李鵬，周晚林，邵金濤，朱蘇偉，李蓓

(1. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016； 2. 南京林業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引言

多螺釘單剪連接已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的復(fù)材結(jié)構(gòu)中。研究表明：由于復(fù)材層合板在失效之前呈現(xiàn)明顯的線彈性行為，沒有明顯的塑性區(qū)，因此多釘螺栓連接在初始載荷時(shí)釘載的分配呈現(xiàn)嚴(yán)重不均勻性。釘載分配是預(yù)測多釘連接強(qiáng)度和復(fù)材結(jié)構(gòu)整體失效的關(guān)鍵所在。目前，確定復(fù)材多釘連接釘載比例的方法主要有：解析模型預(yù)測法(如經(jīng)典剛度法[1-2]和彈簧質(zhì)量法[3-4])、有限元分析方法[5-8]和試驗(yàn)測定法等[9-14]，其中試驗(yàn)測定法由于試驗(yàn)結(jié)果的可靠性強(qiáng)，在實(shí)際結(jié)構(gòu)分析中得到廣泛應(yīng)用。

試驗(yàn)測定法一般采用壓力傳感器[10-11]測量釘-孔的接觸壓力，使用帶傳感器螺栓直接測量釘載，采用表面應(yīng)變計(jì)測量旁路載荷[9,12-13]，其中，帶傳感器的螺栓[14]測量結(jié)果準(zhǔn)確，但特制螺栓價(jià)格昂貴且不利于推廣。應(yīng)變計(jì)法精確性比帶傳感器的螺栓測量法稍低，但可以滿足工程精度要求。本文采用文獻(xiàn)[12]中修正次彎曲及摩擦力影響的測量方法，對多釘單剪連接進(jìn)行試驗(yàn)測試，結(jié)果較為準(zhǔn)確。

鑒于復(fù)材連接結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)只有擠壓失效是被允許的[2]，為避免多釘連接中某一釘出現(xiàn)較高的承載比例而導(dǎo)致災(zāi)難性失效，應(yīng)盡可能確保多釘連接結(jié)構(gòu)釘載分配的均勻化。為此必須研究影響釘載分配的因素以及程度。影響復(fù)合材料多釘連接載荷分配的主要因素有：釘孔直徑、釘孔排距、擰緊力矩、釘孔間隙、材料非線性等[3,13-19]?？紤]到航空裝配中的空間和減重，應(yīng)使得螺栓孔間隙和擰緊力矩的影響相對容易實(shí)現(xiàn)且效果較為明顯[3]，但需要注意的是：飛機(jī)裝配中要求釘孔間隙不超過釘孔直徑的1%[20-21]；對不同直徑的螺栓擰緊力矩還有嚴(yán)格的推薦值[2]。目前，釘載分配影響因素中，釘孔間隙的研究較多[12-14]，但是對擰緊力矩、夾緊面積，特別是較為準(zhǔn)確的試驗(yàn)研究較少。在此前提下，本文采用試驗(yàn)測量分析釘孔間隙、擰緊力矩、夾緊面積對多釘單剪連接釘載分配的影響。

1 釘載分配測試試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)件參數(shù)

本試驗(yàn)采用T700/FRD-YG-40S碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料層壓板，其力學(xué)性能如表1所示，鋪層順序?yàn)閇45/-45/0/45/90/-45/0/45/0/-45/90/45/0]s，對稱鋪層，共26層，單層名義厚度0.14 mm，總厚度3.64 mm。試驗(yàn)測試緊固件采用TC4抗剪切型鈦合金凸頭螺栓，螺栓桿部名義直徑為8 mm，螺栓基本力學(xué)性能如表1所示。

表 1 材料屬性

單釘單剪螺栓連接試驗(yàn)件尺寸見圖1(a)；局部(膠層)尺寸見圖1(b)；三釘單剪螺栓連接試驗(yàn)件尺寸見圖1(c)。其中，圖1(c)指示了本文試驗(yàn)使用的螺栓編號，后文分別用1#、 2#、3#表示?？酌x直徑8 mm，板寬度W、邊緣間距e、螺栓孔間距p與螺栓直徑D的比值分別為W/D=6、e/D=3、p/D=4.5，直徑與厚度之比為D/t=2.20。試驗(yàn)件尺寸參考ASTM[22-24]標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)[12]、文獻(xiàn)[14]進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 試驗(yàn)過程

