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螺栓连接力和温度耦合力学性能研究：.螺栓连接力和温度耦合力学性能研究王伟龙（空装驻沈阳地区第一军事代表室，沈阳）摘要：本文对碳纤维复合材料（）螺栓连接在不同温度环境（常温、低温），不同连接方式（单钉双剪连接、双钉并排双剪连接），不同拧紧力矩（、）三个变量条件下的复合材料螺栓连接试件进行静载拉伸实验，探究力、温度及连接方式对螺栓连接构件的静载拉伸性能的影响。结果表明：其他实验条件相同时，双钉连接方式的试件抗拉伸强度明显提升；适当增加拧紧力矩可以有效提高螺栓连接强度；低温环境下试件抗拉伸强度略有提升。关键词：；螺栓连接；拧紧力矩；低温环境；拉伸强度中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，（）（，），（，）（），；：；收稿日期：作者简介：王伟龙（），男，学士，主要研究方向为数字化制造，.。引 言近年来，复合材料性能不断进步，碳纤维复合材料凭借自身比强度高、抗疲劳性能优异的优势，被广泛应用于航空航天事业中。飞机结构件连接常常采用螺栓连接，螺栓连接结构的静强度可以保证飞机飞行时能够承受安全范围内的静力加载。针对高空飞行环境下的复合材料螺栓结构往往还要考虑低温因素，以便为连接安全性能提供保障。因此，探究复合材料螺栓连接接口力学性能的影响及损伤问题具有重要意义。近年来，有关复合材料钉孔连接问题已有国内外许多研究者分别采用解析法、数值法和实验法进行了研究。唐义号通过典型结构件的静拉伸和疲劳试验研究了复合材料层压板接头板厚度变化以及接头处螺孔的设计对层压板连接性能的影响，并优化得出了某飞机复合材料层压板接头强度设计参数。陈昆等分别通过实验和数值仿真模拟的方法研究了干涉配合以及螺栓预紧力对复合材料机械连接强度的影响。其结论对复合材料机械连接结构优化有一定指导意义。等研究了螺栓连接处极限应力和比强度在不同螺栓直径、螺栓孔间隙和预紧力等接头参数下的变化情况，研究发现：连接强度会随着端距与孔径比值的增加而增大；若螺栓未事先施加预紧力，连接处的极限应力会降低。等提出层合板接头处破坏模式存在一定规律，并通过后续实验进行了验证。通过实验验证了拧紧力矩与层合板接头静强度的关系：为提高螺栓连接处的强度，可适当增加拧紧力矩，然而 年 月复合材料科学与工程一旦超过一个阈值，螺栓连接强度会显著下降。等对碳 环氧树脂复合材料接头进行了疲劳测试。实验结果表明：单搭接和双搭接接头的抗疲劳特性最好，单排螺接接头抗疲劳特性最差；复合材料接头的疲劳特性依赖于螺栓的个数。等通过疲劳试验发现，拧紧力矩对接头处的分层损伤有一定的延缓作用，施加一定的拧紧力矩有利于提高螺栓连接疲劳寿命。等通过试验研究发现，螺栓连接预紧力发生松弛的影响因素之一是紧固元件的作用。因此想要通过改变紧固件的预紧力来达到去除较大装配间隙的目的，结构内部会产生较大的装配应力，使力学性能降低，同时也会使复合材料结构内部出现裂纹扩展、分层等损伤。国外许多研究学者对纤维增强复合材料低温力学性能开展了研究工作。等对高温超导部件的环氧类聚合物在常温和液氮温度下的拉伸、压缩以及弯曲性能进行了大量实验测试，并对实验结果进行了微观图像分析、评估、探讨，从而得到了复合材料的性能与温度的关系。