魏景超，柴亞南，劉風(fēng)雷，遲 堅(jiān)

（1. 中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065；2. 中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

先進(jìn)復(fù)合材料由于其優(yōu)異的力學(xué)性能已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在現(xiàn)代飛行器上的使用比例已成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中不僅僅包含高性能的復(fù)合材料，還需要優(yōu)異的連接技術(shù)將這些材料高效地連接起來。連接設(shè)計(jì)的目的之一是傳遞結(jié)構(gòu)載荷，而關(guān)鍵技術(shù)在于保證接頭處的連接強(qiáng)度和可靠性。由于共固化技術(shù)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的成熟應(yīng)用，整架飛機(jī)零部件數(shù)量大幅度減少，從而也減少了連接裝配量，但復(fù)合材料部件之間仍然需要設(shè)計(jì)優(yōu)異的連接接頭，以構(gòu)成高效的飛機(jī)結(jié)構(gòu)。研究表明，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的60%～80%破壞出現(xiàn)在連接部位，并且連接接頭重量占結(jié)構(gòu)總重的20%～30%，因此需要對復(fù)合材料連接技術(shù)開展持續(xù)深入的研究。

目前，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接通常采用膠接和機(jī)械連接。機(jī)械連接是指采用緊固件（螺栓和鉚釘），把兩個(gè)或兩個(gè)以上零部件連接成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)的方法，也稱為緊固件連接[1]。螺栓連接由于比鉚釘連接可承受更高的載荷，多用于飛機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)及次承力結(jié)構(gòu)。對于復(fù)合材料緊固件連接結(jié)構(gòu)，其影響因素有很多，如纖維和基體材料的選擇、纖維鋪層角度、連接件幾何尺寸（寬徑比w/d和端徑比e/d）、間隙量/干涉量、搭接面積、夾持力矩、單搭接/雙搭接/對接、緊固件類型（鉚釘/螺栓）、配合面積、制孔工藝及連接部件之間剛度匹配等。

干涉配合作為抗疲勞連接方式最初應(yīng)用于飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中，延緩了釘孔邊疲勞裂紋的出現(xiàn)及擴(kuò)展，從而提高結(jié)構(gòu)疲勞性能。此后，研究人員沿用壓入、鉚接等金屬結(jié)構(gòu)干涉配合方法，也開始嘗試在復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用。由于復(fù)合材料存在層間強(qiáng)度低、抗沖擊能力差等缺點(diǎn)，在復(fù)合材料應(yīng)用初期階段，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員僅使用間隙配合，而不主張采用干涉配合，同時(shí)國內(nèi)外復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊也指出：由于存在釘孔層間分層的可能，復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)時(shí)不推薦使用干涉配合[1-2]。隨著先進(jìn)航空制造技術(shù)的發(fā)展，單面螺紋抽釘干涉配合連接緊固件的出現(xiàn)，極大程度地減輕了干涉裝配過程對層壓板孔邊產(chǎn)生的沖擊損傷，避免了層壓板分層損傷。此種連接方式采用了徑向外膨脹法施加干涉量，在孔邊徑向上保持均勻的干涉量。目前，干涉配合的復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)只有一些靜力數(shù)值分析，尚缺乏大量試驗(yàn)研究[3]。

影響復(fù)合材料機(jī)械連接結(jié)構(gòu)疲勞性能的因素很多，如緊固件類型、夾持力矩、釘孔間隙量、加載頻率、應(yīng)力比及濕熱環(huán)境等。Counts等[4]通過疲勞試驗(yàn)研究了加載頻率、熱環(huán)境等影響因素，結(jié)果表明：加載頻率（0.1～10Hz）及104h熱老化，均沒有對結(jié)構(gòu)疲勞壽命造成影響。在循環(huán)載荷條件下復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接處的剛度會發(fā)生改變，進(jìn)而影響其疲勞性能[5]。Chen[6]在濕熱環(huán)境下進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：在疲勞循環(huán)應(yīng)力下，適當(dāng)?shù)膴A持力矩能提高連接結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和疲勞壽命。Starikov等[7]對金屬緊固件和復(fù)合材料緊固件連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)研究，得出的結(jié)論與文獻(xiàn)[8]一致。

