复合材料层板沉头连接钉载分配影响因素研究

孙永波，董艇舰，刘　昕，潘亚东

（中国民航大学工程技术训练中心，天津　300300）

复合材料层板沉头连接钉载分配影响因素研究

孙永波，董艇舰，刘昕，潘亚东

（中国民航大学工程技术训练中心，天津300300）

通过ABAQUS软件建立了多钉沉头螺栓连接三维有限元模型，对复合材料层合板与金属板多钉连接结构进行拉伸性能分析，计算了沉头连接的钉载分配情况，并就钉孔间隙、螺栓扭矩、沉头比等因素对钉载分配的影响进行分析。结果表明：与凸头连接相比，多钉沉头连接对钉载分配有一定的改善作用；钉孔间隙和螺栓刚度对钉载分配影响显著，螺栓扭矩和金属板刚度对钉载分配有一定的影响，但并不明显；摩擦和沉头比对钉载分配的影响可以忽略不计。

复合材料层合板；连接结构；沉头螺栓；载荷分配；拉伸

复合材料结构沉头螺栓连接不仅可以保持飞行器结构表面的气动外形，而且由于钉头斜面的压紧作用可改善多钉载荷分配的不均匀性、减少边缘螺钉（或螺栓）载荷过大的现象，提高了结构的连接效率［1］。

本文是在复合材料层合板单钉沉头螺栓连接结构拉伸性能研究基础上建立沉头多钉连接结构模型［2］，研究沉头连接对凸头连接结构钉载分配不均性的改善，并就钉孔间隙、螺栓扭矩、沉头比等因素对钉载分配的影响进行分析，旨在为复合材料沉头多钉连接结构设计提供一定的技术基础。

到目前为止，国内外对于复合材料层板螺栓连接性能的研究主要是单钉沉头连接［3-7］和凸头连接的力学性能［8-13］，而沉头多钉连接钉载分配的研究报道还没有已发表文章，只有少量研究疲劳性能的工作。

B Benchekchou等［14］发现在复合材料结构沉头螺栓应力对初始弯曲疲劳损伤的影响中，沉头螺栓连接比圆头螺栓连接更易发生弯曲疲劳损伤，沉头螺栓承受的剪应力和正应力相对更高，导致初始分层和剪切裂纹的出现。Roman Starikov等［15］在复合材料沉头螺栓连接金属与复合材料接头抗疲劳性的研究中发现，钛合金紧固件相比复合材料紧固件有更好的抗疲劳特性，复合材料螺栓抗剪切疲劳载荷性能较差。螺栓刚度对钉载分配不均性影响明显，螺栓刚度越大，承担的载荷越大，越容易发生疲劳破坏。随后，Roman Starikov等［16］在复合材料沉头螺栓连接金属与复合材料接头准静态强度研究中发现，钛合金紧固件相比复合材料紧固件有更高的准静态强度。在剪力作用下，复合材料接头的机械强度较低。拉伸实验测试显示钛合金紧固件有更高的抗压缩强度，减轻了孔边的应力集中。

1　研究与方法

1.1层合板多钉沉头连接结构建模

研究选用T300/QY8911层合板，铺层顺序为［45/ 0/-45/90］4s，板厚4 mm，宽36 mm，长150 mm。螺栓分别采用锥角90°的M6标准沉头螺栓和M6标准凸头螺栓，材料均采用ML30CrMnSiA，模量为220 GPa，泊松比为0.33。金属板选用钢板，模量为200 GPa，泊松比为0.33，板厚18 mm，宽36 mm，长150 mm［2］。沉头连接局部结构如图1所示，T300/QY8911层合板材料性能如表1所示。

图1　沉头连接结构局部剖视图Fig.1　Cutaway view of countersunk joint structure

表1　T300/QY8911层合板材料性能Tab.1　T300/QY8911 laminated material property

某复合材料层合板沉头螺栓连接单搭接有限元建模如图2所示。在高应力产生区，如复合材料层合板螺栓孔周围，选用协调模式下的全积分线性单元C3D8I为单元类型，而在其他非应力集中区选用C3D8R单元类型［6］。

图2　复合材料层合板沉头螺栓连接三维有限元模型Fig.2　Finite element model of composite countersunk joint

1.2铺层失效判据与性能衰减准则

采用Hashin分类损伤判据［17］，判断复合材料层板在螺栓挤压载荷作用下各单元铺层是否发生了基体开裂、纤维断裂或纤维-基体剪切破坏等形式的损伤。对于已经损伤的单元铺层，同时采用Camanho和Matthews［18-20］提出的性能衰减准则进行材料性能衰减。依然使用黄文俊等［2］在复合材料层合板单钉沉头螺栓连接结构拉伸性能研究中验证的T300/QY8911层板材料性能衰减准则，如表2所示。

