螺栓连接CFRP在低温环境下的力学性能.pdf

-63-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 8 期航空航天复合材料不仅具有密度低、刚性高、强度高、尺寸稳定、耐腐蚀性好、电磁屏蔽性强等优势，还具有轻量化和低成本作用，大大减少了油耗和排放，被广泛应用于军事及民用工业的各个领域，在航空航天领域中所做出的贡献尤为突出。碳 纤 维 复 合 材 料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，简称 CFRP）作为复合材料在航空航天领域应用中最常用的一种材料，使用场景多样化。在航天领域中，CFRP 主要应用于结构部件、耐环境防护系统及运载载荷支架系统等。在航空领域中，CFRP 应用于现代飞机制造的各种承力部件，例如飞机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼、蒙皮等。复合材料连接结构主要采用机械连接、胶接和焊接等连接方式，因机械连接具有。成本低、简单、便于拆装检修及其对恶劣环境的耐受性等优点被广泛应用在飞机装配与连接中，而螺栓连接作为飞机构件中机械连接最常用的一种连接方式应用更为常见。飞机在空中飞行时会受到各种极端环境的影响，进而影响飞机设计的可靠性，而设计飞机承力结构构件的静强度是飞机强度的第一步，不仅要考虑 CFRP 层合板的铺层顺序、钉孔间隙、连接形式、有无垫片等因素，还要考虑温度因素。因此，研究 CFRP 层合板螺栓连接接头的力学性能和失效特性具有实践意义。复合材料螺栓连接接头的研究在科学文献和航空标准中都得到了广泛的关注。唐义号通过对飞机构件拉伸与疲劳力学性能的研究，探究了制作层合板的厚度、制孔尺寸的大小对连接孔接头的连接性能，优化参数设计以增强飞机构件连接安全。张运来研究了不同类型的钉头对层合板挤压强度的影响，并使用有限元软件建立试验的三维模型，试验和有限元结果均发现，构件连接位置的钉选择埋头钉，其连接强度要比凸头钉减小 15%。王东等人研究了多螺栓连接层合板-100、25、150环境下的结构承载能力，通过试验得到，相比 25环境，150和-100两种环境下结构的破坏载荷分别降低 4.46%和 2.06%。XUE 等人研究了不同工作温度（-20、20和 60）对 GFRP 螺栓连接接头力学性能的影响，采用离散元法（DEM）预测螺栓连接在高温和低温下的力学性能和失效模式，试验结果和 DEM预测结果基本吻合。HE 等人研究了改性环氧树脂在 77K 下的拉伸强度和冲击强度等力学性能，研究表明降低实验环境温度，基体的杨氏模量和拉伸强度都有所增加，在低温下松弛被完全阻止，导致刚度增加。Johnny 等人引入新的贴片型加固螺栓连接的方法，通过静态和疲劳试验结果表明，与未加固的螺栓连接比较，在静态和疲劳载荷条件下采用这种行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度螺栓连接 CFRP 在低温环境下的力学性能王小康 李晓东王小康 李晓东沈阳航空航天大学 航空宇航学院王小康，硕士研究生，主要研究方向：飞机装配与连接技术。中国科技信息 2024 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-64-航空航天新的连接方法均取得了显著的改善。通过以上分析，许多作者对复合材料螺栓连接接头失效性能的连接形式、紧固件类型及几何参数研究较多。虽然其中一些学者考虑到了环境因素，但是螺栓连接 CFRP 层合板低温环境与力结合的相关研究较少。本文通过对螺栓连接CFRP 层合板进行静态拉伸试验，改变螺栓预紧力矩和环境温度两个变量，探究该层合板的失效载荷和失效行为，本文内容和结果可为未来飞机结构研制的连接强度方面做部分参考。试验部分试件制作试验选择的材料为碳纤维 T300 单向带预浸料，与预浸料有关的参数见表 1。将预先裁好的预浸料按照设计要求进行层叠排列，铺层顺序为0/905s。制备样件采用热压罐成型工艺，成型压力为 0.5MPa，并在 120条件下保温 90 分钟，制作完成的碳纤维复合材料层合板实际厚度为2.6mm。试件的尺寸参考 ASTM D5961 试验标准，使用水切割将层合板裁成 42mm145mm 的标准件，按照 CFRP单搭螺栓连接的方式对标准件进行钻孔制成试件，钻孔机器使用 9525L 型钻铣床，本试验利用 PCD 刀具钻削碳纤维复合材料层合板，工艺参数为主轴转速 6 000r/min，进给速度25mm/min，试件尺寸及连接方式如图 1 所示。