目前，針對復(fù)合材料單面螺紋抽釘干涉配合連接結(jié)構(gòu)已有少量研究，比如干涉配合安裝過程分析[9]、干涉配合后應(yīng)力分布問題[10]及靜擠壓強(qiáng)度研究[11-12]等，然而對連接疲勞性能及其影響因素的研究還少有涉及。因此，本文通過疲勞試驗(yàn)，研究了微間隙量配合及多種干涉量配合對連接疲勞壽命的影響規(guī)律，并探索了復(fù)合材料鋪層、緊固件及搭接板類型等的影響規(guī)律。

疲勞試驗(yàn)

1 干涉配合緊固件

本文干涉配合緊固件采用了單面螺紋抽釘緊固件，該緊固件系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)螺母、螺母、膨脹襯套、螺紋桿及襯套等部件構(gòu)成。圖1為單面螺紋抽釘裝配示意圖。首先在驅(qū)動(dòng)螺母側(cè)施加驅(qū)動(dòng)力，然后螺母向內(nèi)擰緊，螺紋桿向外抽，在螺紋桿端頭處襯套受壓形成墩頭，當(dāng)達(dá)到擰緊力矩時(shí)，驅(qū)動(dòng)螺母帶動(dòng)部分螺紋桿斷裂脫落，而墩頭的形成保證了裝配過程中持續(xù)的擰緊力矩，在裝配后確保了結(jié)構(gòu)的完整性。

單面抽釘?shù)母缮媾浜狭恐饕峭ㄟ^螺母和膨脹襯套提供的，也是通過它們的外徑尺寸來精確控制干涉量的大小。相較于傳統(tǒng)鉚釘結(jié)構(gòu)，單面抽釘緊固件不僅能產(chǎn)生均勻的干涉量，而且還可以在一定程度上減小復(fù)合材料孔邊層間損傷。

圖1 單面螺紋抽釘裝配示意圖Fig.1 Assemble diagram of blind threaded bolt

2 疲勞試驗(yàn)件及試驗(yàn)裝置

疲勞試驗(yàn)件如圖2所示，為單釘雙搭接板連接結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料為碳纖維增強(qiáng)樹脂基層壓板T700/9916。復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)通常有拉伸破壞、剪切破壞和擠壓破壞3種失效模式。拉伸破壞和剪切破壞是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)寬徑比和端徑比設(shè)計(jì)失誤引起的，通常連接強(qiáng)度較低，一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)避免發(fā)生此類失效模式；而擠壓破壞則為復(fù)合材料層壓板孔邊局部失效，具有較高的連接強(qiáng)度。為了避免發(fā)生拉伸破壞和剪切破壞，本文根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[1]設(shè)計(jì)了寬徑比（w/d）為5和端徑比（e/d）為3的單釘雙剪連接試驗(yàn)件。

圖2 單釘雙剪連接試件Fig.2 Specimen of single-bolted double-lap joint

本文中分別對4種干涉量（0%、0.5%、1.8%、3%）連接試驗(yàn)件進(jìn)行多個(gè)循環(huán)應(yīng)力下的疲勞試驗(yàn)，表1給出了各試驗(yàn)件組的加載狀態(tài)及裝配情況，同時(shí)采用高鎖螺栓緊固試驗(yàn)件作為對比試驗(yàn)。表2給出了復(fù)合材料主板的4種鋪層次序和復(fù)合材料搭接板的鋪層次序。P8和P9試驗(yàn)組均采用金屬搭接板，其中P8結(jié)構(gòu)中采用了LY12鋁合金材料的搭接板，P9結(jié)構(gòu)中采用了45#鋼材料的搭接板。

圖3所示為疲勞試驗(yàn)中的各個(gè)設(shè)備。本試驗(yàn)采用Instron 8801疲勞試驗(yàn)機(jī)施加循環(huán)載荷，試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)加載頻率為0.1～10Hz，不會對試驗(yàn)結(jié)果造成影響，因此試驗(yàn)過程中盡可能地采用較高的載荷頻率。但拉壓載荷作用下，復(fù)合材料搭接板之間持續(xù)摩擦，造成溫度升高，引起加載孔邊復(fù)合材料力學(xué)性能發(fā)生改變，容易給試驗(yàn)帶來不利影響，所以在釘孔擠壓處安裝風(fēng)扇冷卻，同時(shí)控制加載頻率，監(jiān)控連接孔處的溫度，使之 處于小于60℃的范圍內(nèi)。為了防止疲勞試驗(yàn)過程中試件失穩(wěn)，在遠(yuǎn)離加載孔處夾持了抗失穩(wěn)夾板以增加剛度，同時(shí)在抗失穩(wěn)夾板上安裝引伸計(jì)來監(jiān)測釘孔擠壓變形量。

