陸鵬鵬，金 迪，衛(wèi)二冬

(中航西飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司 工程技術(shù)中心，西安 710089)

0 引言

碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂預(yù)浸料是目前航空領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的復(fù)合材料，M21是第三代增韌環(huán)氧樹脂，T800是高強(qiáng)碳纖維。M21/T800復(fù)合材料已經(jīng)成功應(yīng)用在A350客機(jī)上[1]。包建文[2]等對(duì)5228/T800復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)T800級(jí)復(fù)合材料的韌性和抗損傷性能有很大提高。賀崇武[3]等研究了T300級(jí)復(fù)合材料機(jī)械連接的拉脫載荷，研究表明：與金屬材料相比，相同厚度的復(fù)合材料抗拉脫載荷明顯低；對(duì)于不同連接件，高鎖螺栓抗拉脫性能最好，抽芯鉚釘次之，鉚釘最差；復(fù)合材料層合板厚度對(duì)抗拉脫載荷有顯著影響。劉達(dá)[4]等對(duì)T300級(jí)復(fù)合材料的拉脫性能進(jìn)行了試驗(yàn)，初步分析了拉脫破壞的機(jī)理，研究了拉脫破壞模式及影響因素。韓闖[5]對(duì)T700級(jí)復(fù)合材料T型接頭拉脫性能進(jìn)行了試驗(yàn)，研究了T700/TDE-85復(fù)合材料的拉脫性能規(guī)律。馬文龍[6]針對(duì)不同環(huán)境、不同厚度的碳/環(huán)氧復(fù)合材料層合板拉脫特性進(jìn)行了試驗(yàn)，研究了螺栓頭直徑的影響，與常溫干態(tài)條件下相比，高溫濕熱條件下失效載荷降低38.12%；低溫干態(tài)條件下，失效載荷為最大破壞載荷，且失效載荷提高34.53%。Chen和Lee[7]研究了螺栓緊固件的尺寸、鋪層順序及層合板的厚度對(duì)層合板拉脫響應(yīng)的影響，結(jié)果顯示，層合板的相對(duì)剛度變化會(huì)影響加載過(guò)程中緊固件接頭與層合板的接觸面，剛度較大的層合板會(huì)使得接觸面增大且緊固件的變形較明顯。

以上研究對(duì)復(fù)合材料層壓板拉脫性能研究提供了基礎(chǔ)，但是國(guó)內(nèi)外對(duì)T800級(jí)復(fù)合材料緊固件連接性能的研究相對(duì)較少。結(jié)構(gòu)中的任何一處連接都是潛在的破壞源，如果設(shè)計(jì)不正確，連接就可能成為損傷起始點(diǎn)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的損失和最終的構(gòu)件破壞。要保證結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)是可靠安全的，MIL-HDBK-17F上要求必須進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接試驗(yàn)，這也是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析所必需的[8]。本文主要進(jìn)行復(fù)合材料緊固件拉脫試驗(yàn)，通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果，得出相應(yīng)結(jié)論，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的連接設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)M21/T800復(fù)合材料的進(jìn)一步推廣應(yīng)用有重要意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中所用復(fù)合材料預(yù)浸料是高溫固化碳纖增韌環(huán)氧樹脂碳帶預(yù)浸料M21，所用緊固件是抗拉型100°沉頭高鎖螺栓以及單面連接螺紋緊固件，下文提到的“螺紋抽釘”即為“單面連接螺紋緊固件”。復(fù)合材料層壓板是采用預(yù)浸料鋪貼后熱壓罐成型的方法進(jìn)行制備的。

1.2 試驗(yàn)件

緊固件拉脫試驗(yàn)件按照不同緊固件類型、不同試驗(yàn)件尺寸以及不同鋪層數(shù)共有10種構(gòu)型，如表1所示。每種構(gòu)型18件，在室溫干態(tài)、高溫濕態(tài)和低溫干態(tài)三種試驗(yàn)環(huán)境下各做6件試驗(yàn)，共180件。

表1 緊固件拉脫試驗(yàn)件構(gòu)型

圖1 拉脫試驗(yàn)件

按照ASTM D7332標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，試驗(yàn)件為正方形層合板結(jié)構(gòu)形式，如圖1a所示，A為試驗(yàn)件邊長(zhǎng)，B=1/2A。試驗(yàn)前把層合板用設(shè)計(jì)選用的緊固件與“U”型鋼件按實(shí)際使用條件進(jìn)行裝配使其成一個(gè)整體，拉脫載荷是通過(guò)“U”型件拉伸緊固件，如圖1b所示。

1.3 試驗(yàn)方法

拉脫試驗(yàn)方法是按照ASTM D7332方法B試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造試驗(yàn)夾具。把試驗(yàn)件與“U”型件安裝在試驗(yàn)夾具內(nèi)，在試驗(yàn)機(jī)上通過(guò)上下拉桿(加載桿)實(shí)施加載，記錄拉脫時(shí)的破壞載荷-變形曲線，拉脫試驗(yàn)狀態(tài)如圖2所示。

圖2 緊固件拉脫試驗(yàn)

2 結(jié)果與討論

在拉脫試驗(yàn)中每一個(gè)試驗(yàn)件都有一條確定的載荷-位移關(guān)系曲線，在該曲線上查找初始亞臨界失效載荷(或失效載荷)與對(duì)應(yīng)的變形值，以及最大載荷，如圖3所示，然后對(duì)每一組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果，下文提到的“破壞載荷”即為“初始亞臨界失效載荷”。

