/T 7559-2005和HB 7070-94缺少了失效方式說明，不能對試驗結果進行完整的評估分析。ASTM D5961/D5861M-13不僅對復合材料的失效方式進行分類，也考慮到緊固件破壞導致的失效方式；并且JIS K7070-2：2012和ASTM D5961/D5861M-13對于傳感器的位置進行了規范。

圖3 ASTM D5961夾具裝置圖Fig.3 Support fixture assembly illustration of ASTM D5961

擠壓強度計算統一采用公式(1)，

Б=P/(k×D×t)

(1)

其中Б為特定點的擠壓應力(MPa)，P為對應的擠壓載荷(N)，D為連接孔直徑(mm)，t為復合材料的板厚(mm)，k為孔系數，單緊固件k為1，雙緊固件k為2。

表3 試驗條件

擠壓強度標準測試方法的制定主要用于獲得材料性能研究的數據、性能評估和結構設計。國內纖維增強復合材料擠壓強度試驗標準GB/T 7559-2005和HB 7070-94存在很多不足，如試樣設計的不合理性、裝置的復雜性、缺少對復合材料失效方式的判定等。DIN EN 6037:2016主要針對航空用復合材料，考慮到主要影響因素并做了相應的規范，但測試方法單一，只能確定雙剪拉伸載荷下復合材料單螺栓連接擠壓強度。ISO 12815只適用于平銷釘連接。JIS K7070-2：2012和ASTM D5961/D5861M-13對試驗的整體分析最為全面，涵蓋了各影響因素，ASTM D5961/D5861M-13具有4種試驗方法，其中雙剪拉伸(壓縮)擠壓試驗主要用于復合材料擠壓性能的基礎研究、比較，單剪試驗用于特定連接的設計評估，既適用于沉頭螺栓也可用于雙螺栓連接，對復合材料連接設計參數的積累與發展具有重要意義。但這些標準不適用于縫合復合材料、三種及三種以上編織方向復合材料等結構復雜的層合板，美國國家航空航天局(NASA)[12]為三維編織結構復合材料擠壓性能制定了試驗標準。為了更加深入、綜合地對復合材料連接性能進行評估，還可開展開孔試驗[13]、填孔試驗[14]、拉透試驗[15]、擠壓疲勞響應試驗[16]等。

2.2 數值模擬

連接部位對承載力的響應行為是由被連接件和緊固件之間復雜的相互作用決定的，只有充分理解這種機制，才能優化復合材料連接性能的分析評價過程。大多研究通過試驗確定復合材料連接性能和失效行為，但是這種方法需要可靠有效的試驗數據支持。盡管國內外對此進行了大量試驗研究，但試驗類型及參數變化范圍都受到限制；而有限元模擬仿真幾乎可覆蓋所有參數包括極端值的研究，對于設計具有指導性意義，得到越來越多研究者的青睞。

對于復合材料板材連接數值模擬，要保證以下幾方面的精確性[17]：① 板材及相關構件的幾何非線性、材料非線性；② 被連接件和接頭的損傷容限，損傷產生、擴展；③ 緊固件或銷釘性能；④ 螺栓與板材相互作用；⑤ 界面壓應力；⑥ 滑動；⑦ 初始缺陷。

為了可靠地分析接頭擠壓響應，有限元模型可從應力分析、失效準則、材料剛度退化準則3方面進行損傷進程分析。1971年提出的Tsai-Wu[18]準則第一次對鋪層失效進行預測，此后大量研究都采取鋪層二維應力分析而忽略了三維影響因素。隨著數值模擬的發展，三維有限元模型開始應用于復合材料層合板連接研究。Marshall[19]首次對連接件厚度方向的夾緊作用進行分析。在之前基礎上，三維機械連接模型考慮到了預緊力、摩擦力、空隙、接觸分析等因素。但有限元模型主要采用線彈性分析，對于損傷途徑預測的研究仍然較少，直至Hassan[20]首次對拉擠成形的纖維增強復合材料發生失效時的應力變形進行非線性有限元分析。

