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螺栓拧 紧力矩对复合材料连接强度影响试验研究

复合材料是20世纪60年代崛 起的一大类新型材料,其强度高、刚度大、质量轻、并具有抗疲劳、减振、耐高温、可设计等一系列优点,一经问 世就显示了强大的生命力。目前先 进复合材料在航空航天、能源、交通、建筑、生物、医疗等 领域中获得了广泛的应用。

  先进复 合材料与金属材料相比具有比强度和比模量高、性能可 设计和易于整体成形等许多优异特性,将其用于飞机结构上,可比常 规的金属结构减重25%~30%。因此,航空航 天及各种领域的结构设计中越来越多的采用复合材料结构,特别在民用航空领域,波音787飞机的 复合材料用量已达50%,最新研制的空客A350飞机复 合材料用量将超过50%。

  由于复 合材料成型工艺技术水平的限制和复合材料构件不可避免要与金属零部件相连接,在复合 材料结构上仍存在大量的连接问题,且由于 复合材料的特殊性,其连接 分析很大程度上依赖试验研究。而螺栓 拧紧力矩是影响复合材料连接强度的因素之一,该文给 出了同种铺层碳纤维复合材料在不同拧紧力矩情况下的连接破坏载荷,可以为 复合材料拧紧力矩标准制定提供依据。

  1 试验类型和试验条件

  2 试验结果与分析

  (1)双剪连接情况下,随着拧紧力矩的增大,最终破 坏载荷逐渐增大,直到拧紧力矩达到8 Nm时,接头强度减小。而4%变形载 荷随着拧紧力矩的增大呈下降趋势。

  (2)单剪连接情况下,随着拧紧力矩的增大,最终破 坏载荷也逐渐增大,表现出 了跟双剪连接同样的趋势。

  (3)比较双 剪和单剪连接情况下同样螺栓拧紧力矩的4%变形载荷,双剪连 接比单剪连接载荷小。

  (4)比较双 剪和单剪连接情况下同样螺栓拧紧力矩的破坏载荷,紧固件为2 Nm拧紧力矩时,双剪连 接比单剪连接载荷增大了8.7%;紧固件为4 Nm拧紧力矩时,双剪连 接比单剪连接载荷减小了7.8%。

  (5)双剪搭 接试验件的失效模式主要为中间板孔边挤压失效,单剪搭 接试验件在下层压板孔边发生挤压失效,并且2 Nm拧紧力 矩时螺栓杆发生弯曲,4 Nm时螺栓 杆发生剪切失效。

  3 结论

  连接形 式和紧固件形式一致,仅拧紧 力矩不同的情况下,随着拧紧力矩的增大,最终破 坏载荷逐渐增大,但存在一个极值,超过极值后,随着拧 紧力矩增大破坏载荷反而会降低。

  双剪和 单剪连接情况下同样螺栓拧紧力矩的4%变形载荷,双剪连 接比单剪连接载荷小;双剪和 单剪连接情况下同样螺栓拧紧力矩的破坏载荷,紧固件为2 Nm拧紧力矩时,双剪连 接比单剪连接载荷大,紧固件为4 Nm拧紧力矩时,双剪连 接比单剪连接载荷小;双剪搭 接试验件的失效模式主要为中间板孔边挤压失效,单剪搭 接试验件在下层压板孔边发生挤压失效,并且2 Nm拧紧力 矩时螺栓杆发生弯曲,4 Nm时螺栓 杆发生剪切失效。

  以上数 据仅得出了部分连接情况下拧紧力矩对连接强度的影响,后续将 开展更多的此方面研究,得到更多的数据,用以进 行螺栓拧紧力矩方面的研究。
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