纤维增强复合材料螺栓连接性能试验研究

邢立峰，曹安港，毕凤阳，刘长喜，王晓宏

(1. 中国船舶重工集团公司第七〇三研究所，黑龙江 哈尔滨 150078；2. 黑龙江工程学院 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

0 引 言

碳纤维增强树脂基复合材料（简称复合材料）以其比强度、比刚度大和整体可设计好的优点，以往在航空领域应用广泛，近年在船舶等领域应用范围也日益扩大[1–4]。复合材料具有传统金属材料无法比拟的优良综合性能，对提高舰船隐身性能方面更有诸多优点。复合材料的吸波透波性、绝缘隔热隔音性、阻尼减振性以及无磁性等固有特性为提高舰艇的雷达隐身、红外隐身、声隐身和磁隐身等创造了极有利的条件，因而是设计和建造中小型隐身舰艇最有潜力的结构/隐身材料[2]。日本已经建成大型玻璃钢扫雷舰“江之岛”号。在舰船上使用的复合材料结构以曲面板壁板和支撑梁居多，虽然可通过将构件整体成型使零件总数量减少和总重量减轻，提高了经济性能。但零部件的连接仍然必不可少，并且其连接性能对结构的可靠性也起到至关重要的作用。本文通过实验研究了复合材料的螺栓连接性能，通过试验分析了复合材料板开孔、复合材料预埋衬套、复合材料加钢板夹层3种结构的螺栓连接性能，以期为舰船用复材连接结构设计提供一定参考和帮助。

相对于复合材料胶结连接，螺栓连接用于传递较高载荷或需要强调可靠性高的部位，多用于主承力构件的连接。机械链接的优点主要表现在：便于质量检测，安全可靠；能传递大载荷，抗剥离性能好；受环境因素影响较小；连接中无残余应力；能够拆卸后再装配，便于修补；加工简单等[5]。复合材料构件螺栓连接结构的形式主要有开孔螺栓连接、孔内预埋金属套筒件螺栓连接、层间预埋环形金属件螺栓连接3种形式。复合材料机械连接破坏模式有层合板的拉伸破坏、剪切破坏、劈裂破坏、挤压破坏以及紧固件的破坏，如图1所示。

图 1 复合材料机械连接基本破坏模式Fig. 1 Composite material mechanical connection basic failure mode

1 试验材料及试验过程

为了对比分析不同连接方案结构的性能，针对上述3种连接方案，设计了3种试验：即无预埋件的螺栓连接层合板双剪切试验、螺栓孔内预埋钢制套筒件的螺栓连接层合板双剪切试验和层合板内预埋钢板的螺栓连接层合板双剪切试验。试验中所涉及到的主要材料有复合材料层合板、预埋套筒、预埋钢板和连接螺栓，其材料性能如下：

1）复合材料层合板，材料体系为T700/5228，所制T700/5228单向板经测试力学性能见表1；

2）预埋件材料力学性能见表2。

3种试验的试件示意图如图2所示。

3种试验方案中，无预埋件的螺栓连接层合板双剪切试件按照ASTM D-5961标准规定尺寸进行设计[6]。试验中所涉及的层合板试件以及钢制预埋件的形状及尺寸如图3所示，试验孔边缘距离试件外边缘孔边距都设计为3倍（18 mm）。

表 1 T700S/环氧5228复合材料单向板力学性能Tab. 1 T700S/5228 composites unidirectional plate mechanical properties

表 2 金属预埋件及螺栓的材料及力学性能Tab. 2 Materials and mechanical properties of metal embedded parts and bolts

图 2 不同连接方案试验件的示意图Fig. 2 Schematic diagram of different connection scheme test pieces

图 3 试件形状尺寸及开孔位置Fig. 3 Specimen shape size and opening position

3种试件的开孔位置一致，但套筒预埋件试件为放入套筒使开孔直径增大。3种试件的铺层形式一致，为保证3种试件总体尺寸一致，预埋钢板件的层合板试件中层合板的厚度为1 mm，3种试件尺寸及铺层见表3。

表 3 三种不同连接形式螺栓连接层合板试件尺寸Tab. 3 Three different connection forms of bolted connection laminates for specimen size

2 试验结果

1）无预埋件复合材料板试件及其破坏形式见图4；

2）带套筒预埋件复合材料板试件及其破坏形式见图5；

3）钢板预埋件复合材料板试件及其破坏形式见图6。

复合材料板连接形式及试验结果如表4所示。

图 4 无预埋件螺栓连接层合板双剪切试验试件的损伤模式Fig. 4 Damage patterns of double shear test Specimens with non -buried bolt connection laminated plates

图 5 螺栓孔内预埋钢制套筒件的螺栓连接层合板双剪切试件的损伤模式Fig. 5 Damage patterns of double - shear specimens in bolted joints of embedded steel sleeves in bolt hole

图 6 层合板内预埋钢板件的螺栓连接层合板双剪切试件的损伤模式Fig. 6 Damage mode of double shear specimen of laminated plates with laminated plates in laminated plates

表 4 不同连接形式层合板双剪切试验结果对比Tab. 4 Comparison of double shear test results of different connection mode

3 结 语

上述试验结果表明：

1）开孔螺栓连接、孔内预埋金属套筒件螺栓连接、层间预埋环形金属件螺栓连接3种不同形式连接的失效模式都是挤压破坏，表明采用3倍孔边距对复合材料层合板螺栓连接能够获得该试件最大承载力，在设计复合材料打孔螺栓连接时应保证打孔的位置和制件边缘距离至少在3倍孔径以上。

2）带有预埋件的连接结构的承载能力较强，尤其是钢板预埋件的连接结构，其承载能力约为其他2种连接形式的3倍。同时选择韧性好的钢板预埋，可提高复合材料连接的抗脆性破坏能力，如果不考虑重量因素是一种连接强度和可靠性高的复合材料层合板螺栓连接方式，在关键连接位置应用可靠性更高。

[1]钱江, 李楠, 史文强. 复合材料在国外海军舰船上层建筑上的应用与发展[J]. 舰船科学与技术, 2015, 37(1): 233–237.

[2]李江, 涛罗凯, 曹明法. 复合材料及其在舰船中应用的最新进展[J]. 船舶, 2013, 24(1): 10–16.

[3]杜善义. 先进复合材料与航空航天[J]. 复合材料学报, 2007,24(1): 1–12.

[4]杨乃宾. 新一代大飞机复合材料结构[J]. 航空学报, 2008,29(3): 596–604.

[5]谢鸣九. 复合材料连接[M]. 上海. 上海交通大学出版社,2011年.

[6]Standard Test Method for Bearing Response of Polymer Matrix Composite Laminate[S]. ASTM D-5961.