CFRP構件墊圈/襯套鉚接損傷及拉剪性能試驗研究

趙樂天,楊天智,黃祺,左楊杰

(四川大學 空天科學與工程學院,四川 成都 610092)

碳纖維增強復合材料(CFRP)具有比強度高、比剛度高、耐腐蝕、耐疲勞等優點,在航空航天領域被廣泛應用[1-2]。其中,復合材料連接結構是整體結構的薄弱部分,其性能優化設計是目前該領域的重要研究內容[3-5]。

在航空航天領域中,復合材料主要連接方式為膠接、螺接與鉚接[6-7]。膠接具有強度高、防腐性好等優點,但是膠接接頭脆性大、具有各向異性、抗沖擊性差[8]。螺接可靠性高、傳載大、可拆卸,但成本較高、質量較大[9]。雖然可以通過合理設計減少連接螺栓數量并降低螺接成本,例如優化栓孔間隙分布[10],但相對鉚接經濟成本依然較高。鉚接在飛機裝配上廣泛使用,具有成本低、可靠性高、工藝簡單等優點[11]。然而,復合材料鉚接過程中連接孔極易發生損傷,導致鉚接工藝在復合材料上應用受到限制,研究CFRP構件無損鉚接方法具有重要工程應用意義。

當前,大量學者對復合材料進行了鉚接研究。符平坡等[12]研究發現選取合理的鉚接工藝,能夠降低復合材料內部的鉚接損傷,并改善鉚接接頭性能。劉洋等[13]提出CFRP和鋁合金溫熱自沖鉚接工藝,能使CFRP表面無宏觀裂紋,同時減小分層損傷面積。牟偉強等[14]對無頭鉚釘的壓鉚力進行數學建模與仿真分析,為裝配過程中無頭鉚釘的壓鉚力選取建立了理論依據。拓宏亮等[15]研究發現對復合材料銷釘連接件采用三維非線性連續介質損傷模型能準確模擬接頭在擠壓載荷作用下損傷行為。此外,楊洲等[16]亦發現鉚出側增加墊圈能夠有效限制鐓頭附近釘桿不均勻膨脹,并分散孔周表面軸向力,降低鉚接損傷。然而,現有鉚接方法主要實現了鉚接損傷降低,完全避免鉚接損傷依然難以實現,無損鉚接方法及其相關連接性能優化有待進一步研究。

綜上,本文針對CFRP鉚接損傷問題,基于墊圈和襯套耦合損傷限制方法,開展CFRP墊圈/襯套鉚接損傷及拉剪性能試驗研究,為復合材料無損連接提供技術參考。

1 方法及試驗設計

1.1 鉚接試驗

本文涉及3種鉚接方法對比(見圖1a)),其中:凈鉚接直接在復合材料層板打孔,然后放入鉚釘實施壓鉚鉚接;襯套鉚接通過襯套限制鉚釘釘桿不均勻變形達到抑制鉚接損傷的目的,鉚接過程中先在復合材料層板打孔,然后在孔內放入高度和層板總厚度相同的襯套,再在襯套內放入鉚釘,最后實施壓鉚接;墊圈/襯套鉚接則通過墊圈和襯套同時限制釘桿不均勻膨脹,抑制鉚接損傷,其施鉚過程為層板打孔、放入襯套、襯套內放入鉚釘、鉚釘鐓頭端再放置墊圈,最后實施壓鉚接。

圖1 CFRP構件3種鉚接方法及試驗詳細

鉚接試驗的復合材料選用航空領域常用的T300/934碳纖維增強復合材料層板,鋪層序列為[0/90/-45/45]s,由厚度0.14 mm的單層鋪層鋪成,總厚度1.12 mm。鉚接試件與試驗過程如圖1b)所示,試件由雙層復合材料板疊加制成,單塊試件長90 mm,寬30 mm,每個試件等間距打3個鉚接孔,孔間距30 mm,孔邊距15 mm。選用鈦合金平頭鉚釘,鉚釘直徑4 mm,釘桿長度6 mm。襯套選用鈦合金襯套,外徑5 mm,內徑4 mm,高度2.24 mm。墊圈材料選用304不銹鋼,內徑4.05 mm,外徑8 mm,厚度1 mm。鉚接試驗分3組:第一組凈鉚接組,釘孔直徑4.1 mm,試件不帶墊圈與襯套直接進行鉚接;第二組襯套鉚接組,試驗釘孔直徑5.1 mm,放入襯套后對試件進行鉚接;第三組墊圈/襯套鉚接組,試驗釘孔直徑5.1 mm,將試件安裝放入墊圈與襯套后進行鉚接。為避免鉚接偶然性誤差,對每組試件均重復鉚接3次。鉚接完成后,沿試件寬度方向對稱解剖試件,并通過電子掃描顯微鏡觀察內部鉚接損傷特征。

