复合材料层合板螺栓连接强度实验研究

王晓侠 方 超 张 亮 张 成 岳永威

1海军装备部驻上海地区军事代表局，上海 201913

2哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

3哈尔滨工程大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

复合材料层合板螺栓连接强度实验研究

王晓侠1方 超2张 亮3张 成3岳永威2

1海军装备部驻上海地区军事代表局，上海 201913

2哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

3哈尔滨工程大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

通过对不同预紧力下舰船复合材料层合板单剪连接和双剪连接两种结构形式的静拉伸强度实验，考核了复合材料层板螺栓连接处的强度特性。实验结果表明：双剪连接结构强度随着预紧力的增大而增大。而在单剪连接结构中，一定范围内的预紧力可以增加连接结构的强度，过大的预紧力会使其连接强度减小。通过对以上实验现象的分析，认为预紧力对板的侧向约束限制并延缓了局部开裂和分层是预紧力增加螺栓连接结构强度的主要原因。

复合材料层合板；螺栓连接；单剪连接；预紧力；强度

1 引言

复合材料由于具有比刚度、比强度高，抗腐蚀性好，铺层可设计性等优点被广泛应用于航空、航天、造船、建筑等领域中。复合材料应用时由于工艺水平的限制和使用维修等方面的需要大多数采用螺栓连接，螺栓连接区域是复合材料层合板结构的薄弱区域。实际应用表明，在飞机的各种故障中，75%～80%的破坏发生在机体结构的零件连接部位上［1－4］，此外，大型地面雷达罩和舰船雷达罩因连接处强度不足而破坏的例子屡见不鲜。因此，开展复合材料层合板螺栓连接的强度研究对复合材料层合板的工程应用具有重要意义。

由于对减轻重量的要求不高，舰船上采用的复合材料层合板一般较厚，且通常采用单剪连接，和航空领域复合材料层合板的应用差异较大。航空领域中，一些学者对复合材料薄板的双剪连接开展了大量的研究工作，而对厚板单剪连接的研究极为罕见。预紧力是复合材料螺栓连接的重要参量，国内外已有一些学者研究了预紧力对螺栓连接强度的影响，然而，由于复合材料层合板力学性能的复杂性，已发表的文献数据差异较大。此外，由于实验费用高昂，可得到的复合材料接头实验的数据依然较少。本文开展了不同预紧力下复合材料层合板单剪连接和双剪连接两种结构形式的静拉伸强度实验，重点研究了单剪连接和双剪连接力学性能的差别及预紧力对连接强度的影响，为复合材料的工程应用提供参考。

2 实验概况

本静拉伸强度实验的试件材料为玻璃布／环氧树脂，材料参数为 E1＝12 GPa、E2＝10 GPa、E3＝6.6 GPa、 n12＝ 0.14、 ν13＝ 0.25、 ν23＝ 0.25、 G12＝ 2.5 GPa、G13＝ 1.5 GPa、G23＝1.5 GPa。 其中，标号 1 代表纵向、标号2代表横向、标号3代表法向。试件具体尺寸如图1所示，其中板厚H取为10 mm，开孔直径D取为21 mm，为消除复合材料层合板端距和边距对强度的影响，取试件端距E／D＝2.5、边距 W／D＝ 2.5。

实验在美国Instron公司生产的Fast Track8800电液伺服实验机上进行，试件与实验机采用夹具连接，为研究复合材料层合板单剪连接和双剪连接力学性能的差别，本文共设计了2种夹持方式，如图2所示。图2a中的夹持方式用于模拟双剪连接，此时螺栓较大的预紧力作用在压板上，压板和复合材料试件的接触面积较大，使复合材料的应力集中相对较小；图2b中的夹持方式用于模拟单剪连接，压板和试件之间加入垫片后，由于垫片和试件接触面积较小，螺栓较大的预紧力就通过垫片直接传递到复合材料试件上，产生较大的应力集中，和单剪连接的受力特性相似。实验根据国家标准GB1447进行，拉伸速率取为2 mm／min。

2 实验结果及讨论

针对单剪和双剪两种连接形式分别开展了0 N·m、100 N·m、200 N·m 3 种拧紧力矩的静拉伸强度实验，实验中每种工况均进行2次实验，采用AC型扭力扳手施加拧紧力矩，0 N·m拧紧力矩采用手动拧紧。