其实验结果表明，将测试环境从室温逐步提高到 ，材料的刚度和强度得到提高，并且不同温度条件下的断裂面表现出的失效机理具有不同性。等通过实验研究发现，与拉伸相似，树脂在 下的分子行为也反映在压缩性能上，随着温度的降低，树脂的压缩模量和强度增加，破坏应变减小。等通过实验发现随着温度的降低，基体的杨氏模量和拉伸强度有增加的趋势，其原因是聚合物链迁移率降低，这会增加分子间的结合力，也就是材料的强度，此外，根据时间温度叠加原理，温度越低，应力松弛时间越长。在低温下，松弛可以被完全阻止，导致刚度增加。等研究了三维编织复合材料在室温和低温下的三点弯曲性能测试，其结果表明在液氮温度下的弯曲性能相比于室温下有显著的提高。等研究了编织玻璃纤维复合材料在不同温度下的型、型分层断裂行为，实验采用 点弯曲实验分别进行了室温、液氮（）和液氦（）温度下的对比试验，并分析了断裂韧性对温度的依赖程度。通过对断裂面进行微观扫描确立了 的低温失效机理。等研究了由多壁碳纳米管改性的玻璃织物环氧树脂基复合材料在液氮温度下的机械性能，并且在此基础之上进行了低温下的静态拉伸和交变载荷的拉伸疲劳实验，对构件的失效机理进行了微观表征。对比观察了两种铺层的聚丙烯复合材料管（和）在低温（）和室温下的拉伸和三点弯曲性能，实验结果表明聚丙烯复合材料层合板在低温下有较好的延展性。综上所述，复合材料螺栓连接结构在飞机制造方面的应用愈加广泛，当飞机飞行作业时由于高度及纬度因素，飞机外表面机体温度会骤然降低，而目前对复合材料螺栓连接与温度耦合鲜有研究。本文首先对机用 螺栓连接结构进行极限静载拉伸实验，通过改变螺栓连接结构的连接方式、螺栓接头拧紧力矩、温度三个变量，对复合材料螺栓连接结构的极限承载力进行了探究；然后通过实验数据结果及试件损伤破坏现象分析了 复合材料螺栓连接结构损伤形式；最后总结分析了力和温度耦合条件对 复合材料螺栓结构强度的影响机理。实验部分.试件制备实验中对型号为 的 碳纤维 环氧树脂基预浸料（中国威海光威）进行手工铺层，具体参数如表 所示。铺层方式为，完成铺层后在.、条件下通过热压罐固化得到 层合板，铺层示意图如图 所示。表 碳纤维复合材料力学性能 碳纤维复合材料密度（）弹性模量 抗拉强度 硬度比强度 图 材料铺层示意图.将固化后的层合板按图 中尺寸进行裁剪，然后按照单钉和双钉两种螺栓连接方式分别进行打孔处理，孔位置及尺寸如图 所示。最后，将处理好的层合板用 强度.级合金钢内六角螺栓分别进行单钉双剪和并排双钉双剪连接，如图 所示。年第 期 螺栓连接力和温度耦合力学性能研究图 试件尺寸图.图 试件连接示意图.对实验试件进行分类编号来加以区分，编号形式为。其中：表示实验环境条件，为常温环境，为低温环境；表示拧紧力矩，使用数字来表示拧紧力矩的大小；表示接头的连接方式，当 为 时表示单钉连接，当 为 时表示双钉连接；表示试件编号顺序，从 开始。.实验设备与测试方法本文需要分别对 螺栓连接试件进行常温、低温静载拉伸，实验主要设备为低温万能拉伸试验机，如图 所示，夹持方式为单层板端在上，双剪端在下。依据国标 规定进行拉伸实验。其中常温静载实验加载速度为 ，螺栓连接接头处失效实验即停止，实验数据实时传输到 端。在进行低温静载拉伸实验前先将试件进行低温箱密封处理，温度设定为，静置 后再开始静载拉伸实验，实验步骤与常温静载拉伸方式相同。