3 釘孔擠壓疲勞試驗(yàn)方法

本文根據(jù)ASTMD6873-03[12]試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法來測量釘孔的變形量ΔN。該方法通過應(yīng)力/孔變形量的滯回環(huán)曲線來計(jì)算（見圖4）。當(dāng)循環(huán)次數(shù)為N時(shí)，引伸計(jì)變形量差值δN可表示為：

式中，δNt為在拉伸過程中釘孔擠壓應(yīng)力為0時(shí)引伸計(jì)的變形量，δNc為壓縮過程中釘孔擠壓應(yīng)力為0時(shí)引伸計(jì)的變形量。那么第N次循環(huán)后的釘孔擠壓變形增量ΔN就可表示為：

式中，δ1為疲勞試驗(yàn)前緊固件的第一次準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)載荷作用下引伸計(jì)的變形量差值。當(dāng) ΔN=δN- δ1＞4%d，則循環(huán)次數(shù)N即為連接件孔變形失效的疲勞壽命。

表1 試驗(yàn)方案

表2 復(fù)合材料鋪層

圖3 疲勞試驗(yàn)裝置Fig.3 Devices of fatigue test

圖4 典型循環(huán)載荷/孔變形量滯回環(huán)曲線Fig.4 Typical cyclic-load/hole-deformation curve

結(jié)果與討論

根據(jù)靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果[11]，復(fù)合材料單面抽釘多種干涉量配合連接結(jié)構(gòu)和高鎖螺栓連接結(jié)構(gòu)的極限靜強(qiáng)度均約為18kN，差值范圍在10%以內(nèi)，則可認(rèn)為極限擠壓強(qiáng)度均為σbru=1200MPa?；趯Ρ仍囼?yàn)研究需要，以 ±45%σbru、±55%σbru、±60%σbru3種應(yīng)力幅值為基準(zhǔn)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，并以此得到的S-N曲線來研究不同參考因素對復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響規(guī)律。

1 不同緊固件類型

以高鎖螺栓H9/h9連接配合試驗(yàn)件（P1）和單面抽釘0%干涉配合試驗(yàn)件（P2～P4）試驗(yàn)結(jié)果作對比，研究了兩種緊固件類型對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響作用。在半對數(shù)坐標(biāo)下，給出了兩種緊固件類型連接件的S-N曲線及線性擬合曲線，如圖5所示。可以看出，在相同應(yīng)力水平下，單面抽釘連接件的疲勞壽命明顯高于高鎖螺栓連接件的疲勞壽命，差值為1～2個(gè)數(shù)量級。在最大應(yīng)力幅值為±50%σbru（±600MPa）時(shí)，單面抽釘連接件的疲勞壽命為105左右，高鎖螺栓連接件的疲勞壽命不到103，相差近2個(gè)數(shù)量級。由此可知，單面螺紋抽釘緊固件相比傳統(tǒng)高鎖螺栓緊固件，其連接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命提高一個(gè)數(shù)量級以上。

高鎖螺栓按H9/h9標(biāo)準(zhǔn)連接裝配后可近似認(rèn)為是0%間隙整配合，但實(shí)際上釘孔間仍存在有初始間隙量。從摩擦學(xué)角度考慮，初始間隙量的存在，引起緊固件在循環(huán)加載過程中不間斷地對孔壁產(chǎn)生小能量沖擊作用。多次小能量沖擊在復(fù)合材料層壓板連接孔壁產(chǎn)生累積損傷，加快了孔變形。然而對于單面抽釘0%干涉配合連接件，裝配后的釘孔間隙量可能優(yōu)于高鎖螺栓，而且只有當(dāng)經(jīng)過一定疲勞循環(huán)后，復(fù)合材料孔才能產(chǎn)生相當(dāng)H9/h9公差的變形量，從而在一定程度上延緩了循環(huán)載荷下的沖擊損傷，增大了結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。此外，0%干涉配合在復(fù)合材料連接孔壁沿徑向壓縮，而制孔時(shí)孔壁上的微毛刺受壓形成彈性層，釘孔擠壓時(shí)應(yīng)力重新分配，在一定程度上緩解了復(fù)合材料孔的應(yīng)力集中。綜合以上兩方面的原因，單面螺紋抽釘緊固連接件的疲勞壽命明顯優(yōu)于高鎖螺栓連接件的疲勞壽命。

