楊夢(mèng)粵，李 磊

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 材料力學(xué)性能測(cè)試與表征研究室，陜西 西安 710065)

1 引 言

在飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，不可避免地需要連接結(jié)構(gòu)以完成結(jié)構(gòu)的裝配。目前，常見的連接形式包括膠接、機(jī)械連接等。其中，機(jī)械連接因連接可靠、可拆卸等優(yōu)勢(shì)而大量應(yīng)用于飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中。由于復(fù)合材料層壓板面外性能較差，而在機(jī)械連接結(jié)構(gòu)形式中，復(fù)合材料層壓板通常會(huì)受到面外力的作用，因此，復(fù)合材料層壓板釘拉脫性能成為國(guó)內(nèi)外研究人員以及飛機(jī)設(shè)計(jì)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合材料層壓板面外釘拉脫性能開展了大量的研究，涉及理論分析、試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬等方面。如國(guó)內(nèi)遲堅(jiān)[1]、劉達(dá)[2]、吳衍[3]等對(duì)復(fù)合材料層壓板釘拉脫強(qiáng)度性能測(cè)定方法開展了試驗(yàn)研究，建立了具有操作方便、能夠真實(shí)模擬連接件受力情況的試驗(yàn)方法。此外，劉達(dá)[2]等還研究了層壓板吸濕量對(duì)拉脫強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，0.1%的吸濕量將導(dǎo)致拉脫強(qiáng)度大幅下降。國(guó)外Lee[4]、Rubin[5]及R.G.White[6]等研究了螺栓緊固件尺寸、鋪層順序及層壓板厚度對(duì)層壓板面外拉脫性能的影響，結(jié)果表明，層壓板剛度會(huì)影響緊固件接頭與層壓板的接觸面，從而影響最終的極限強(qiáng)度；對(duì)不同鋪層的釘拉脫應(yīng)力分布分析發(fā)現(xiàn)，±45°層的應(yīng)力值均高于90°和0°鋪層。A.Banbury[7]等通過試驗(yàn)研究了層壓板釘拉脫的失效模式，結(jié)果表明，釘拉脫主要的失效形式為基體失效和分層。

本文通過設(shè)計(jì)不同鋪層比例以及含金屬墊板的復(fù)合材料層壓板釘拉脫試樣開展試驗(yàn)研究，獲取其損傷失效形式以及鋪層方式和金屬墊板對(duì)釘拉脫性能的影響規(guī)律。

2 試樣與方法

2.1 試 樣

復(fù)合材料層壓板釘拉脫試樣有2種類型，一種含金屬墊板，一種不含金屬墊板。每一種類型里包括5種不同材料以及不同鋪層方式的試樣，如表1所示。其中，編號(hào)A、B、C試樣為由T800級(jí)碳纖維復(fù)合材料制備，編號(hào)D為芳綸織物制備，而編號(hào)E為玻璃布織物制備。本文所有試驗(yàn)均在室溫大氣環(huán)境下進(jìn)行。

表1 試樣鋪層信息

釘拉脫試樣如圖1所示，采用沉頭緊固件將復(fù)合材料層壓板與加載耳叉連接，試樣的制備公差按照ASTM D7332[8]執(zhí)行。

圖1 釘拉脫試樣示意圖

2.2 試驗(yàn)方法

復(fù)合材料層壓板釘拉脫試驗(yàn)示意圖如圖2所示。試驗(yàn)按照ASTM D7332[8]標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，試驗(yàn)開始前將試驗(yàn)件安裝于釘拉脫夾具，通過耳叉施加載荷，加載速率為0.5mm/min。試驗(yàn)過程中，觀測(cè)分析其失效形式。

圖2 復(fù)合材料釘拉脫試驗(yàn)示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鋪層方式和材料對(duì)釘拉脫性能影響分析

本文共開展了3種鋪層方式的碳纖維復(fù)合材料層壓板釘拉脫試驗(yàn)，以及芳綸織物和玻璃布織物釘拉脫試驗(yàn)，其典型的失效形式均為緊固件拉脫，層壓板上表面出現(xiàn)基體損傷和分層損傷，其損傷失效示意圖如圖3所示。

圖3 典型釘拉脫試樣損傷失效形式

不同鋪層形式及材料的復(fù)合材料層壓板釘拉脫試樣的失效載荷對(duì)比如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于碳纖維單向增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板，鋪層比例為(40/50/10)的試樣釘拉脫失效載荷最高，比鋪層比例為(30/60/10)和(50/40/10)的試樣分別高10.4%和13.3%。鋪層順序?qū)?fù)合材料層壓板釘拉脫性能有一定影響，當(dāng)±45°鋪層比例為50%時(shí)具有較高的釘拉脫性能。

圖4 不同鋪層、材料釘拉脫失效載荷對(duì)比

芳綸織物和玻璃布織物層壓板釘拉脫試驗(yàn)結(jié)果表明，玻璃布織物復(fù)合材料層壓板具有更高的釘拉脫性能，比芳綸織物高28.1%，表明玻璃布織物復(fù)合材料層壓板具有更好的面外性能。

3.2 金屬墊板對(duì)釘拉脫性能影響分析

本文開展了3種鋪層方式含金屬墊板的碳纖維復(fù)合材料層壓板面外拉脫性能試驗(yàn)以及2種含金屬墊板織物復(fù)合材料層壓板的面外拉脫性能試驗(yàn)，其典型的失效形式為金屬墊板在孔周處塑性變形，層壓板孔處拉脫，且在上表面出現(xiàn)大量的層間分層和基體損傷。典型的含金屬墊板復(fù)合材料層壓板釘拉脫試樣失效形式如圖5所示。

圖5 典型含金屬墊板釘拉脫試樣失效形式

圖6給出了含金屬墊板復(fù)合材料層壓板釘拉脫性能與不含金屬墊板的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明，含金屬墊板復(fù)合材料層壓板不同鋪層方式以及不同材料間的釘拉脫性能和不含金屬墊板復(fù)合材料層壓板的釘拉脫性能具有相似的規(guī)律。從圖中可以看出，鋪層比例為(40/50/10)的試樣釘拉脫失效載荷最高，且含金屬墊板玻璃布織物層壓板釘拉脫性能高于芳綸織物層壓板。

圖6 金屬墊板對(duì)釘拉脫失效載荷影響對(duì)比

從含金屬墊板與不含金屬墊板復(fù)合材料層壓板釘拉脫性能的結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，含金屬墊板可大幅提升復(fù)合材料層壓板的面外拉脫性能，其比不含金屬墊板復(fù)合材料層壓板釘拉脫性能高30%以上。原因在于，金屬墊板的存在增加了復(fù)合材料層壓板的面外剛度，在承受面外拉脫載荷時(shí)，具有更強(qiáng)的抵抗能力。

4 結(jié) 論

本文通過試驗(yàn)，研究了不同鋪層方式、不同材料以及是否含金屬墊板對(duì)復(fù)合材料層壓板面外釘拉脫性能的影響，獲得以下結(jié)論：

(1)對(duì)于單纖維單向增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板，當(dāng)鋪層比例為(40/50/10)時(shí)具有較高的面外釘拉脫性能，其比其他常見鋪層比例復(fù)合材料層壓板釘拉脫性能高10%左右。

(2)對(duì)于芳綸織物和玻璃布織物，玻璃布織物復(fù)合材料層壓板具有更好的面外性能。

(3)含金屬墊板的復(fù)合材料層壓板具有更高的面外拉脫性能，增加金屬墊板可提升復(fù)合材料層壓板面外拉脫性能達(dá)30%。