數值模擬不僅大大降低人力、材料、時間等成本，而且有助于試驗的分析設計。近年來，許多學者都采用試驗和數值模擬相結合的方式來對復合材料連接性能進行研究。Egan等[21]通過隱式分析Abaqus/Standard和顯式分析Abaqus/Explicit模擬了復合材料沉頭螺栓連接，利用非線性有限元分析克服了隱式分析的收斂問題，并與試驗結果具有良好的一致性，顯式分析的計算周期長于隱式分析；對于復雜的大型構件(如多釘連接)，顯式分析則表現出更低的計算成本。這是因為顯式分析具有高穩定性接觸的處理方案和良好的可擴展性，且更易模擬應變軟化所致的失效問題，尤其適用于動態問題的分析。

沉頭螺栓連接比凸頭螺栓連接和鉚接具有更復雜的接觸問題，Kabeel[22]利用連續殼體單元建立平面漸進損傷模型，并用內聚單元模擬3種失效方式(擠壓失效、凈截面斷裂、分層)。近年來，許多基于子程序開發的復合材料多尺度失效理論被提出并用于復合材料的失效分析，其在纖維、基體性能匹配和耐久性方面表現出獨特優勢。Liu等[23]提出的多尺度非線性三維模型可用于較厚的復合材料失效分析，突破了復合材料在厚度上的限制。該模型將復合材料在厚度方向上分割成若干子單元后再進行整體模型分析。

3 復合材料機械連接擠壓響應影響因素分析

復合材料機械連接接頭的破壞形式包括拉伸破壞、剪切破壞、擠壓破壞、劈裂破壞、撕裂破壞[9]等5種主要形式(圖4所示)以及多種混合組成形式。擠壓破壞是其中最“理想”的失效方式，因為通常接頭以擠壓破壞失效時的承載能力最好，并且材料破裂變形較小，失效過程穩定，是非突發性破壞[24]。而復合材料機械連接性能受到眾多因素影響，包括材料組成(纖維/樹脂含量)、鋪層結構(單向帶方向、編織類型等)、幾何尺寸(層合板的厚度、開孔的位置等)、連接參數(緊固件、預緊力、間隙配合等)、載荷方式和環境等，本節將從這幾方面分析復合材料機械連接擠壓響應研究進展。

(a) (b) (c) (d) (e)圖4 復合材料機械連接破壞形式：(a)拉伸破壞，(b)剪切破壞，(c)擠壓破壞，(d)劈裂破壞，(e)撕裂破壞Fig.4 Failure codes of mechanical joint of composites: (a) lateral, (b) shearing out, (c) bearing, (d) cleavage, (e) tearing out

3.1 結構與幾何尺寸的影響

開孔大小和位置的選擇對應力分布和載荷分配有很大的影響。目前機械連接幾何參數的研究已經十分成熟。Okutan[25]和Sen[26]等系統研究了玻璃纖維增強環氧樹脂層合板的幾何參數(w/D、e/D)對機械連接強度的影響，對連接失效方式和承載強度進行了歸納總結。研究表明當w/D、e/D同時滿足特定條件時會發生擠壓破壞模式。大量試驗表明，復合材料的機械連接設計參數選擇應遵循e/D>2，w/D>2。

開孔孔徑與層合板厚度的比值(D/t)也是影響復合材料的承載性能的重要參數。Eurocomp[27]推薦D/t選擇在1.0～1.5之間；Lee等[28]對拉擠成形的纖維增強復合材料研究發現：當1.2≥D/t≥0.83，失效載荷隨著D/t的增加而增加，與Eurocomp的結果一致；由于研究采用的復合材料不同，推薦值也略有不同，歐洲航天局的空間結構設計手冊中則建議D/t取值3.0；劉坤良[29]則通過試驗發現孔徑與板厚的比值在1.5～2.6范圍內連接強度較高。