2 不同干涉配合量

對單面螺紋抽釘4種干涉量（0%、0.5%、1.8%和3%）配合的連接件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，并得到S-N曲線（見圖6）。通常疲勞試驗(yàn)S-N曲線采用指數(shù)函數(shù)形式表達(dá)，在半對數(shù)坐標(biāo)系下給出了4種干涉量下的應(yīng)力與壽命曲線的線性擬合。對于4種干涉配合量連接件，S-N曲線出現(xiàn)較大差異性。在不同循環(huán)應(yīng)力條件下，連接件疲勞壽命隨干涉配合變化的規(guī)律是不同的，即疲勞壽命最高的最佳干涉量不是固定的。

在低循環(huán)應(yīng)力幅值（±540MPa）時(shí)，連接件的疲勞壽命隨著干涉量的增大（0%～3%）而增大，而且在干涉量為3%時(shí)達(dá)到最大；在較高循環(huán)應(yīng)力幅值時(shí)（±667MPa和±720MPa），連接件的疲勞壽命隨著干涉量增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，從圖6中可明顯地看出在干涉量為1.8%時(shí)復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命最高。在同一循環(huán)應(yīng)力時(shí)，不同干涉量能導(dǎo)致連接件疲勞壽命相差5～10倍，適當(dāng)?shù)母缮媾浜狭磕芴岣邚?fù)合材料連接件的疲勞壽命。

圖5 高鎖螺栓與單面抽釘連接件的S-N對比曲線Fig.5 Contrast S-N curves of high-lock bolted joints and blind bolted joints

圖6 不同干涉量下的S-N曲線Fig.6 S-N curves at different sizes of interference fit

3 不同搭接材料

對含有3種搭接板的復(fù)合材料干涉配合連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)采用正弦波加載，加載頻率為5Hz，拉壓應(yīng)力比R=-1，最大擠壓應(yīng)力幅值為±667MPa（±55%σbru)。

從圖7中可知，當(dāng)干涉配合量為0%時(shí)，鋼搭接板連接件和復(fù)材搭接板連接件的疲勞壽命相近，而鋁搭接板連接件的疲勞壽命較高；當(dāng)干涉量為0.5%和1.8%時(shí)，鋁搭接板連接件和鋼搭接板連接件的疲勞壽命相近，而復(fù)材搭接板連接件的疲勞壽命較低；當(dāng)干涉量為3%時(shí)，鋁搭接板連接件和復(fù)材搭接板連接件的疲勞壽命相近，而鋼搭接板連接件的疲勞壽命較高。

從變化趨勢上看，當(dāng)干涉量從0%增大到1.8%時(shí)，鋁搭接板連接件、鋼搭接板連接件和復(fù)合材料搭接板連接件的疲勞壽命呈逐漸增大趨勢；當(dāng)干涉量從1.8%～3.0%變化時(shí)，鋁搭接板連接件和復(fù)合材料搭接板連接件的疲勞壽命呈逐漸下降趨勢，而鋼搭接板連接件的疲勞壽命則繼續(xù)呈增大趨勢。金屬搭接板連接件的疲勞壽命普遍高于復(fù)合材料搭接板連接件的疲勞壽命。由于金屬搭接板與復(fù)合材料層壓板之間的摩擦系數(shù)通常小于復(fù)合材料層壓板之間的摩擦系數(shù)，因而在相同的夾持力矩下，循環(huán)加載時(shí)復(fù)合材料層壓板之間的磨損量遠(yuǎn)大于金屬搭接板與復(fù)合材料層壓板之間的磨損量，造成復(fù)合材料搭接板連接結(jié)構(gòu)的夾持力下降，從而引起疲勞壽命下降，而金屬搭接板連接結(jié)構(gòu)的加持力下降相對較小，結(jié)構(gòu)疲勞壽命則相對較高。