表2　材料性能衰减准则Tab.2　Material property degradation criterion

2　计算结果与分析

2.1钉载分配对比分析

凸头连接和沉头连接形式下层合板应变云图如图3和图4所示。

图3　沉头螺栓连接层合板应变云图Fig.3　Strain nephogram of countersunk joint

图4　凸头螺栓连接层合板应变云图Fig.4　Strain nephogram of protruding-head joint

由图3和图4的应变云图可以看出，靠近载荷端的层合板孔应变较大，说明相应螺栓承担较大的载荷。同时可推测出沉头连接结构螺栓1承担的载荷比凸头连接结构螺栓1的载荷小。

通过ABAQUS计算和数据分析可以得到两种连接方式下的钉载分配情况。如图5所示，计算所选截面单元的应力，得到各个截面应力与时间数据，相邻截面应力差值就是螺栓承受的应力。进而得到钉载分配，如表3所示。

图5　层合板各截面应力Fig.5　Section stress of laminate

表3　不同螺栓连接下螺栓载荷分配Tab.3　Load distribution on different bolt joints

通过表3可以得到两种连接形式下的钉载分配折线图，如图6所示。

图6　两种螺栓连接形式钉载分配折线图Fig.6　Line chart of load distribution on different joints

由图6可看出螺栓1承受的载荷分配最大，这是由于螺栓1最先与层合板和金属板发生接触因而承受较大载荷。沉头螺栓连接相比凸头螺栓连接对钉载分配不均性有一定的改善作用，大约可减少6%的边缘载荷。同时增加了螺栓2和螺栓3的载荷分配，提高了承载效率。

2.2钉载分配影响因素分析

由于复合材料自身的脆性和力学性能的各向异性，以及没有屈服区等特点，使得沉头螺栓连接钉载分配受到钉孔间隙（CL）、螺栓扭矩（BT）、沉头比（HT）、螺栓刚度、金属板刚度、接触面摩擦（f）等因素的影响。

2.2.1钉孔间隙

受装配误差和生产工艺等因素的影响，钉孔间隙的存在会使该钉承载时间滞后，最终所承受到的载荷也变小，对钉载分配的影响显著。不同钉孔间隙下的沉头连接钉载分配如表4所示。

表4　不同间隙下的沉头连接螺栓载荷分配Tab.4　Load distribution of bolt joint under different gaps

由表4可看出，在3个孔初始间隙相同的前提下，即使改变间隙值的大小，其钉载分配与无间隙情况相比并没有明显改变。这是因为不论初始间隙有多大，3个钉孔基本上都是同时发生接触，所以对钉载分配的比例不会有明显区别。因此需考虑在各螺栓初始间隙不同的前提下钉载分配的情况，如图7所示。

图7　不同初始钉孔间隙下钉载分配折线图Fig.7　Line chart of load distribution with different clearances

不同初始间隙下，钉载分配严重不均，间隙小的先发生接触，承担较大的载荷。因此在实际工程中，对加工工艺、装配精度等都有较高的要求，采用过盈配合的方式会改善钉载分配的不均性，提高承载能力和传递效率［21-22］。

2.2.2螺栓扭矩

在实际结构装配中，会对螺栓施加预紧力，而预紧力会转变成螺栓扭矩，提高预紧力会引起剪切应力的显著增加，对极限应力影响很小。不同螺栓扭矩下钉载分配折线如图8所示。

从载荷分配折线图可看出，增加螺栓扭矩可改善钉载分配，这是因为增加了预紧力，增加了接触面的摩擦力，提高了承载能力。但是，螺栓扭矩增高，对钉载分配的影响很小，同时螺栓扭矩不能过大，否则会使螺栓发生剪切破坏。

2.2.3螺栓沉头比

螺栓沉头比HT即沉头深度H与层合板厚度T的比值。不同沉头比下的钉载分配折线如图9所示。

由图9可看出沉头比对钉载分配的影响非常小。随着沉头比的增加，沉头部分增大，连接承载部分减少，所以承载能力降低，在沉头螺栓连接结构设计中，应尽量选择沉头比较小的沉头连接，保持结构承载能力的稳定性。