單釘單剪螺栓連接拉伸試驗(yàn)在SANS CMT5205/5305微機(jī)控制萬能力學(xué)拉伸機(jī)(最大拉伸載荷100 kN)上進(jìn)行，加載速率設(shè)置為1 mm/min。擰緊力矩則通過高精度扭力扳手施加。

載荷分配的測量試驗(yàn)采用文獻(xiàn)[12]的測量方法，在天辰WES-100B萬能力學(xué)拉伸試驗(yàn)機(jī)上完成(最大拉力100 kN)。每一種類型的試件均進(jìn)行5組試驗(yàn)。采用KD7016靜態(tài)應(yīng)變測量儀測量BFH120-3AA應(yīng)變片在各定載下的應(yīng)變值，間接測量三釘單剪螺栓連接釘載分配比例。復(fù)材層合板力學(xué)性能受溫度影響，實(shí)驗(yàn)室溫度控制在(22±4)℃[25-26]。參數(shù)設(shè)置見表2。

表 2 三釘單剪螺栓連接釘載分配測試參數(shù)配置

對單釘單剪連接進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，得到：Dw=16mm(墊片外直徑)，P=15kN的極限摩擦力，見表3。由于試驗(yàn)條件有限，5N·m以下數(shù)據(jù)誤差可能較大。

圖1 連接接頭圖(圖中尺寸單位為mm)

表 3 試驗(yàn)測量極限摩擦力

2 測量結(jié)果分析

試驗(yàn)測量的復(fù)材層合板三釘單剪螺栓連接釘載分配比例結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出：釘載分配非常不均勻。其中，未經(jīng)過次彎曲修正的結(jié)果規(guī)律不符合理論分析。通過應(yīng)變修正次彎曲影響后的結(jié)果：圖2(a)中1#釘和3#釘釘載比例明顯高于2#釘；圖2(b)中1#釘、3#釘?shù)尼斴d比例較高且遠(yuǎn)高于2#釘；在5 kN載荷時(shí)，由于擰緊力矩和2#釘-孔間隙，導(dǎo)致2#釘尚未完全與釘孔接觸，2#釘載比例異常得小。次彎曲修正后的釘載分配結(jié)果與文獻(xiàn)[3]理論計(jì)算以及文獻(xiàn)[14]測量得到的規(guī)律吻合。

3 載荷分配影響因素

3.1 影響載荷分配因素分析

通過單釘單剪螺栓連接進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測試不同間隙、擰緊力矩、夾緊面積下的載荷位移曲線。其中：80μm孔間隙，10N·m擰緊力矩，不同夾緊面積(墊片外直徑：Dw)條件下得到的載荷-位移曲線如圖3所示。

圖2 三釘單剪載荷分配測量結(jié)果

圖3中的結(jié)果表明：1)單剪螺栓連接螺栓承載和3個(gè)因素直接相關(guān)：接頭等效剛度、極限摩擦力、釘-孔之間的間隙；2)增大夾緊面積在保持摩擦力對螺栓承載影響的同時(shí)減緩孔周圍等效接觸剛度的強(qiáng)化。

根據(jù)已有的研究：高擰緊力矩會導(dǎo)致螺栓抗剪切性能下降。過高的擰緊力矩容易產(chǎn)生災(zāi)難性失效—螺栓剪切失效，如圖4所示。故本研究選擇最大擰緊力矩為10N·m[2]。

為研究釘-孔間隙、擰緊力矩、夾緊面積等對三釘單剪連接載荷分配更具體的影響規(guī)律，本研究分別設(shè)置不同參數(shù)，進(jìn)行定載荷拉伸試驗(yàn)測量釘載分配，見表4。研究采用單一變量(例：間隙研究中，擰緊力矩為手?jǐn)Q，約0.5 N·m，墊片外直徑為16 mm)。

