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含脱层复合材料连接件的挤压强度试验研究

来源: 作者: 点击:时间:2015-01-21
   近20年来,已有许多关于复合材料连接件研究成果发表[1~12 ],但大多采用经验或半经验的方法,因而对特殊问题的连接件的设计,很大程度上依赖于试验研究。复合材料结构设计除了要考虑外载因素之外,还要考虑环境因素,从70年代就开始了对湿热环境下复合材料的研究[11, 12 ].脱层是复合材料层板结构中的主要缺陷形式之一,它的存在会造成脱层的局部屈曲和扩展,从而使结构的强度和刚度大为降低。含脱层的复合材料连接件的研究目前尚未引起足够的重视。

  本工作用人工模拟方法制造脱层,针对典型的两种厚度和铺层不同的复合材料螺栓连接件,先进行静强度试验,探讨脱层的存在对连接件的静强度、静载作用下刚度的影响,定义了局部失稳载荷探讨了脱层尺寸对局部失稳载荷的影响其次进行疲劳强度试验,探讨脱层尺寸对疲劳寿命和剩余强度的影响最后对连接件进行高温环境试验,探讨脱层在男36岁讲师博士19991011收到初稿20000收到修改稿典型的高温湿热环境下对强度和刚度的影响。这一研究可为飞机结构中的连接件强度设计和进一步制定连接件工程损伤控制标准提供依据。

  2试件类型和试验条件2. 1试件类型试件为由复合材料T300 /QY8911制成的层板结构,经机械加工成66mm×30mm的板条,采用拉伸型挤压试件,试件平面尺寸见图1.采用螺钉连接,连接孔直径为5mm.将试件分A、B两类, A类0. 12mm.A、B两类试件按有无脱层和脱层大小细分为A1~A3, B1~B3,。脱层为圆形,采用聚四氟乙烯薄膜(厚度0. 02~0. 04mm)插铺方法制造人工模拟脱层缺陷。A类试件脱层在3~4层间, B类试件脱层在5~6层间。

  试件分钢钉连接和钛钉连接两种,表1除A1、静力试验各用3个试件为钛钉连接外,其余全是钢钉连接。钛钉试件背部螺钉比钢钉试件少装一个垫片。

  机械工程材料试件种类脱层直径/mm静力件数疲劳件数湿热件数2. 2试件装配用双剪连接,将螺钉把加载板与复合材料试件装配在一起,拧紧力矩为3. 43Nm.对有分层的试件,分层接近外表面且前后对称。

  2. 3试验设备用M T S810. 13材料试验机,经载荷控制加载,加载速度为245N /s.直接将加载板夹在试验机夹头上。采用瑞士多点应变仪,测量应变值,应变片的布置见图2.

  3静力试验结果与分析试验在室温干燥条件下进行,选A1、A2、A3钢钉试件各一个加载至破坏,测量PΔ曲线对其余试件逐级加载至破坏,测量应变值。

  A、B两类试件都是复合材料孔边发生挤压破坏,因B类试件较厚, B类试件上的螺钉在破坏前明显变弯,并有试件破坏时至少一个被剪断。

  最大挤压强度用下式计算:式中P为挤压孔破坏最大载荷,t是试件厚度, d为挤压孔的直径试件种类钢钉e钛钉e数据表明, A类钢钉试件中A2与A1, A3与A2相差均小于3 对A类钛钉试件A2与A1相差也小于3 对B类试件B3与B2相差也小于与相差稍大,接近6 ,这是试件制造具有的分散性所致,所以认为脱层缺陷的存在对最大挤压强度影响不大。

  类钢钉的挤压强度要小8~9 ,这是因为钛钉试件背部螺钉少装一个垫片,试件装配较不紧密,因而强度较低。

  另外从所测的应变值来看, A类试件2点的应变值X或6点的应变值X开始是负值应变,其绝对值起初随着载荷的增加而增大,到达某一临界值后,开始随载荷增大而减小,最后甚至成为正值应变。这种现象表明, 2点或6点之处的材料在螺钉的挤压作用下,发生局部失稳而鼓起。B类试件也有类似现象,但仅表现为负值应变的绝对值减小,并没有产生正应变,而且在发生局部失稳之后,负值应变的绝对值紧接着又迅速增加。典型的含脱层试件的载荷应变曲线见图3、图4.

