含预埋件层合板螺栓连接结构剪切性能的试验研究

2021-09-26王晓宏张丰发刘长喜毕凤阳王云龙

内燃机与配件 2021年16期

王晓宏张丰发刘长喜毕凤阳王云龙

摘要：层合板螺栓连接的设计是结构设计过程中必不可少的重要环节，为对比分析含预埋件层合板螺栓连接结构与无预埋件层合板螺栓连接结构剪切性能的差异，以及含不同预埋件层合板螺栓连接结构剪切性能的优略，根据ASTM D-5961标准设计相应的试验件，进行不同层合板螺栓连接结构剪切性能测试。结果表明：含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两种连接形式的2倍;含套筒预埋件层合板螺栓连接结构的强度数值偏差最小，即性能更稳定。

关键词：层合板;螺栓连接;预埋件;剪切性能;试验研究

中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）16-0062-03

0 引言

纤维增强树脂基复合材料（FRP，Fiber Reinforced Polymer）由于其具有较高的比强度、比刚度和可设计性强等优点，在航空航天、工业技术、体育器材等领域得以广泛应用[1-3]。并且该材料已由最初的非承力结构逐渐发展成为主承力结构。而对于有效的复合材料宏观结构而言，各部件间的连接设计是结构设计过程中必不可少的重要环节，却也是最薄弱的环节。研究发现：复合材料结构的破坏70%发生在连接处且破坏形式复杂多样。对复合材料的连接结构进行科学合理地设计就显得越来越重要。本文针对三种不同的连接结构：即无预埋件的螺栓连接层合板结构、螺栓孔内预埋钢制套筒件的螺栓连接层合板结构和预埋钢板的层合板螺栓连接结构开展试验研究，对比分析其剪切性能从而指导层合板连接结构的设计。

1 試验材料

试验中所涉及到的主要材料有复合材料层合板、螺栓孔内预埋套筒、预埋钢板件和连接螺栓，其性能如下：①复合材料层合板：①材料体系为T700/5228。其单向板力学性能见表1。②预埋件及螺栓的性能见表2。

2 试件的形状及尺寸设计

三种试验方案中，无预埋件的螺栓连接层合板双剪切试件按照ASTM D-5961标准进行设计，形状及尺寸如图1所示。同时，为保证三种试件的总体尺寸一致，参考该标准设计了螺栓孔内预埋钢制套筒件的螺栓连接层合板双剪切试件和层合板内预埋钢板件的螺栓连接层合板双剪切试件。三种试件中，复合材料层合板铺层形式。但套筒预埋件的试件中，层合板的开孔位置一致，开孔直径增大;预埋钢板件的层合板双剪切螺栓连接试件中层合板的厚度为1mm，见表3。

三种试验的试件示意图如图2所示。

3 试件的制作

按照上述设计的试件尺寸，制作相应的复合材料层合板，并将套筒预埋件和钢板预埋件利用胶粘剂J-302与开孔的复合材料层合板粘接，按胶粘剂的固化工艺固化后获得的试件，如图3所示。

4 试验及结果

4.1 无预埋件螺栓连接层合板双剪切试验

根据ASTM D-5961试验标准进行无预埋件螺栓连接层合板双剪切试验，试验在INSTRON电子万能试验机上进行，共进行了5组试验，试验装夹及试验中获得的载荷-位移曲线如图4所示。

由试验获得的螺栓连接层合板双剪切试验结果见表4。

试件的损伤失效模式均为挤压失效，如图5所示。

4.2 螺栓孔内预埋钢制套筒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共进行了5组，试验装夹及试验中获得的载荷-位移曲线如图6所示。

由试验获得的螺栓孔内预埋钢制套筒件的螺栓连接层合板双剪切试验结果见表5。

试件的损伤失效模式均为挤压破坏，如图7所示。