1.2 拉伸剪切試驗

如圖2所示,拉伸剪切試件采用單釘單搭鉚接試件,CFRP層板與鉚接試驗中相同,單側試件長90 mm,寬30 mm,釘孔邊距和端距均為15 mm。拉伸剪切試驗亦分3組,與3組鉚接試驗對應。拉伸剪切試驗在電子萬能試驗機上進行,拉伸加載速度3 mm/min。為保證試驗的可靠性,每組參數重復進行3次拉伸剪切試驗。

圖2 CFRP鉚接構件拉伸剪切性能測試

1.3 拉脫試驗

拉脫試驗如圖3所示,試件采用單釘單搭接十字結構,單側試件長90 mm,寬30 mm,釘孔邊距15 mm。拉脫試驗同樣設計3組,與鉚接試驗對應。拉脫試驗在與拉伸試驗相同的電子萬能試驗機上進行,加載速率3 mm/min,每組參數重復進行3次拉脫試驗。

圖3 CFRP鉚接構件拉脫性能測試

2 結果與討論

2.1 鉚接質量

2.1.1 鉚接外形

鉚接后試件成型外形如圖4所示。凈鉚接試件在鐓頭處CFRP表面出現明顯擠壓損傷,其余試件鉚接后CFRP表面均無明顯可見損傷。凈鉚接和墊圈/襯套鉚接后鐓頭成型較規整,鐓頭成型一致性較好。然而,襯套鉚接過程中,可能由于襯套釘孔之間、鉚釘襯套孔之間的雙間隙存在,鉚接過程中容易發生鉚釘偏斜失穩,鐓頭成型質量較差。此外,由于襯套的存在,襯套鉚接試件的鐓頭與CFRP層板實際接觸面減小,導致鉚釘對層板厚度方向的約束強度降低。

圖4 CFRP鉚接試件外形特征

2.1.2 內部損傷

為了進一步了解各組鉚接試件鉚接損傷特征,解剖鉚接試件并利用電子掃描顯微鏡觀測獲得試件截面微觀形貌(如圖5所示)。凈鉚接過程中,鉚釘釘桿整體發生膨脹變形,與CFRP孔壁緊密干涉貼合,釘桿由釘頭向鐓頭逐漸變粗。釘桿不均勻膨脹造成嚴重的內部擠壓損傷,上層CFRP板孔周被擠壓損傷最嚴重,形成明顯的擠壓損傷帶,損傷帶內出現纖維斷裂、纖維屈曲、基體擠壓變形、基體裂紋等典型損傷模式,損傷帶邊緣發生分層現象。襯套鉚接中,鉚釘釘桿同樣發生整體膨脹變粗,并與襯套內壁形成干涉擠壓,迫使襯套脹大,襯套外壁進一步擠壓CFRP孔壁形成干涉配合。同樣,由于釘桿在鐓頭端膨脹大,釘頭端膨脹小,進而導致襯套在鐓頭端亦膨脹更明顯。鐓頭襯套的較大膨脹導致CFRP鐓頭附近孔壁鋪層被嚴重擠壓,進而在鐓頭孔口附近發生局部基體擠壓變形、纖維擠壓斷裂和鋪層分層。其中,分層發生在距離孔壁較遠的區域,可以推測,鉚接過程中襯套過度膨脹先引起孔口鋪層分層,隨后再進一步引起鋪層更嚴重的擠壓破壞。墊圈/襯套鉚接過程中,由于墊圈和襯套的雙重限制,釘孔內釘桿膨脹量被明顯限制,釘桿與襯套內壁還存在局部間隙,CFRP孔壁僅在鐓頭附近首層鋪層發生局部輕微擠壓損傷。

圖5 CFRP鉚接試件典型截面微觀損傷

2.2 拉伸剪切性能

2.2.1 拉伸力-位移響應

3組鉚接試件拉伸力-位移曲線如圖6所示。凈鉚接試件和墊圈/襯套鉚接試件力-位移曲線形狀相似,均呈現出明顯的線性階段、漸進階段和失效破壞階段特征。其中,線性增長階段試件處于彈性變形且未發生損傷。達到峰值載荷后,試件進入漸進損傷階段,CFRP層板連接孔發生損傷并進一步積累,力-位移響應表現出波浪狀。最終,鉚接構件損傷程度達到臨界值,承載能力嚴重下降,進入失效破壞階段,力隨位移增加快速下降。襯套鉚接拉伸失效過程僅包含線性增長階段和失效破壞階段。拉伸過程中隨著拉伸載荷的增加,鉚接試件發生二次彎矩程度加深,鉚接接頭沿釘桿方向的分力(即拉脫力)上升。但由于襯套減少了鉚釘鐓頭與層板孔壁的接觸面積,鉚釘對層板沿鉚釘軸向約束效應較弱,最終鉚釘拉脫失效先于CFRP孔壁失效發生。從拉伸峰值來看,由于初始失效為CFRP層板剪切失效,凈鉚接和墊圈/襯套鉚接峰值載荷主要由CFRP層板強度決定,其均值較接近,均在2 000 N左右。由于鐓頭主要限制作用在襯套上,容易出現板件與鉚釘發生翹曲滑脫,襯套鉚接峰值載荷均值最低,僅為849 N。