2.1 载荷位移曲线

图3所示为各工况下试件的载荷位移曲线，从图3a和图3b可以看出，在试件的初始拉伸阶段，试件位移逐渐增大而载荷却没有明显增加，这主要是由于试件的拧紧力矩为0 N·m，且试件和螺栓为间隙配合，此时实验机的拉伸主要使螺栓和试件孔壁逐渐接触，因此载荷没有明显增加。从图3c～图3f可以看出，试件载荷在拉伸的初始阶段就迅速增大，然后载荷稳定而位移逐渐增大，这主要是由于此4种工况承受较大的拧紧力矩，试件和压板之间产生的摩擦力较大，试件拉伸之初需克服此摩擦力，因此载荷突然增大而试件并没有相对滑动，待载荷增大到超过试件摩擦力时，试件产生滑动，使螺栓和试件孔壁逐渐接触，此过程中试件的载荷约等于稳定的摩擦力，仅位移发生较大变化。200 N·m拧紧力矩比100 N·m拧紧力矩工况的初始载荷大，这是因为较大的预紧力会产生较大的摩擦力，导致拉伸载荷较大。从图3可以看出，待螺栓和试件孔壁完全接触后，载荷基本随位移线性增加，在增加的过程中，伴随着多次载荷的微小突降，且载荷每次突降时均可听到 “啪啪”的基体开裂声，但此时没有影响试件的整体强度，载荷微小突降后继续随位移线性增加。随着试件的继续拉伸，可频繁听到“啪啪”的响声，此后载荷迅速下降，由于试件的端距和边距较大，试件仍有一定的承载能力，但承载较原试件有较大降低，可视为试件已经破坏。

2.2 破坏强度及破坏位移

各工况下试件的破坏强度和破坏位移的平均

值如表1所示，表中破坏强度σp的定义为：式中，Pmax为破坏载荷；D为孔径；H为试件板厚。破坏强度和破坏位移随预紧力的变化曲线分别如图4、图5所示。

表1 试件破坏强度及破坏位移Tab.1 Failure strength and displacement of experimental parts

由表1和图4、图5可知，在0 N·m和100 N·m拧紧力矩下，单剪连接试件和双剪连接试件的破坏强度及破坏位移差别较小，而拧紧力矩为200 N·m时，单剪连接试件的破坏强度和破坏位移比双剪连接试件均有较大幅度下降，这主要是由于单剪连接时较大的预紧力直接作用于复合材料层合板上，使复合材料层合板产生较大的压应力，此处的压应力接近材料的压缩强度，使复合材料层合板出现了基体开裂现象，产生了初始损伤，此外，这种较大的压应力加剧了拉伸时的应力集中，进而使破坏载荷和破坏位移下降明显。由实验结果可知，在单剪连接结构中，一定范围内的预紧力可以增加连接结构的强度，而过大的预紧力会使其连接强度减小，因此当复合材料层合板采用单剪连接结构时，要慎重选择所施加的拧紧力矩，施加的拧紧力矩所产生的应力值以不超过工程设计中的许用应力为宜。

从图4、图5还可以看出，双剪连接时，试件的破坏强度和破坏位移均随着预紧力的增大而增大，但200 N·m拧紧力矩试件比100 N·m拧紧力矩试件的增加值较小，说明拧紧力矩增大到一定程度后则对螺栓连接结构的静拉伸强度影响不大。国内外已有不少学者对预紧力能提高螺栓连接强度做出了解释，认为预紧力使结构连接处应力集中趋于缓和。此外，预紧力对板的侧向约束限制并延缓了局部开裂和分层［5－8］。笔者认为后者是预紧力提高结构连接强度的主要因素，从图3可知，有拧紧力矩试件第1次基体开裂对应的载荷明显大于无拧紧力矩试件的载荷，且其破坏位移也较无拧紧力矩的试件大，因此，有理由认为预紧力对局部开裂和分层的抑制使破坏位移增大，进而提高了连接结构的强度。与此相反，试件在高预紧力下，压板与复合材料层合板较大的接触面积使预紧力对结构的应力集中趋于缓和，预紧力仅在结构被拉伸的过程中限制受挤压孔的扩张，这种限制作用会使孔壁处的受力特别复杂，甚至可能会导致应力集中的加剧，下文将采用数值方法具体研究预紧力对复合材料层合板螺栓连接结构应力集中的影响。

2.3 复合材料层合板螺栓连接结构的仿真计算

本文采用ANSYS软件模拟复合材料层合板螺栓连接结构［9－11］，其计算模型为实验中的双剪连接模型。为精确模拟实验中层合板在拉力作用下的响应，本文采用了实体建模技术，有限元模型中忽略了螺纹对螺栓的削弱作用，用光滑圆柱代替螺栓。建模中采用SOLID45单元模拟复合材料层合板，采用PRETS179单元模拟螺栓的预紧力，螺栓与试件孔壁之间、试件和压板之间、压板和螺母之间采用接触单元TARGE170和CONTA174模拟，接触对间的摩擦系数取为0.15。螺栓连接的有限元模型如图6所示。