为防止试件夹持偏心和试验二次弯曲发生，在试件的夹持端使用 302 胶水粘接相等大小的垫板及试件两边均加入等厚的镀锌垫片。表 1 碳纤维复合材料基本力学性能材料型号纤维体积分数（vf/%）泊松比（v）弹性模量（E1/GPa）硬度（HR）密度（g/m3）USN 15000600.3181901.6试验方法为充分研究不同环境温度下螺栓预紧力矩对试验的影响，设计试验方案如表 2 所示。通过对螺栓连接 CFRP 层合板试件进行 25、-30和-50环境下不同预紧力矩的静态拉伸试验，参考 ASTM D3039-14 标准执行试验操作。试验设备采用万能拉伸试验机，如图 2 所示。试验结束后，对 CFRP 层合板进行超声波 C 扫描损伤分析，如图 3 所示。CFRP 层合板试件静态拉伸试验方法：将试件固定在万能拉伸试验机夹具上，25、-30和-50环境下静态拉伸加载速度均为 2mm/min，加载至层合板失效即停止试验，相同条件下的试验需重复三次。在进行-30和-50环境下拉伸试验前，对低温环境试验箱进行密封性检查，试件先在设定温度环境中进行降温处理，降温时间为 2 小时以上。最后，取 3 次试验数图 1 CFRP 单搭螺栓连接设计图据的平均值作为该组试件的试验结果。表 2 试验内容试件编号环境温度预紧力矩ETS-XX251.5Nm-303.0Nm-504.5Nm注：E 表示试验环境，E 为 A 表示 25常温环境，E 为 B 表示-30低温环境，E 为 C 表示-50低温环境；T 表示预紧力矩大小，用数字表示，数字的大小即表示预紧力矩的多少；S 表示接头进行静载拉伸试验；XX 表示试件编号顺序，从 01 开始。例如：A3S-01 表示常温 25环境下对螺栓施加 3Nm 预紧力矩，进行螺栓连接静态拉伸强度试验的第一个试件。结果与分析不同环境温度下不同预紧力矩的静态拉伸试验在 25、-30和-50环境下对试件进行静态拉伸试验，表 3、表 4 和表 5 为试件拉伸破坏的有关数据总结。图 4、图 5 和图 6 为试验中与平均极限载荷相近试件的载荷-位移曲线图。试验数据发现，在同一预紧力矩条件中，通过比较不同环境温度的静态拉伸试验结果，得到-50环境下的螺栓连接 CFRP 层合板的极限承载能力最大。螺栓的预紧力矩一定时，随着环境温度降低，由于螺栓的膨胀性大于 CFRP 层合板的膨胀性，螺栓连接 CFRP 层合板的预紧力矩会增大，提高了两个层合板之间的压紧程度，进而阻止螺栓孔的挤压变形。在同一温度环境条件中，通过比较不同预紧力矩的静态拉伸曲线，得到增加预紧力矩可以提高层合板的拉伸强度。因为增加预紧力矩能够增大 CFRP 层合板之间的最大静摩擦力，还能有效抑制孔的挤压变形和损伤图 2 万能拉伸试验机图 3 超声波 C 扫描设备-65-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 8 期航空航天发展，从而提高层合板接头处的承载能力。若螺栓预紧力矩过大，层合板的应力过于集中，导致层合板在受力集中的区域，层合板的局部应力超过了材料的承载能力，这可能导致层合板表面或内部产生裂纹、剥离等损伤破坏。这些损伤可能在未受到拉伸载荷之前就出现，严重影响了层合板的完整性和性能。这些损伤可能导致层合板的强度和刚度下降，增加了结构的变形和破坏的风险。在相同条件中比较试验的破坏位移值大小可得，随着温度的降低，试验破坏位移在减小。低温环境中增大预紧力矩，试验破坏位移略有较小。通过比较 25、-30和-50环境下载荷-位移曲线图可得，25环境下整个静态拉伸曲线变化较为平缓、光滑且波动小。而温度越低，曲线下降的速度越快，波动越大。分析原因是CFRP 层合板的热胀冷缩率很低，在 25环境中 CFRP 层合板发生平缓的渐进损伤，在-30和-50环境中，层合板的柔韧性增加了其抗拉能力，而低温环境增加了其脆性断裂，导致曲线呈现为锯齿状。