层合板多螺钉单剪连接钉载分配的试验研究

李鹏，周晚林，邵金涛，朱苏伟，李蓓

(1. 南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016； 2. 南京林业大学 经济管理学院，江苏 南京 210037)

0 引言

多螺钉单剪连接已广泛应用于飞机的复材结构中。研究表明：由于复材层合板在失效之前呈现明显的线弹性行为，没有明显的塑性区，因此多钉螺栓连接在初始载荷时钉载的分配呈现严重不均匀性。钉载分配是预测多钉连接强度和复材结构整体失效的关键所在。目前，确定复材多钉连接钉载比例的方法主要有：解析模型预测法(如经典刚度法[1-2]和弹簧质量法[3-4])、有限元分析方法[5-8]和试验测定法等[9-14]，其中试验测定法由于试验结果的可靠性强，在实际结构分析中得到广泛应用。

试验测定法一般采用压力传感器[10-11]测量钉-孔的接触压力，使用带传感器螺栓直接测量钉载，采用表面应变计测量旁路载荷[9,12-13]，其中，带传感器的螺栓[14]测量结果准确，但特制螺栓价格昂贵且不利于推广。应变计法精确性比带传感器的螺栓测量法稍低，但可以满足工程精度要求。本文采用文献[12]中修正次弯曲及摩擦力影响的测量方法，对多钉单剪连接进行试验测试，结果较为准确。

鉴于复材连接结构在设计时只有挤压失效是被允许的[2]，为避免多钉连接中某一钉出现较高的承载比例而导致灾难性失效，应尽可能确保多钉连接结构钉载分配的均匀化。为此必须研究影响钉载分配的因素以及程度。影响复合材料多钉连接载荷分配的主要因素有：钉孔直径、钉孔排距、拧紧力矩、钉孔间隙、材料非线性等[3,13-19]。考虑到航空装配中的空间和减重，应使得螺栓孔间隙和拧紧力矩的影响相对容易实现且效果较为明显[3]，但需要注意的是：飞机装配中要求钉孔间隙不超过钉孔直径的1%[20-21]；对不同直径的螺栓拧紧力矩还有严格的推荐值[2]。目前，钉载分配影响因素中，钉孔间隙的研究较多[12-14]，但是对拧紧力矩、夹紧面积，特别是较为准确的试验研究较少。在此前提下，本文采用试验测量分析钉孔间隙、拧紧力矩、夹紧面积对多钉单剪连接钉载分配的影响。

1 钉载分配测试试验

1.1 试验件参数

本试验采用T700/FRD-YG-40S碳纤维增强环氧树脂基复合材料层压板，其力学性能如表1所示，铺层顺序为[45/-45/0/45/90/-45/0/45/0/-45/90/45/0]s，对称铺层，共26层，单层名义厚度0.14 mm，总厚度3.64 mm。试验测试紧固件采用TC4抗剪切型钛合金凸头螺栓，螺栓杆部名义直径为8 mm，螺栓基本力学性能如表1所示。

表 1 材料属性

单钉单剪螺栓连接试验件尺寸见图1(a)；局部(胶层)尺寸见图1(b)；三钉单剪螺栓连接试验件尺寸见图1(c)。其中，图1(c)指示了本文试验使用的螺栓编号，后文分别用1#、 2#、3#表示。孔名义直径8 mm，板宽度W、边缘间距e、螺栓孔间距p与螺栓直径D的比值分别为W/D=6、e/D=3、p/D=4.5，直径与厚度之比为D/t=2.20。试验件尺寸参考ASTM[22-24]标准和文献[12]、文献[14]进行设计。

1.2 试验过程

单钉单剪螺栓连接拉伸试验在SANS CMT5205/5305微机控制万能力学拉伸机(最大拉伸载荷100 kN)上进行，加载速率设置为1 mm/min。拧紧力矩则通过高精度扭力扳手施加。

载荷分配的测量试验采用文献[12]的测量方法，在天辰WES-100B万能力学拉伸试验机上完成(最大拉力100 kN)。每一种类型的试件均进行5组试验。采用KD7016静态应变测量仪测量BFH120-3AA应变片在各定载下的应变值，间接测量三钉单剪螺栓连接钉载分配比例。复材层合板力学性能受温度影响，实验室温度控制在(22±4)℃[25-26]。参数设置见表2。

表 2 三钉单剪螺栓连接钉载分配测试参数配置

对单钉单剪连接进行单向拉伸试验，得到：Dw=16mm(垫片外直径)，P=15kN的极限摩擦力，见表3。由于试验条件有限，5N·m以下数据误差可能较大。

图1 连接接头图(图中尺寸单位为mm)