圖7 3種搭接板結(jié)構(gòu)的干涉量-疲勞壽命關(guān)系圖Fig.7 Interference-fatigue life diagrams of three kinds of structures

圖8 不同主板鋪層次序?qū)B接疲勞壽命的作用Fig.8 Relationship between stacking sequences and fatigue life

表3 4種連接件的主板鋪層

4 不同鋪層次序

針對4種主板鋪層次序的復(fù)合材料干涉配合連接件進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)（見表3），其中試驗(yàn)采用正弦波加載，加載頻率為2Hz，拉壓應(yīng)力比R=-1，最大擠壓應(yīng)力幅值為±667MPa（±55%σbru)。

圖 8中對比了 P4，P5，P6，P7 4組不同復(fù)合材料鋪層連接件的疲勞試驗(yàn)結(jié)果。從P4～P7試驗(yàn)件，復(fù)合材料層壓板中0°鋪層的比例持續(xù)下降，±45°鋪層比例逐漸上升，90°鋪層比例維持不變?？梢钥闯?復(fù)合材料主板P4的疲勞壽命最長，復(fù)合材料主板P5的疲勞壽命較短，而復(fù)合材料主板P6和P7的疲勞壽命基本相同。隨著層壓板0°鋪層比例下降，±45°鋪層比例上升，結(jié)構(gòu)疲勞壽命呈現(xiàn)先減小后增大最后趨于平穩(wěn)的變化趨勢。整體上來看，4種復(fù)合材料鋪層連接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命均在105左右，相差不大。復(fù)合材料機(jī)械連接結(jié)構(gòu)的疲勞失效通常是由釘孔擠壓變形引起的，而復(fù)合材料孔邊基體壓縮失效和分層是其主要因素，纖維鋪放次序只起到間接影響作用。另一方面，結(jié)構(gòu)疲勞壽命增大的主要原因?yàn)楦缮媾浜虾髲?fù)合材料孔邊的循環(huán)應(yīng)力幅值下降，而4種復(fù)合材料鋪層在連接結(jié)構(gòu)干涉量均為1.8%時(shí)，孔邊循環(huán)應(yīng)力幅值下降程度大致相當(dāng)，造成了4種鋪層結(jié)構(gòu)的疲勞壽命也比較接近。因此，在1.8%干涉配合量時(shí)，4種復(fù)合材料鋪層對連接件疲勞壽命的影響不明顯。

結(jié)論

本文通過多個(gè)應(yīng)力水平下的疲勞試驗(yàn)研究了緊固件類型、干涉配合量、搭接板材質(zhì)及復(fù)合材料鋪層對復(fù)合材料連接件疲勞壽命的影響規(guī)律，總結(jié)如下：

（1）單面螺紋抽釘緊固連接件的疲勞壽命遠(yuǎn)高于高鎖螺栓緊固連接件的疲勞壽命，任一循環(huán)應(yīng)力幅值下的疲勞壽命均高10倍以上。

（2）干涉量對復(fù)合材料連接件的疲勞壽命影響較大，而且不同干涉量的影響與疲勞應(yīng)力水平相關(guān)。當(dāng)?shù)推趹?yīng)力時(shí)，隨著干涉量從0增大到3%，結(jié)構(gòu)疲勞壽命逐漸增大；當(dāng)高疲勞應(yīng)力時(shí)，結(jié)構(gòu)疲勞壽命呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在干涉量為1.8%時(shí)疲勞壽命最大。

（3）不同搭接板材料對連接結(jié)構(gòu)疲勞壽命有較小的影響作用。當(dāng)干涉量從0%～3%變化時(shí)，鋁搭接板連接件的疲勞壽命呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而鋼搭接板連接件的疲勞壽命呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。金屬搭接板連接件的疲勞壽命均略高于復(fù)合材料搭接板連接件。

（4）復(fù)合材料鋪層的變化對單面螺紋抽釘干涉配合連接件的疲勞壽命影響不明顯。

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