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        復(fù)合材料超差孔的承載強(qiáng)度與孔失效特性

        2015-05-30 07:01:46李翔劉海濤張凌虎
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2015年15期
        關(guān)鍵詞:復(fù)合材料

        李翔 劉海濤 張凌虎

        摘 要:在復(fù)合材料零件的實(shí)際制造裝配過程中常常需要打孔進(jìn)行機(jī)械連接,由于人工操作不當(dāng)或者精度達(dá)不到要求等因素會(huì)使得螺栓孔偏大造成裝配零件超差現(xiàn)象。該實(shí)驗(yàn)描述了通過制造碳纖維預(yù)浸料試板進(jìn)行螺栓搭接。將試驗(yàn)板鉆孔偏大至超差現(xiàn)象,然后用相同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行連接后進(jìn)行組合試驗(yàn)板拉伸試驗(yàn)。觀測(cè)結(jié)果表明,復(fù)合材料孔擠壓失效可以概括為一個(gè)壓縮損傷積累的過程,可以分為以下四個(gè)階段:損傷發(fā)生;損害增長(zhǎng);纖維斷裂;結(jié)構(gòu)性裂縫。結(jié)構(gòu)孔失效的主要特性包括纖維受壓、基體開裂、分層和平面剪切開裂這四種情況。結(jié)構(gòu)孔強(qiáng)度和失效模式也應(yīng)該取決于橫向約束和基于不同的聚合物基質(zhì)的分層的“韌性”。

        關(guān)鍵詞:超差孔 復(fù)合材料 膠黏劑

        中圖分類號(hào):TB32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2015)05(c)-0060-02

        1 孔超差對(duì)零件的影響

        眾所周知,零件的可靠性和耐久性是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)師必須考慮的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié);復(fù)合材料商務(wù)飛機(jī)更是如此。如何保證飛機(jī)在行駛中的安全?保證飛機(jī)的安全就是保護(hù)人類的生命,復(fù)合材料商務(wù)機(jī)在當(dāng)今世界已經(jīng)被廣泛采用,因?yàn)閺?fù)合材料有許多的優(yōu)勢(shì)是金屬材料所沒有的,比如比重比金屬材料輕;制造工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。那么,復(fù)合材料的連接方式除了膠接(使用膠黏劑),還有機(jī)械連接方式。通常在日常裝配過程中一些非重要接頭為了減少成本會(huì)采用用膠黏劑直接作用在超差孔處。

        2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

        本次試驗(yàn)是以直接為6.35 mm的緊固件孔作為基準(zhǔn),研究不同超差程度下使用結(jié)構(gòu)膠修補(bǔ)后孔的力學(xué)性能,得到修補(bǔ)孔的承載能力與修補(bǔ)膠層厚度之間的關(guān)系(見表1)。

        3 試驗(yàn)要求

        3.1 試驗(yàn)環(huán)境要求

        試驗(yàn)過程中溫度控制在23℃±2.8℃(-70℉±5℉),相對(duì)濕度控制在65%以下。

        4 試驗(yàn)步驟

        將試驗(yàn)板按照ASTM D3582方法進(jìn)行搭接,見圖1所示,將螺栓放入超差螺栓孔中。

        使用糊狀膠EA 9360將螺栓與超差孔的間隙進(jìn)行膠接如圖2所示,放置至少24h使其固化。固化后,將試件編號(hào)并貼好標(biāo)簽,等待試驗(yàn)。

        5 試驗(yàn)過程

        根據(jù)圖1的尺寸,制作2塊3.2 mm厚的試驗(yàn)板與1塊6.4 mm的試驗(yàn)板組成一個(gè)試驗(yàn)件。根據(jù)上述試驗(yàn)大綱制作相應(yīng)超差尺寸的試驗(yàn)件,然后將這些試驗(yàn)件放在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

        根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)書的要求,將所有試件按照超差尺寸的不同進(jìn)行拉伸,拉伸機(jī)將會(huì)用相同的速率進(jìn)行拉伸,待孔失效后停止試驗(yàn)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。每一個(gè)試驗(yàn)件為一次記錄的數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)通過計(jì)算得到結(jié)果進(jìn)行分析。在試驗(yàn)過程中如何判斷孔失效?通過對(duì)比拉伸試驗(yàn)機(jī)在拉伸過程中傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)判斷,分別有兩種判斷方式:一是為螺栓孔周圍的膠失效;二是為試驗(yàn)板失效。

        6 試驗(yàn)結(jié)果分析

        圖1,2,3可看出,超差孔在收到外力的作用后螺栓孔的位置和形狀發(fā)生變化,螺栓變形,超差孔也在外力的作用下拉伸變形。由圖看初步分析,螺栓在收到外力變形后受壓力面與試板孔內(nèi)壁擠壓后試板內(nèi)壁受壓部分開始變形,首先內(nèi)層膠被壓碎后擠壓試板內(nèi)壁纖維結(jié)構(gòu)。

        螺栓的擠壓破壞載荷為:Pbr=doδkbrσb,σb為擠壓強(qiáng)度,根據(jù)理論許用值,EA9360的抗拉需用范圍為68 MPa,根據(jù)圖4的數(shù)據(jù)我們對(duì)比:從圖4中取出一個(gè)為“疑似”膠擠壓斷裂的點(diǎn),載荷為10500 n,根據(jù)上述公式計(jì)算擠壓強(qiáng)度為95 MPa。對(duì)于理論使用值推算,此載荷為此試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)膠的斷裂。

        由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出,在載荷大約為1噸時(shí)超差孔里的結(jié)構(gòu)膠受壓破碎,而后螺栓與試驗(yàn)板孔內(nèi)壁的纖維開始擠壓,而由于纖維有一定的韌性。所以由圖我們可以看出在大約載荷為4t的時(shí)候試驗(yàn)件才變形。試驗(yàn)件變形就意味著載荷失效。

        7 結(jié)語

        當(dāng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)必須使用緊固件時(shí),應(yīng)對(duì)其進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)考慮。復(fù)合材料有纖維和集體組成,其性能受到各組分材料性能的影響,并且具有非勻質(zhì)性,緊固件對(duì)復(fù)合材料的影響與金屬材料不同,盡管復(fù)合材料的強(qiáng)度非常高,但如果處理不當(dāng)就會(huì)帶來麻煩。所以緊固件的正確選擇極為重要。

        在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,結(jié)構(gòu)的整體性始終是減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量,提高結(jié)構(gòu)效率的主要手段之一。相對(duì)金屬結(jié)構(gòu)而言,復(fù)合材料便于進(jìn)行整體固化成形,這對(duì)各類結(jié)構(gòu)件,包括某些復(fù)雜的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件,提供了提高結(jié)構(gòu)整體性的優(yōu)越條件,有利于減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量,提高結(jié)構(gòu)效率。但由于涉及,工藝和使用維修等方面的需要或限制,還是必須安排一定的設(shè)計(jì)和工藝?yán)锩?,維護(hù)口蓋或者與其他零構(gòu)件的連接接頭等,必須有相應(yīng)的連接,所以連接設(shè)計(jì)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)匯總是必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

        參考文獻(xiàn)

        [1] Yi Xiao,Takashi Ishikawa.Bearing strength and failure behavior of bolted composite joints;Composites Science and Technology,2005,65(7):1022-1031.

        [2] 牛春勻(Michael C.Y.Niu),著.實(shí)用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造[M].程小全,張紀(jì)奎,譯.航空工業(yè)出版社,2010.

        [3] 陳業(yè)標(biāo),汪海,陳秀華.飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[M].上海交通大學(xué)出版社,2011.

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