表 3 试验测量极限摩擦力

2 测量结果分析

试验测量的复材层合板三钉单剪螺栓连接钉载分配比例结果见图2。

从图2可以看出：钉载分配非常不均匀。其中，未经过次弯曲修正的结果规律不符合理论分析。通过应变修正次弯曲影响后的结果：图2(a)中1#钉和3#钉钉载比例明显高于2#钉；图2(b)中1#钉、3#钉的钉载比例较高且远高于2#钉；在5 kN载荷时，由于拧紧力矩和2#钉-孔间隙，导致2#钉尚未完全与钉孔接触，2#钉载比例异常得小。次弯曲修正后的钉载分配结果与文献[3]理论计算以及文献[14]测量得到的规律吻合。

3 载荷分配影响因素

3.1 影响载荷分配因素分析

通过单钉单剪螺栓连接进行拉伸试验，测试不同间隙、拧紧力矩、夹紧面积下的载荷位移曲线。其中：80μm孔间隙，10N·m拧紧力矩，不同夹紧面积(垫片外直径：Dw)条件下得到的载荷-位移曲线如图3所示。

图2 三钉单剪载荷分配测量结果

图3中的结果表明：1)单剪螺栓连接螺栓承载和3个因素直接相关：接头等效刚度、极限摩擦力、钉-孔之间的间隙；2)增大夹紧面积在保持摩擦力对螺栓承载影响的同时减缓孔周围等效接触刚度的强化。

根据已有的研究：高拧紧力矩会导致螺栓抗剪切性能下降。过高的拧紧力矩容易产生灾难性失效—螺栓剪切失效，如图4所示。故本研究选择最大拧紧力矩为10N·m[2]。

为研究钉-孔间隙、拧紧力矩、夹紧面积等对三钉单剪连接载荷分配更具体的影响规律，本研究分别设置不同参数，进行定载荷拉伸试验测量钉载分配，见表4。研究采用单一变量(例：间隙研究中，拧紧力矩为手拧，约0.5 N·m，垫片外直径为16 mm)。

图3 试验得到的载荷位移曲线

图4 单钉单剪连接螺栓剪切失效(18N·m拧紧力矩)

表 4 三钉单剪连接接头参数配置

3.2 钉-孔间隙的影响

在15kN外载荷下，不同孔间隙组合三钉单剪螺栓连接钉载分配测量比例见图5。

图5 钉孔间隙对三钉单剪螺栓连接钉载分配的影响

图5显示：钉-孔间隙对钉载分配的影响显著，其中参数配置5、2#钉首先出现挤压失效，失效结果见图 6。但是该配置的钉孔间隙已经远远超过航空装配要求，所以在符合航空装配要求钉-孔间隙范围内，对最终实现载荷均匀化、提高连接件整体承载能力的作用有限。

图6 孔失效位置(1#、3#钉-孔间隙160μm)

3.3 拧紧力矩的影响

在15kN外载荷下，直接测量得到的三钉单剪螺栓连接不同拧紧力矩组合钉载分配测量比例见图7。通过极限摩擦力修正后的结果见图8。

图7 直接测量拧紧力矩对载荷分配的影响

图8 极限摩擦力修正后影响规律

对比图7和图8不难发现：若直接采用测量得到表面应变来计算不同拧紧力矩下的钉载分配是不准确的。本文通过极限摩擦的修正，得到拧紧力矩对多钉单剪连接钉载分配的影响规律：在其他条件不变的前提下，增加某钉的拧紧力矩，可以减小该钉的钉载比例，且拧紧力矩对钉载分配有着较大的影响。

3.4 夹紧面积的影响

在15kN外载荷下，三钉单剪螺栓连接不同夹紧面积组合钉载分配测量比例见图9。

图9 夹紧面积对三钉单剪螺栓连接钉载分配的影响

较高的拧紧力矩导致较高的侧向约束压强，对于接头处的等效刚度有增强作用，通过增大夹紧面积可以减弱拧紧力矩对等效刚度的强化。图9显示：在相同的高拧紧力矩作用下，增大1#、3#钉的夹紧面积，对载荷均匀化的影响虽然不如钉-孔间隙和拧紧力矩作用明显，但是有一定的效果，即增加某钉处夹紧面积可以适当减小该钉的钉载比例。

4 结语

1) 本文在考虑单剪偏心载荷导致的弯曲基础上，利用改进的应变计测量法，对三钉单剪螺栓连接钉载分配进行试验测量。研究发现，该改进的方法测量层合板多钉单剪连接有较好的准确性和实用性，相比于有限元模拟具有较高的可信度，对比其他试验测量的方法，该方法成本较低，操作难度较低且易于工程推广。

2) 通过改进的测量方法，找到了影响三钉单剪螺栓连接钉载分配的因素，其中：初始钉-孔间隙对钉载分配比例影响最大，但是航空装配对孔间隙要求高，所以该因素在飞机装配中对载荷均匀化作用有限。

初始拧紧力矩对钉载分配也有着较为明显的作用。但需要注意的是：高预紧力伴随着强化钉孔等效接触刚度，随着载荷增加，拧紧力矩的作用也越来越不明显；此外，高拧紧力矩会增加螺栓剪切失效的风险,需避免。增加夹紧面积(通过改变垫片外直径)，对调节钉载分配有一定的作用。