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螺栓擰緊力矩對複合材料連接強度影響試驗研究

複合材料是20世紀60年代崛起的一大類新型材料,其強度高、剛度大、質量輕、并具有抗疲勞、減振、耐高溫、可設計等一系列優點,一經問世就顯示了強大的生命力。目前先進複合材料在航空航天、能源、交通、建築、生物、醫療等領域中獲得了廣泛的應用。

  先進複合材料與金屬材料相比具有比強度和比模量高、性能可設計和易于整體成形等許多優異特性,将其用于飛機結構上,可比常規的金屬結構減重25%~30%。因此,航空航天及各種領域的結構設計中越來越多的采用複合材料結構,特别在民用航空領域,波音787飛機的複合材料用量已達50%,最新研制的空客A350飛機複合材料用量将超過50%。

  由于複合材料成型工藝技術水平的限制和複合材料構件不可避免要與金屬零部件相連接,在複合材料結構上仍存在大量的連接問題,且由于複合材料的特殊性,其連接分析很大程度上依賴試驗研究。而螺栓擰緊力矩是影響複合材料連接強度的因素之一,該文給出了同種鋪層碳纖維複合材料在不同擰緊力矩情況下的連接破壞載荷,可以為複合材料擰緊力矩标準制定提供依據。

  1 試驗類型和試驗條件

  2 試驗結果與分析

  (1)雙剪連接情況下,随着擰緊力矩的增大,最終破壞載荷逐漸增大,直到擰緊力矩達到8 N・m時,接頭強度減小。而4%變形載荷随着擰緊力矩的增大呈下降趨勢。

  (2)單剪連接情況下,随着擰緊力矩的增大,最終破壞載荷也逐漸增大,表現出了跟雙剪連接同樣的趨勢。

  (3)比較雙剪和單剪連接情況下同樣螺栓擰緊力矩的4%變形載荷,雙剪連接比單剪連接載荷小。

  (4)比較雙剪和單剪連接情況下同樣螺栓擰緊力矩的破壞載荷,緊固件為2 N・m擰緊力矩時,雙剪連接比單剪連接載荷增大了8.7%;緊固件為4 N・m擰緊力矩時,雙剪連接比單剪連接載荷減小了7.8%。

  (5)雙剪搭接試驗件的失效模式主要為中間闆孔邊擠壓失效,單剪搭接試驗件在下層壓闆孔邊發生擠壓失效,并且2 N・m擰緊力矩時螺栓杆發生彎曲,4 N・m時螺栓杆發生剪切失效。

  3 結論

  連接形式和緊固件形式一緻,僅擰緊力矩不同的情況下,随着擰緊力矩的增大,最終破壞載荷逐漸增大,但存在一個極值,超過極值後,随着擰緊力矩增大破壞載荷反而會降低。

  雙剪和單剪連接情況下同樣螺栓擰緊力矩的4%變形載荷,雙剪連接比單剪連接載荷小;雙剪和單剪連接情況下同樣螺栓擰緊力矩的破壞載荷,緊固件為2 N・m擰緊力矩時,雙剪連接比單剪連接載荷大,緊固件為4 N・m擰緊力矩時,雙剪連接比單剪連接載荷小;雙剪搭接試驗件的失效模式主要為中間闆孔邊擠壓失效,單剪搭接試驗件在下層壓闆孔邊發生擠壓失效,并且2 N・m擰緊力矩時螺栓杆發生彎曲,4 N・m時螺栓杆發生剪切失效。

  以上數據僅得出了部分連接情況下擰緊力矩對連接強度的影響,後續将開展更多的此方面研究,得到更多的數據,用以進行螺栓擰緊力矩方面的研究。
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