图 实验设备示意图.结果与分析.常温、低温下不同连接方式螺栓连接静载拉伸实验在常温和低温条件下分别对试件进行静载拉伸实验，对试件缓慢匀速施加位移荷载，直至试件破坏失效。试件受拉伸破坏的破坏载荷与破坏位移数据如表、表 所示。表 常温静载拉伸破坏实验结果 试件编号破坏载荷 破坏位移 破坏强度 平均破坏载荷 平均破坏位移 平均破坏强度 表 低温静载拉伸破坏实验结果 试件编号破坏载荷 破坏位移 破坏强度 平均破坏载荷 平均破坏位移 平均破坏强度 拧紧力矩条件下，不同螺栓连接方式（单钉双剪、双钉并排双剪）的常、低温实验数据平均结果如图 所示。在静载拉伸实验加载前期，随着施加位移载荷的增加，试件位移不断增大，二者基本呈正相关关系。实验开始时，试件拉伸载荷强度变化不大，随着静载拉伸载荷的持续增加，载荷位移曲线上开始连续出现多个不规则的拐点，直至试件破坏。数据表明：在同一温度条件下，双钉连接试件的平均最大破坏载荷大于单钉连接试件的平均最大破坏载荷，其中常温下提升约，低温下提升约；在同一连接方式下，低温条件下试件的平均最大破坏载荷略大于常温试件的平均最大破坏载荷，可以 年 月复合材料科学与工程承受更大的载荷，连接强度更高。比较常温与低温环境下损伤位移大小可以发现，同等拧紧力矩条件下，低温试件损伤破坏位移均略小于常温损伤破坏位移，并且双钉双剪螺栓连接试件损伤破坏位移小于单钉双剪螺栓连接损伤破坏位移。因常温环境下，层合板纤维、树脂渐进损伤变化较为平和，而在低温环境下，受低温条件影响，材料内部分子间运动速度降低，材料内部热应力相对减小，可能导致纤维、树脂结合更加紧密，使材料呈现硬脆性，抗拉能力变强。（）常温载荷位移曲线（）（）常温平均最大破坏载荷（）（）低温载荷位移曲线（）（）低温平均最大破坏载荷（）图 常温、低温不同连接方式分析结果图.单钉和双钉连接试件螺孔处表面均出现竖向裂纹，裂纹迅速向底部边缘扩展，试件损伤破坏如图 所示。试件的破坏模式为以挤压破坏为主，存在部分挤压剪切破坏，破坏沿树脂裂纹扩展，同时层合板有分层现象产生。伴随着试件的拉伸失效，可以从损伤试件中观测到部分 铺层纤维断裂脱离试件，铺层仅沿螺栓位移方向发生损伤，铺层纤维一定程度上在螺栓连接中起到了抗拉作用。比较试件发生破坏的位移距离，双钉连接破坏位移小于单钉连接破坏位移。（）常温 单钉（），（）常温 双钉（），年第 期 螺栓连接力和温度耦合力学性能研究（）低温 单钉（），（）低温 双钉（），图 常温、低温不同连接方式损伤图.常温、低温下不同拧紧力矩螺栓连接静载拉伸实验使用预置式可调扭力扳手对复合材料螺栓连接孔位置进行拧紧力矩紧固，拧紧力矩值分别为 、，锁定，然后安装螺栓。常、低温下受静载拉伸破坏的试件破坏载荷与位移结果如表、表 所示。表 常温不同拧紧力矩静载拉伸实验结果 试件编号破坏载荷 破坏位移 破坏强度 平均破坏载荷 平均破坏位移 平均破坏强度 表 低温不同拧紧力矩静载拉伸实验结果 试件编号破坏载荷 破坏位移 破坏强度 平均破坏载荷 平均破坏位移 平均破坏强度 图 为最接近实验平均破坏位移载荷的试件分析结果图。数据表明，在同一温度条件下，适当增加螺栓拧紧力矩可以有效提高试件拉伸破坏载荷。