铺层顺序和垫板对复合材料层压板钉拉脱性能影响分析

2021-04-22杨梦粤

工程与试验 2021年1期

杨梦粤，李磊

(中国飞机强度研究所材料力学性能测试与表征研究室，陕西西安 710065)

1 引言

在飞机复合材料结构中，不可避免地需要连接结构以完成结构的装配。目前，常见的连接形式包括胶接、机械连接等。其中，机械连接因连接可靠、可拆卸等优势而大量应用于飞机复合材料结构中。由于复合材料层压板面外性能较差，而在机械连接结构形式中，复合材料层压板通常会受到面外力的作用，因此，复合材料层压板钉拉脱性能成为国内外研究人员以及飞机设计人员关注的焦点。

国内外学者对复合材料层压板面外钉拉脱性能开展了大量的研究，涉及理论分析、试验研究及数值模拟等方面。如国内迟坚[1]、刘达[2]、吴衍[3]等对复合材料层压板钉拉脱强度性能测定方法开展了试验研究，建立了具有操作方便、能够真实模拟连接件受力情况的试验方法。此外，刘达[2]等还研究了层压板吸湿量对拉脱强度的影响，结果表明，0.1%的吸湿量将导致拉脱强度大幅下降。国外Lee[4]、Rubin[5]及R.G.White[6]等研究了螺栓紧固件尺寸、铺层顺序及层压板厚度对层压板面外拉脱性能的影响，结果表明，层压板刚度会影响紧固件接头与层压板的接触面，从而影响最终的极限强度；对不同铺层的钉拉脱应力分布分析发现，±45°层的应力值均高于90°和0°铺层。A.Banbury[7]等通过试验研究了层压板钉拉脱的失效模式，结果表明，钉拉脱主要的失效形式为基体失效和分层。

本文通过设计不同铺层比例以及含金属垫板的复合材料层压板钉拉脱试样开展试验研究，获取其损伤失效形式以及铺层方式和金属垫板对钉拉脱性能的影响规律。

2 试样与方法

2.1 试样

复合材料层压板钉拉脱试样有2种类型，一种含金属垫板，一种不含金属垫板。每一种类型里包括5种不同材料以及不同铺层方式的试样，如表1所示。其中，编号A、B、C试样为由T800级碳纤维复合材料制备，编号D为芳纶织物制备，而编号E为玻璃布织物制备。本文所有试验均在室温大气环境下进行。

表1 试样铺层信息

钉拉脱试样如图1所示，采用沉头紧固件将复合材料层压板与加载耳叉连接，试样的制备公差按照ASTM D7332[8]执行。

图1 钉拉脱试样示意图

2.2 试验方法

复合材料层压板钉拉脱试验示意图如图2所示。试验按照ASTM D7332[8]标准实施，试验开始前将试验件安装于钉拉脱夹具，通过耳叉施加载荷，加载速率为0.5mm/min。试验过程中，观测分析其失效形式。

图2 复合材料钉拉脱试验示意图

3 试验结果与分析

3.1 铺层方式和材料对钉拉脱性能影响分析

本文共开展了3种铺层方式的碳纤维复合材料层压板钉拉脱试验，以及芳纶织物和玻璃布织物钉拉脱试验，其典型的失效形式均为紧固件拉脱，层压板上表面出现基体损伤和分层损伤，其损伤失效示意图如图3所示。

图3 典型钉拉脱试样损伤失效形式

不同铺层形式及材料的复合材料层压板钉拉脱试样的失效载荷对比如图4所示。试验结果表明，对于碳纤维单向增强复合材料层压板，铺层比例为(40/50/10)的试样钉拉脱失效载荷最高，比铺层比例为(30/60/10)和(50/40/10)的试样分别高10.4%和13.3%。铺层顺序对复合材料层压板钉拉脱性能有一定影响，当±45°铺层比例为50%时具有较高的钉拉脱性能。

图4 不同铺层、材料钉拉脱失效载荷对比

芳纶织物和玻璃布织物层压板钉拉脱试验结果表明，玻璃布织物复合材料层压板具有更高的钉拉脱性能，比芳纶织物高28.1%，表明玻璃布织物复合材料层压板具有更好的面外性能。

3.2 金属垫板对钉拉脱性能影响分析

本文开展了3种铺层方式含金属垫板的碳纤维复合材料层压板面外拉脱性能试验以及2种含金属垫板织物复合材料层压板的面外拉脱性能试验，其典型的失效形式为金属垫板在孔周处塑性变形，层压板孔处拉脱，且在上表面出现大量的层间分层和基体损伤。典型的含金属垫板复合材料层压板钉拉脱试样失效形式如图5所示。

图5 典型含金属垫板钉拉脱试样失效形式

图6给出了含金属垫板复合材料层压板钉拉脱性能与不含金属垫板的试验结果对比。试验结果表明，含金属垫板复合材料层压板不同铺层方式以及不同材料间的钉拉脱性能和不含金属垫板复合材料层压板的钉拉脱性能具有相似的规律。从图中可以看出，铺层比例为(40/50/10)的试样钉拉脱失效载荷最高，且含金属垫板玻璃布织物层压板钉拉脱性能高于芳纶织物层压板。