通过计算可得不同预紧力下复合材料层合板的应力云图如图7所示，层合板最大应力随预紧力的变化曲线如图8所示。从图7、图8可以看出，在拉力作用下，无预紧作用的复合材料层合板孔边应力的影响范围比有预紧作用的层合板大，而复合材料层合板最大应力却随预紧力的增大而增大。由此可知，预紧力在结构被拉伸的过程中限制了受挤压孔的扩张，这种限制作用加剧了层合板的应力集中，这也进一步证明预紧力有限制并延缓局部开裂和分层的作用，是提高螺栓连接强度的主要因素。

3 结 论

本文开展了不同预紧力下复合材料层合板单剪连接和双剪连接两种结构形式的静拉伸强度实验，详细分析了实验的载荷位移曲线，通过对实验现象和实验结果的分析可得到的结论及建议如下：

1）载荷基本随位移线性增加，在增加的过程中，伴随着多次基体开裂导致的载荷突降，但基体开裂不会影响试件的整体强度，载荷微小突降后继续随位移线性增加。

2）双剪连接结构强度随着预紧力的增大而增大，而在单剪连接结构中，一定范围内的预紧力可以增加连接结构的强度，过大的预紧力会使其连接强度减小，因此，当复合材料层合板采用单剪连接结构时，建议采用中等拧紧力矩。

3）预紧力在结构被拉伸的过程中限制了受挤压孔的扩张，这种限制作用加剧了层合板的应力集中，而没有使应力集中趋于缓和，因此，预紧力限制并延缓了局部开裂和分层是提高螺栓连接强度的主要因素。

［1］杨乃宾，章怡宁.复合材料飞机结构设计［M］.北京：航空工业出版社，2002.

［2］复合材料结构设计手册 ［M］.北京：航空工业出版社，2001.

［3］史坚忠，黄维杨.复合材料承力接头设计的相关理论与应用概述［J］.洪都科技，1999（1）：1－7.

［4］LAWLOR V P，MCCARTHY M A，STANLEY W F.An experiment study of bolt—hole clearance effects in double—lap multi－bolt composite joints［J］.Composite Structures，2005，71（2）：176-190.

［5］IREMAN T.On damage development in mechanically fastened composite laminates［J］.Composite Structures，2000，49：151－171.

［6］MCCARTHY M A，MCCARTHY C T，PADHI G S.A simple method for determining the effect of bolt一hole clearance on load distribution in single—colum multi—composite joints ［J］.Composite Structures，2006，73（1）：78－87.

［7］EKH J，SCHN J.Effect of secondary bending on strength prediction of composite，single shear lap joints ［J］.Composites Science and Technology：2005，65：953－965.

［8］崔海涛，温卫东.CFRP双剪单钉连接接头强度分析［J］.宇航材料工艺，2004（4）：44－47.

［9］姜云鹏，岳珠峰.复合材料层合板螺栓连接失效的数值模拟［J］.复合材料学报，2005，22（4）：177－182.

［10］汪清.C／Sic复合材料连接接头应力与破坏形式数值分析［D］.西安：西北工业大学，2005.

［11］ MCCARTHY C T，MCCARTHY M A.Three－dimensional finite element analysis of single－bolt，single －lap composite bolted joints：Part 11 －effects of bolt－hole clearance ［J］.Composite Structures，2005，71：159－175.

An Experimental Study on Bolts Connection Strength of Composite Laminated Boards

Wang Xiao－xia1 Fang Chao2Zhang Liang3 Zhang Cheng3Yue Yong－wei2
1 Military Representative Office in Shanghai District，Naval Armament Department， Shanghai 201913，China
2 College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University， Harbin 150001，China
3 College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

In this paper，the static tensile－strength experiments of warship composite boards were done in both single and double shear connection forms under different pre－tightening forces，in which the connection strength characters of composite boards were assessed.The results indicate that the connection strength of double shear structure increases with the addition of pre－tightening force， while in single shear structure， it may be increased by a given range of pre－tightening force， but excessive level of pretightening force will reduce the connection strength.Through the analysis based on the experiment phenomena， the conclusions are drawn that added connection strength of bolt due to pre－tightening forces increasing is mainly attributed to the boards lateral restrain reduced by pre－tightening force limits and delay of local dehiscence and stratification.

composite board； bolt connection； single shear connection； pre－tightening force； strength

U661.72

A

1673－3185（2011）03－88－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.03.019

2010-07-26

海军武器装备预先研究项目（401030101）；国防科技合作项目（2007DFR80340）；船舶科技预研基金（07J1.1.6）

王晓侠（1962－），男，高级工程师。研究方向：船舶总体与系统。

方 超（1984－），男，硕士研究生。研究方向：舰船总体与系统。E-mail：fangchaoboy＠163.com