常温与低温环境下试件损伤破坏分析表 6 为试验结束后，螺栓连接 CFRP 层合板试件的破表 3 25环境下静态拉伸破坏试验结果试件编号破坏载荷（kN）破坏位移（mm）破坏强度（MPa）平均破坏载荷（kN）平均破坏位移（mm）平均破坏强度（MPa）A1.5S-0111.3929.312625.93411.2869.273620.11A1.5S-0211.2819.156619.835A1.5S-0311.1859.243614.56A3.0S-0111.8989.6653.73611.8959.624653.589A3.0S-0211.9859.42658.516A3.0S-0311.8039.851648.516A4.5S-0112.3859.886680.49512.569.809690.092A4.5S-0212.5729.742690.769A4.5S-0312.7229.8699.011表 4-30环境下静态拉伸破坏试验结果试件编号破坏载荷（kN）破坏位移（mm）破坏强度（MPa）平均破坏载荷（kN）平均破坏位移（mm）平均破坏强度（MPa）B1.5S-0112.0637.871662.80212.2248.046671.667B1.5S-0212.3848.06680.44B1.5S-0312.2268.207671.758B3.0S-0113.0387.068716.37413.0196.924717.015B3.0S-0212.8646.944706.319B3.0S-0313.1566.761728.352B4.5S-0113.9026.9763.84613.8846.762762.839B4.5S-0214.0526.749772.088B4.5S-0313.6976.636752.582表 5-50环境静态拉伸破坏试验结果试件编号破坏载荷（kN）破坏位移（mm）破坏强度（MPa）平均破坏载荷（kN）平均破坏位移（mm）平均破坏强度（MPa）C1.5S-0114.6496.939804.8914.6486.942805.187C1.5S-0214.5347.081798.571C1.5S-0314.7626.806811.099C3.0S-0115.6515.643859.94515.6375.572859.194C3.0S-0215.7055.497862.912C3.0S-0315.5565.577854.725C4.5S-0116.7295.237919.17616.6675.318915.751C4.5S-0216.6785.325916.374C4.5S-0316.5935.392911.703坏照片和超声波 C 扫描的损伤图像。从表 6 可知，试件的破坏模式基本上都是挤压破坏，符合 ASTM D5961 试验标准的试验要求。分析不同试件的破坏照片和损伤图像可得，增加螺栓的预紧力矩或者降低环境温度，层合板表面和内部的基体破碎和分层现象均有所减弱，表明在一定范围内增加螺栓预紧力矩或者降低环境温度可以缓解螺栓孔的局部开裂。随着试件被逐渐拉伸至破坏，C 扫描图像显示螺栓孔周围的内部树脂向孔拉伸方向的两侧进行挤压累积，该区域的层合板树脂量增加，C 扫描穿透率越高，超过 80%时呈现为红色和紫色。其中橙色、红色和紫色区域表示层合板没有损伤，蓝色区域表示层合板有些许损伤，绿色区域表示层合板有较大的损伤。结语通过螺栓连接 CFRP 层合板在不同预紧力矩和不同环境温度条件下的静态拉伸试验，对试件的静态拉伸性能和螺栓孔损伤破坏形式进行总结，得到如下结论。（1）环境温度相同时，适当地增加螺栓预紧力矩，可中国科技信息 2024 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-66-航空航天以减缓螺栓孔周围的基体树脂碎裂和局部分层现象，进而提高螺栓连接 CFRP 层合板的连接强度。（2）螺栓预紧力矩相同时，随着环境温度的降低，螺栓连接 CFRP 层合板的连接强度增加。螺栓连接CFRP层合板的连接中施加过大的预紧力矩，随着飞机高空飞行环境温度降低，螺栓预紧力矩会逐渐增加，导致连接位置产生应力集中，将加剧层合板损伤破坏，进而降低 CFRP 层合板连接强度。因此在飞机承力结构设计时，要考虑低温环境对飞机结构连接强度的影响，以确保设计的层合板安全性和稳定性都有提高。表 6 静态拉伸试验层合板破坏照片和损伤图像试验组编号层合板破坏照片C 扫描损伤图像A1.5SA3.0SA4.5SB1.5SB3.0SB4.5SC1.5SC3.0SC4.5S注：超声波 C 扫描损伤图像中 20%100%表示的是能量幅值。图 4 25环境下载荷-位移曲线图 5-30环境下载荷-位移曲线图 6-50环境下载荷-位移曲线