  根据以上现象,将载荷应变曲线Pε上的ε)单调性变化所对应的载荷定义为失稳载荷(如果应变值ε或ε均发生单调性改变,则取两个临界点最小的一个) ,来分析脱层对局部失稳的影响作用。表3是A、B类试件的局部失稳载荷。

  数据表明, A类钢钉的A1中没有发生局部失稳, A2与A3的局部失稳载荷分别为它们相应的最大破坏载荷的51和47 ,它们之间的比值为1∶0. 89 A类钛钉的A1类试件没有出现局部失稳,发生局部失稳试件的失稳载荷为最大破坏载荷的7 3 , A 2类局部失稳载荷为其最大破坏载荷的李跃宇:含脱层复合材料连接件的挤压强度试验研究曲线试件种类失稳载荷(钢钉)失稳载荷(钛钉)2点或6点49 , A1和A2的局部失稳载荷之比为1∶0. 68对类试件而言, B1类没有发生局部失稳, B2和B3各有一个没有发生局部失稳,发生局部失稳试件的失稳载荷分别为它们相应的最大破坏载荷的54和44 ,它们之间的比值为1∶0. 80.

  刚度方面,采用PX曲线上的初始直线段的斜率作为刚度指标。对A类试件,取应变值为1点应变和5点应变的平均值,即ε= (ε类试5.经计算, A类钢钉试件A1、A2、A3之间的刚度比为1∶0. 85∶0. 80 A类钛钉试件A1、之间的刚度比为1∶0. 88, B类试件B1、B2、B3之间的刚度差别很小。另外,从所测得的三条PΔ曲线来看,如果类似的把初始直线段的斜率作为刚度指标,则可得出A类钢钉试件A1、A2、A3之间的4疲劳试验结果与分析在室温干燥条件下,取无缺陷/损伤平均破坏载荷的70作为最大峰值载荷,其R= 0. 1,进行等幅试验,加载频率为7Hz.试验进行到100, 000次为止,对没有疲劳破坏的试件,再进行剩余强度试验,逐级加载至破坏。

  试件破坏形式与静力破坏类似,但破坏时螺钉明显变弯。疲劳破坏试验结果见表4.

  试件疲劳破坏循环次数N或剩余强度值疲劳破坏将表4的数据求出平均疲劳寿命N (做到100,000个循环未疲劳破坏的,N取100, 000) ,令式中为脱层直径, N为无脱层疲劳寿命。Y随X变化的函数曲线见图5.可见脱层直径越大,疲劳寿命越短, A3类试件( D= 20mm)的疲劳寿命比A1类大约降低了33.另外,从表2、表4还可知, A1类平均剩余强度比其平均静强度约大3 ,如果考虑到材料制造和试验数据的分散性,至少可以说,无脱层试件的剩余强度并没有多少降低 A2类未发生疲劳破坏的两个试件的平均剩余强度与A2平均静强度相比,大约降低了10 A3类未发生疲劳破坏的一个试件的剩余强度与类平均静强相比,大约降低了4.