圖3 拉脫試驗(yàn)失效載荷確定

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

2.1.1 不同環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)比常溫和濕熱環(huán)境下10種構(gòu)型試樣的破壞載荷，如圖4所示。從圖4可以看出，常溫環(huán)境試驗(yàn)的初始亞臨界失效載荷值和變形平均值大部分均高于濕熱環(huán)境試驗(yàn)值，最高達(dá)23.4%，最低為4.7%，主要是濕熱環(huán)境下，樹脂與纖維間的界面結(jié)合強(qiáng)度變?nèi)?，宏觀表現(xiàn)為熱變形，降低了復(fù)合材料的破壞載荷，而且其塑性變形量也較低[9-10]。

圖4 10類試樣在常溫和濕熱環(huán)境下的破壞載荷

對(duì)比常溫和低溫環(huán)境下10種構(gòu)型試樣的破壞載荷，如圖5所示，10類試樣常溫破壞載荷高于低溫破壞載荷，高出范圍在2.6%～18.3%之間。這是因?yàn)榈蜏卦囼?yàn)的變形要比常溫和濕熱試驗(yàn)變形大得多，這表明低溫環(huán)境會(huì)使層合板和緊固件產(chǎn)生收縮變形，而金屬緊固件的熱膨脹系數(shù)較之復(fù)合材料要大很多，使釘孔間隙比常溫狀態(tài)大，所以破壞載荷低于常溫狀態(tài)破壞載荷。

圖5 10類試樣在常溫和低溫環(huán)境下的破壞載荷

2.1.2 不同層合板厚度試樣的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)比常溫下同一緊固件類型、四種不同板厚的連接件試樣，表1中的7101、7103、7107和7109。四種板厚試樣破壞載荷大小比較，如圖6所示。從圖中可以看出，直徑代號(hào)-5的高鎖螺栓及直徑代號(hào)-6的高鎖螺栓試樣，試樣的拉脫破壞載荷均隨著板厚的增加而增大，所以得出結(jié)論：對(duì)于相同環(huán)境、相同釘類型的復(fù)合材料層壓板，試樣的拉脫破壞載荷隨著板厚的增加而增大。

圖6常溫下不同板厚層壓板單釘擠壓強(qiáng)度

圖7四種不同抽釘直徑試樣的破壞載荷

2.1.3 不同抽釘直徑試樣的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)比常溫下相同板厚、不同抽釘直徑的連接件試樣，表1中的7105、7106、7107和7108，結(jié)果如圖7中所示。首先對(duì)于同一種抽釘?shù)念愋?，不論是高鎖還是螺紋抽釘，隨著抽釘直徑的增加，拉脫破壞載荷增大，由于緊固件直徑增大，緊固件釘頭和螺母直徑也增大，緊固件釘頭與試板接觸面積增大，可以有效地改善復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的拉脫性能。對(duì)于不同種抽釘?shù)念愋停?6的直徑，高鎖的破壞載荷高于螺紋抽釘約1000N，這是因?yàn)橹睆酱?hào)-6的高鎖釘頭截面尺寸大于螺紋抽釘?shù)慕孛娉叽?，但是?duì)于直徑代號(hào)-8的釘，螺紋抽釘?shù)钠茐妮d荷與高鎖的破壞載荷相當(dāng)，螺紋抽釘略高于高鎖約100N，這主要因?yàn)?8直徑螺紋抽釘釘頭截面尺寸略大于高鎖的釘頭截面尺寸，但是整體上高鎖和抽釘破壞載荷相差不是很大。

2.2 試驗(yàn)件失效模式

通過(guò)對(duì)三種環(huán)境試驗(yàn)的釘拉脫試驗(yàn)結(jié)果分析，絕大多數(shù)試驗(yàn)件失效模式是圖8中第一種失效模式(PLT)，即層壓板承載孔拉脫，在拉脫過(guò)程中伴著緊固件被拔出，典型失效模式如圖9(a)所示。而構(gòu)型10中出現(xiàn)了兩種失效模式，如圖9(b)，主要是圖8中第五種失效模式FBH，即緊固件拉伸，螺紋脫扣，但螺帽還沒有脫掉，在層壓板和“U”型加載件之間產(chǎn)生了較大的間隙，同時(shí)也伴隨有第一種PLT失效模式。

圖8 緊固件擠壓失效模式

圖9 典型失效模式

3 結(jié)論

從M21/T800復(fù)合材料拉脫試驗(yàn)的載荷-變形曲線可以看出，全部試驗(yàn)正常，試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效，未有異常情況發(fā)生。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可得出以下結(jié)論：

(1)M21/T800復(fù)合材料層壓板拉脫主要失效模式是層壓板承載孔拉脫；

(2)濕熱環(huán)境下的拉脫強(qiáng)度總體低于常溫環(huán)境下的拉脫強(qiáng)度，降低約4%～23%。對(duì)于低溫環(huán)境下的拉脫強(qiáng)度與常溫環(huán)境比較，整體相差不大；

(3)相同環(huán)境、相同緊固件類型及直徑條件下，層壓板拉脫強(qiáng)度隨著板厚的增加而增大；

(4)相同環(huán)境、相同板厚及緊固件類型條件下，層壓板拉脫強(qiáng)度隨著抽釘直徑的增加而增大。