随着拧紧力矩的增大，复合材料层合板板料之间的压紧力也相应增大，螺栓拧紧力矩在被拉伸的过程中限制了受挤压孔的扩张，从而加剧了层合板的应力集中，并且拧紧力矩限制并延缓了螺栓连接孔处的局部开裂和层合板板料分层。但是拧紧力矩不应过大，以避免板料在未承受拉伸载荷前就产生内部损伤影响其力学性能。在同一拧紧力矩下，低温条件下试件的平均最大破坏载荷略大于常温试件的平均最大破坏载荷。通过比较常温与低温环境下螺栓连接试件的损伤破坏位移大小可以发现，同等条件下低温破坏位移均略小于常温破坏位移，且随着预紧力的增大，破坏位移也相应增大。（）常温载荷位移曲线（）年 月复合材料科学与工程（）常温平均最大破坏载荷（）（）低温载荷位移曲线（）（）低温平均最大破坏载荷（）图 常温、低温不同拧紧力矩不同连接方式结果图.图 为试件损伤破坏图。随着螺栓接头拧紧力矩的增大，试件的破坏模式基本全部为挤压破坏。通过观察分析不同损伤试件可知，无论单钉连接还是双钉连接，随着拧紧力矩的增加，试件破坏处层合板分层现象均明显降低，说明合理地增加拧紧力矩可以有效抑制双剪 螺栓连接件破坏部位分层现象的发生。（）常温 单钉（），（）常温 双钉（），（）低温 单钉（），（）低温 双钉（），（）常温 单钉（），年第 期 螺栓连接力和温度耦合力学性能研究（）常温 双钉（），（）低温 单钉（），（）低温 双钉（），图 常温、低温不同连接方式不同拧紧力试件损伤图.微观形貌分析从图 中可以看出，低温环境下树脂与纤维的结合程度比常温条件下更紧密且纤维上粘黏的树脂含量更多。从断裂面切口处 图中可以看出，试件损伤破坏方式均为树脂断裂并伴随着 方向纤维的断裂，方向纤维保存程度较为完好。常温断裂时，方向断裂纤维只存在于该铺层面内，而低温条件下 铺层方向上也存有 方向断裂纤维，分析其原因为低温条件与常温相比，层合板相邻层间结合程度更强，导致 方向铺层面内出现大量方向纤维断裂碎片。（）常温层合板（）（）低温层合板（）（）常温断裂面（）（）低温断裂面（）图 不同温度试件损伤 图.年 月复合材料科学与工程 结 论本文针对 层合板双剪螺栓连接开展了不同连接方式、不同拧紧力矩以及不同温度条件下的静拉伸强度实验，进而对试件的拉伸性能以及螺栓连接损伤破坏形式进行了细致的分析总结。通过实验现象和实验结果的分析可得到如下结论：（）无论是单钉双剪连接还是双钉双剪连接的破坏过程，均符合复合材料层合板连接接头的渐进损伤理论。（）在连接方式与拧紧力矩条件相同时，低温环境较常温环境下 螺栓连接结构的强度更高。（）螺栓连接试件中螺栓的个数对接头的连接性能有重要影响，与单钉双剪连接件相比，双钉双剪连接件连接性能可以有效提升 以上。（）适当增加螺栓拧紧力矩可以延缓螺栓连接孔处的局部开裂和层合板板料分层，从而有效提高螺栓连接强度。参考文献 谢鸣九 复合材料连接 上海：上海交通大学出版社，唐义号 飞机典型复合材料结构损伤力学性能研究 哈尔滨：哈尔滨工程大学，陈昆，刘龙权，汪海 干涉和螺栓预紧力对复合材料连接强度的影响 第十七届全国复合材料学术会议 北京：，：，：，：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，：，：，：，：，（）：，：，（）：，（）：罗健，石建军，贾彬，等 低温暴露对碳纤维 环氧树脂复合材料拉伸力学性能的影响 复合材料学报，（）：年第 期