圖3 試驗(yàn)得到的載荷位移曲線

圖4 單釘單剪連接螺栓剪切失效(18N·m擰緊力矩)

表 4 三釘單剪連接接頭參數(shù)配置

3.2 釘-孔間隙的影響

在15kN外載荷下，不同孔間隙組合三釘單剪螺栓連接釘載分配測量比例見圖5。

圖5 釘孔間隙對三釘單剪螺栓連接釘載分配的影響

圖5顯示：釘-孔間隙對釘載分配的影響顯著，其中參數(shù)配置5、2#釘首先出現(xiàn)擠壓失效，失效結(jié)果見圖 6。但是該配置的釘孔間隙已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過航空裝配要求，所以在符合航空裝配要求釘-孔間隙范圍內(nèi)，對最終實(shí)現(xiàn)載荷均勻化、提高連接件整體承載能力的作用有限。

圖6 孔失效位置(1#、3#釘-孔間隙160μm)

3.3 擰緊力矩的影響

在15kN外載荷下，直接測量得到的三釘單剪螺栓連接不同擰緊力矩組合釘載分配測量比例見圖7。通過極限摩擦力修正后的結(jié)果見圖8。

圖7 直接測量擰緊力矩對載荷分配的影響

圖8 極限摩擦力修正后影響規(guī)律

對比圖7和圖8不難發(fā)現(xiàn)：若直接采用測量得到表面應(yīng)變來計(jì)算不同擰緊力矩下的釘載分配是不準(zhǔn)確的。本文通過極限摩擦的修正，得到擰緊力矩對多釘單剪連接釘載分配的影響規(guī)律：在其他條件不變的前提下，增加某釘?shù)臄Q緊力矩，可以減小該釘?shù)尼斴d比例，且擰緊力矩對釘載分配有著較大的影響。

3.4 夾緊面積的影響

在15kN外載荷下，三釘單剪螺栓連接不同夾緊面積組合釘載分配測量比例見圖9。

圖9 夾緊面積對三釘單剪螺栓連接釘載分配的影響

較高的擰緊力矩導(dǎo)致較高的側(cè)向約束壓強(qiáng)，對于接頭處的等效剛度有增強(qiáng)作用，通過增大夾緊面積可以減弱擰緊力矩對等效剛度的強(qiáng)化。圖9顯示：在相同的高擰緊力矩作用下，增大1#、3#釘?shù)膴A緊面積，對載荷均勻化的影響雖然不如釘-孔間隙和擰緊力矩作用明顯，但是有一定的效果，即增加某釘處夾緊面積可以適當(dāng)減小該釘?shù)尼斴d比例。

4 結(jié)語

1) 本文在考慮單剪偏心載荷導(dǎo)致的彎曲基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)的應(yīng)變計(jì)測量法，對三釘單剪螺栓連接釘載分配進(jìn)行試驗(yàn)測量。研究發(fā)現(xiàn)，該改進(jìn)的方法測量層合板多釘單剪連接有較好的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，相比于有限元模擬具有較高的可信度，對比其他試驗(yàn)測量的方法，該方法成本較低，操作難度較低且易于工程推廣。

2) 通過改進(jìn)的測量方法，找到了影響三釘單剪螺栓連接釘載分配的因素，其中：初始釘-孔間隙對釘載分配比例影響最大，但是航空裝配對孔間隙要求高，所以該因素在飛機(jī)裝配中對載荷均勻化作用有限。

初始擰緊力矩對釘載分配也有著較為明顯的作用。但需要注意的是：高預(yù)緊力伴隨著強(qiáng)化釘孔等效接觸剛度，隨著載荷增加，擰緊力矩的作用也越來越不明顯；此外，高擰緊力矩會增加螺栓剪切失效的風(fēng)險(xiǎn),需避免。增加夾緊面積(通過改變墊片外直徑)，對調(diào)節(jié)釘載分配有一定的作用。