圖6 CFRP鉚接試件拉伸力-位移曲線

2.2.2 拉伸剪失效模式

在拉伸剪切試驗中,3組鉚接試件失效模式如圖7所示。凈鉚接試件和墊圈/襯套鉚接試件最終失效模式相似,試件先發生局部擠壓損傷,損傷進一步積累形成初始剪切失效,最終失效模式為鉚釘拉脫失效。同時,CFRP 上層板和下層板鉚接孔均發生明顯變形,在釘孔擠壓側層板均出現明顯的撕裂損傷與分層損傷,形成剪切失效破壞區。鉚釘發生彎曲變形,墊圈發生明顯上翹變形,證明墊圈參與拉伸剪切過程二次彎矩約束。襯套鉚接試件最終失效模式也為鉚釘拉脫失效,但與另外2種試件不同的是,僅上層CFRP板的外側發生了輕微的撕裂損傷,釘頭處基本完好無損。

圖7 CFRP拉伸試件典型最終失效模式

2.3 拉脫性能

2.3.1 拉脫力-位移響應

3組拉脫鉚接試驗力-位移曲線如圖8所示。凈鉚接和墊圈/襯套鉚接拉脫力-位移曲線亦形狀相似,曲線均呈現出明顯的線性增長階段、漸進損傷階段和失效破壞階段特征,而襯套鉚接拉脫力-位移曲線形狀僅呈現線性增長階段和失效破壞階段特征。其中,線性增長階段也對應試件彈性變形,漸進損傷階段對應CFRP漸進損傷積累過程,失效破壞階段對應CFRP層板斷裂或鉚釘拉脫。值得注意的是,CFRP沿層板厚度方向斷裂過程短于沿長度方向機擠壓破壞過程,導致拉脫漸進失效過程明顯短于拉伸剪切漸進失效過程。此外,凈鉚接拉脫試件最大載荷均值為603和528 N,襯套鉚接由于襯套減弱了鐓頭抗拉脫性能,最大載荷均值依然最低,僅為218 N。

圖8 CFRP鉚接試件拉脫力-位移響應

2.3.2 拉脫失效模式

拉脫試驗中,3組鉚接試件失效模式如圖9所示。凈鉚接試件和墊圈/襯套鉚接試件失效模式相似,下層板彎折失效,鉚釘釘頭周圍出現明顯斷裂區域,層板表面分層,層板內部鋪層分層、基體開裂。襯套鉚接試件最終失效模式為鉚釘拉脫失效,CFRP基本沒有損傷,襯套鉚接需要進一步優化參數匹配保證抗拉脫性能。

圖9 CFRP拉脫試件典型最終失效模式

3 結 論

1) CFRP凈鉚接釘桿膨脹不均勻,造成嚴重的內部擠壓損傷,上層CFRP板孔周形成明顯的擠壓損傷帶,損傷帶內出現纖維斷裂、纖維屈曲、基體擠壓變形、基體裂紋等多種損傷模式;襯套鉚接釘桿膨脹不均勻亦導致襯套鐓頭附近過度脹大,CFRP鐓頭附近孔壁鋪層被嚴重擠壓,進而在鐓頭孔口附近發生局部多種損傷模式;墊圈/襯套鉚接產生墊圈和襯套雙重限制作用,釘桿膨脹量被明顯限制,僅在鐓頭附近首層鋪層發生局部輕微擠壓損傷。

2) 凈鉚接試件和墊圈/襯套鉚接試件拉剪力-位移曲線形狀相似,均呈現出明顯的線性增長階段、漸進失效階段和失效破壞階段特征,最大拉剪峰值載荷接近;但襯套鉚接試件由于襯套減小了鐓頭與層板有效接觸面積,拉剪力-位移響應曲線均線性增加后即進入失效破壞階段,拉剪峰值載荷最低。

3) 凈鉚接試件和墊圈/襯套鉚接試件拉伸失效以CFRP剪切和鉚釘拉脫耦合失效模式主導,墊圈參與二次彎矩承載并發生明顯的翹曲變形,而拉脫試件以層板變形折斷為最終失效模式,層板內部發生明顯鋪層分層和基體開裂;然而,襯套鉚接試件鐓頭對層板沿鉚釘釘桿方向有效約束強度較弱,拉伸剪切過程的二次彎矩引起的拉脫載荷和拉脫過程中的拉脫力直接導致鉚釘拉脫,試件拉剪最終失效模式均為鉚釘拉脫失效。