图8　不同螺栓扭矩下钉载分配折线图Fig.8　Line chart of load distribution with different BTs

图9　不同沉头比下的钉载分配折线图Fig.9　Line chart of load distribution with different HTs

2.2.4螺栓刚度

螺栓刚度对钉载分配存在影响，螺栓刚度越大，承载能力越大，因此选用不同的螺栓刚度可以改善钉载分配的不均性。不同螺栓刚度组合下钉载分配折线如图10所示。

图10　不同螺栓刚度组合下的钉载分配折线图Fig.10　Line chart of load distribution with different bolt stiffnesses

由折线1和折线2可看出，减小螺栓刚度，钉载分配不均性即变得明显，并且从梯级递减模式变为澡盆式。从折线3～5可看出不同螺栓刚度组合可以使得钉载分配变得更加均匀，而且对于承载较大的螺栓应选择刚度较小的铝，这是因为刚度小，载荷作用下塑性变形大，易将载荷传递到其他螺栓上。对比折线3～5可以看出折线4的载荷分配更加均匀。因此工程设计中，在满足强度和刚度要求的前提下，选用恰当的螺栓刚度组合，可显著改善载荷分配的不均性。

2.2.5连接金属板刚度

金属板刚度对钉载分配存在一定影响，这是因为金属板刚度的不同会改变螺栓约束的条件。图11是不同金属板刚度下的钉载分配折线图。

图11　不同金属板刚度下的钉载分配折线图Fig.11　Line chart of load distribution with different metal plate stiffnesses

从折线图可以看出，随着金属板刚度的减少，钉载分配的方式由梯级递减变为澡盆式，同时钉载分配不均性得到改善，铝板的钉载分配相对最好。可见在复合材料连接中，复合材料板与金属板的刚度相差不多时，钉载分配更为均匀。因此在结构设计中，在满足强度刚度要求前提下，选择金属板刚度与复合材料强度相近的配合，传载效率更高。

2.2.6接触面摩擦

复合材料层合板和金属板之间的摩擦可以参与承载，对于提高结构承载能力具有一定的作用，但摩擦的存在对钉载分配的影响却少有研究。因此研究摩擦对钉载分配的影响具有一定的工程意义。不同库伦摩擦系数下的钉载分配折线如图12所示。

从折线图可以看出，摩擦的存在对钉载分配不均性有一定的改善作用，但并不明显。这是因为摩擦力参与了承载，同时摩擦系数增加，对钉载分配并没有大的改变。总体来看，摩擦对于钉载分配的影响很小，可以忽略不计。

图12　不同摩擦系数下的钉载分配折线图Fig.12　Line chart of load distribution with different fs

3　结语

从复合材料层合板沉头多钉连接有限元模拟分析中可得出以下结论。

1）由于钉头的压紧作用可以改善沉头螺栓连接的钉载分配不均性，减少边缘载荷过大，提高了承载效率。

2）钉孔间隙和螺栓刚度的不同组合对钉载分配的不均性影响最大。采用过盈配合和匹配恰当的螺栓刚度，可改善钉载分配不均性。

3）螺栓弯矩增加了接触之间的挤压力，增大了摩擦，对钉载分配有一定的改善，但并不明显。摩擦的存在使得摩擦力参与承载，但摩擦力的增加没有改变钉载分配，因此摩擦的影响可以忽略不计。

4）金属板刚度的不同会改变钉载分配的方式，金属板刚度与层合板刚度相差越大，钉载分配不均性越明显。选择更匹配的金属板刚度，会获得较均匀的钉载分配。

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（责任编辑：黄月）

Study on pin load distribution of multi-countersunk bolt composite laminate joints

SUN Yongbo，DONG Tingjian，LIU Xin，PAN Yadong
（Engineering Techniques Training Center，CAUC，Tianjin 300300，China）

A 3D finite element model of multi-countersunk bolt joint is established with ABAQUS.The tensile performance of multi-bolt joint of composite laminate with metal plate is analyzed，the pin load distributions are calculated，and the effect of factors such as pin clearance，bolt torsion moment，height ratio on the load distributions are analyzed.Results show that countersunk bolts can improve load distributions slightly compared with protrudinghead bolt for composite laminate joints.The pin clearance and bolt stiffness have great effect on load distributions，while the bolt torsion moment and metal plate stiffness have slightly effect，and the effect of friction and height ratio can be ignored.

composite laminate；joint；countersunk bolt；load distribution；tension

V214.8

A

1674-5590（2016）03-0057-05

2015-06-01；

2015-09-01基金项目：中央高校基本科研业务费专项（3122015C007）

孙永波（1985—），男，山东日照人，助教，硕士。研究方向为飞机复合材料连接结构分析与修理技术.