不同鋪層結構、鋪層順序的纖維增強復合材料擠壓強度也具有明顯差異。Okutan[30]研究發現[0/45]s鋪層方式的復合材料表現出比[90/45]s更為優異的擠壓強度和較小的尺寸相關性；劉建超[31]對復合材料螺柱-柱銷連接的擠壓性研究發現織物結構復合材料比0°/90°單向層合板具有更高的擠壓強度；Sen[32]的試驗結果表明[0°/0°/90°/90°]s比[0°]8鋪層的復合材料串聯雙螺栓連接具有更高的擠壓強度；Park[33]也對鋪層順序做了相關研究，試驗結果表明[906/06]s層合板的分層擠壓強度是[06/906]s層合板的兩倍，[903/03/±453]s復合材料擠壓性能同樣優于[03/±453/903]s，這些都說明90°單向預浸料位于表面比位于內部的層合板具有更優異的分層擠壓性能；劉建超[31]還分別對45°、-45°鋪層層合板、0°、90°鋪層層合板以及0°、45°、-45°、90°鋪層層合板的連接強度進行對比，發現后者強度要強于前兩者，驗證了層壓板最外側采用90°鋪層角的層壓板具有較好的連接強度的結論；林鵬程[34]研究發現當90°鋪層比例為10%時，復合材料連接的極限載荷隨±45°鋪層的比例變化規律，試驗結果表明±45°鋪層的比例為50%時，復合材料承載性能最好。

3.2 連接參數的影響

復合材料螺(鉚)接的連接性能由預緊力、干涉配合、墊圈、緊固件等多個因素共同決定，國內外對此做了大量研究。Sen[32]對不同螺栓擰緊力矩(0～5 N·m)的復合材料擠壓性能進行測試，其中3 N·m時性能最好；Park[33]對復合材料螺接預緊力試驗發現，擠壓強度隨著預緊力的增加而增加并最終趨向于一個最大值，預緊力的選擇一般不應大于這個值；王富生等[35]研究了擠壓面切向摩擦系數和孔的形狀對復合材料連接性能的影響，大的擠壓面切向摩擦系數有利于提高擠壓強度，但損傷在同樣的孔應變下發生；并且測試了不同孔形狀的復合材料擠壓性能，發現圓孔比橢圓孔具有更好的連接性能。

孔間隙可影響擠壓損傷的開始從而改變擠壓強度。航空常用的釘孔間隙為+75/-0 um。Kelly和Hallstroemp[36]的研究表明孔間隙是提高復合材料接頭性能的重要因素；Kiral[37]對復合材料銷釘連接的釘孔配合問題研究發現：間隙配合和過盈配合并不能改變復合材料失效方式，適當減小孔、銷的間隙可以提高擠壓強度；Jing[38]研究了過盈配合對復合材料的最大擠壓強度和連接壽命的影響，過盈配合可起到提高層合板擠壓性能的作用，但是超過一定值則會降低其擠壓性能；并且在不同的擠壓力下，過盈配合對連接壽命表現出不同的影響方式。何龍[39]發現螺栓過盈量和預緊力對復合材料機械連接強度的影響是非獨立的，而是混合作用，對結構進行設計、優化時要從二者的共同影響出發。

Starikov和Schoen[40]對比了復合材料的凸頭螺栓和沉頭螺栓連接的連接強度，前者比后者可以傳遞更高的載荷。賈云超[41]也對此做了相關研究，結果表明連接件中使用凸頭螺栓要比使用埋頭螺栓的破壞載荷提高了30%。McCarthy[42]研究了單向復合材料層合板的凸頭螺栓和沉頭螺栓連接，研究表明間隙的增大會降低兩種連接接頭的剛度，但對沉頭螺栓連接擠壓強度沒有影響；并預測間隙的存在有利于多緊固件連接中的載荷分配，并通過彈簧模型、有限元模擬及試驗共同[43-44]驗證了這一猜想；Chishti[45]利用有限元平面損傷模型對沉頭螺栓的接觸問題進行了研究，扭矩增加會使埋頭區域的破壞增加，而靠近剪切面區域的破壞減少。黃學友[46]研究發現 [45°/-45°]3s鋪層復合材料層合板的單沉頭螺栓連接強度隨著沉頭螺栓沉頭比的增加而逐漸增加到一定程度，然后降低。