  无脱层试件的剩余强度下降不多是因为循环载荷降低了挤压孔附近的应力集中。对于有脱层的情形,循环载荷使得损伤不断积累,脱层较容易发生扩展,剩余强度就有较大的降低。

  由静力试验和疲劳试验的结果可知,由于局部李跃宇:含脱层复合材料连接件的挤压强度试验研究失稳载荷明显与孔口附近材料的局部损伤相联系,所以失稳载荷随脱层直径的增大而减小就表明脱层尺寸越大,同样的载荷所造成的连接件孔口处的局部损伤也越大,不过由于足够大的拧紧力矩所产生的螺钉侧向约束作用,脱层难以扩展,这就是静强度对脱层尺寸不敏感的原因。在循环载荷作用下,脱层得以较容易地扩展,从而大大降低了连接件的强度。

  5湿热环境试验结果与分析为湿热环境下连接件试验做的环境箱为立方体形状,环境箱尺寸14cm×16cm×10cm,箱壁上包着隔热材料。试验中,试件连同加载板放入箱内。环境箱的上下各开了一个长方形小孔,尺寸与加载板的截面尺寸大致相同,使上下加载板可以露出箱体,并直接夹在试验机的夹头上。箱体的正面还有两个小孔,一个是温度计的插孔,另一个是加热吹风孔。

  试验中用普通家用吹风机作为加热器,规定温度控制在125±3°C范围内。规定试件的吸湿量为1.先用水煮法使试件吸湿,用天平测定试件在吸湿前后的质量差来保证达到规定的吸湿量,再将试件进行装配。

  试验时,环境箱直接放在试验机的底座上。在加载以前,用吹风机加温至125°C,保持5min,使环境箱内温度均衡,再进行加载。在加载的过程中,用吹风机把温度一直控制在125±3°C范围内。

  按式( 1)所求的各类试件的平均挤压强度见表5.可知, A2与A1、A3与A2平均破坏载荷相差分别在4和6范围内,说明在湿热环境下,脱层对挤压强度影响不大。

  试件由表2、表5可知,湿热环境下的强度比静强度有明显的下降, A1、A2、A3平均破坏载荷分别比其刚度方面,由所测得的A1、A2、A3的PΔ曲线可知,脱层对直线刚度影响不大,但湿热环境下的刚度比常温干燥环境下的刚度有明显降低, A1、A2、A3的PΔ曲线上的直线段的平均斜率比静强度试验中的刚度分别降低了29、21、22左右,而且湿热环境下的曲线较早地进入非线性。典型的含脱层试件的曲线见图6.

  6结论( 1)脱层对连接件最大挤压强度影响不大,但对孔口局部失稳载荷有较大的影响,脱层直径越大,失稳载荷越低,失稳载荷与相应的最大挤压破坏载荷之比值也越小。

  ( 2)对层板厚度较小、含浅部脱层的连接件,有明显的刚度降层板厚度较大的连接件,则没有明显的刚度降。

  ( 3)脱层对疲劳强度有较大的影响,脱层直径越大,疲劳强度越低。

  ( 4)湿热环境下连接件的强度和刚度都有很大程度的降低。

  3中国航空研究院编。复合材料连接手册。北京:航空工4薛克兴,周瑾。复合材料结构连接件设计与强度。北李跃宇:含脱层复合材料连接件的挤压强度试验研究( b)碳化物衍射斑花样及标定微细碳化物及衍射斑花样认为碳化物与的晶体类型不同,应C)型碳化物[2, 3 ].有文献指出,高碳钢低温回火初期析出的η型碳化物尺寸细小约为2×,这与深冷处理过程析出的碳化物尺寸相当,而ε碳化物的尺寸在16nm [4 ],远较η型碳化物的颗粒大,故认为沿孪晶带分布的微细碳化物应属η型碳化物。η型碳化物的析出应是在深冷处理的第三阶段即回升温度阶段,因该阶段的温差约°C.

  4 T12A钢制丝锥的深冷处理寿命考核M 9丝锥经深冷处理后与未深冷处理的同类丝锥对比,结果深冷处理的丝锥使用寿命提高200 ,未发生脆断等早期失效现象,说明丝锥的强韧性能提高了。

  ( 1)孪晶马氏体在深冷处理过程中有η型碳化物沉淀析出。

  ( 2)η型碳化物的直径约为3~5nm,分布在马氏体的孪晶带上。

  ( 3)深冷处理用于碳工钢制小型刃具可提高其使用寿命。

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