Feo[47]等對多釘(2×2、3×3、4×4)連接的載荷分配與孔邊應力進行了系統的研究，并分析了墊圈對復合材料連接處承載性能的影響，當墊圈直徑為螺栓直徑兩倍時連接性能最佳。Khashaba[48]研究發現在15 N·m 的恒定擰緊力矩下，墊圈直徑在14～18 mm范圍內，玻纖增強環氧樹脂螺栓連接失效載荷呈現先增大后減小的趨勢。

3.3 其他影響因素

Asi[49]對編織結構玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料的銷接承載性能與編織線密度、纖維體積的關系進行了研究，結果表明其承載性能隨編織線密度先增加后降低。Jadee和Othman[50]研究了孔保護系統對玻璃纖維增強復合材料擠壓強度的影響，在螺栓孔附近添加一個額外的開孔可降低應力集中，提高承載，失效載荷最高可增加34.81%。何龍等[39]發現增加局部鋪層的方式可提高最終失效度，但不改變基體初始開裂載荷。制孔質量也對復合材料的機械連接性能具有重要影響。傳統的制孔方法使各向異性的復合材料在孔周產生大量應力。螺旋銑孔、振動輔助制孔、變工藝參數鉆削等新的制孔工藝方法可改進復合材料制孔質量[51]，從而提高連接性能。

Soykok[52]等分別測定玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料在不同溫度下(20,40,50,60,70,80 ℃)單剪雙螺栓連接的承載性能，試驗表明接頭失效載荷隨著溫度的升高而降低，但接頭破壞形式不隨溫度改變。

多緊固件連接問題也是研究者的關注內容之一。Karakuzu[53-55]研究了玻璃纖維增強樹脂串(并)聯雙釘連接、三銷釘連接失效方式與開孔位置的關系。趙美英[56]通過對單列多釘連接研究分析，發現承載載荷分配呈現“浴盆式”形狀，主要取決于緊固件個數以及被連接件剛度。謝永剛[57]基于試驗和模擬仿真兩種方法對復合材料多釘連接進行研究，結果表明0°鋪層有利于分配載荷的均勻化，并采用了接頭處局部增強的方式使擠壓性能提高了106.45%。Gray和McCarthy[58]通過建立的復合材料多栓連接模型，研究了干涉配合、摩擦、層合板二次彎曲和三次彎曲等因素對多螺栓連接性能的影響。

4 結 語

復合材料連接是輕量化核心技術之一，尤其是機械連接具有不可替代的優勢。試驗研究和有限元模擬是研究復合材料機械連接力學性能的主要途徑。現有的研究總結如下：

(1)美國材料試驗協會制定的ASTM D5961 M-13擠壓強度試驗標準對適用范圍、試驗原理、試驗操作、試驗結果處理、試驗報告和試驗的精密度以及試驗機及其校準、試樣幾何尺寸及失效方式、擠壓強度的測定、計算等都做了詳細的規定，具有適用范圍廣、分析全面的優點，是最常采用的復合材料擠壓響應測試標準。國內試驗標準GB/T 7559-2005和HB 7070-94試驗樣本設計、器材、分析方法等存在不合理性。ASTM系列和ISO系列試驗標準也是其他各領域研究者采用最多的標準，具有重要試驗參考價值。

(2)單向鋪層結構的復合材料機械連接影響因素研究已較為成熟，但三維結構復合材料仍存在許多研究空間。復合材料的有限元分析可通過失效準則改進、子程序開發等解決非線性問題，從而提高對復合材料損傷進程、強度、失效方式等的準確預測。

(3)膠/螺混合連接和多栓(釘)連接是復合材料工業應用的主要趨勢。

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