纖維增強(qiáng)復(fù)合材料螺栓連接破壞模式與破壞荷載試驗(yàn)研究

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料螺栓連接破壞模式與破壞荷載試驗(yàn)研究

由于其材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度很高，抗疲勞、抗腐蝕和材料性能的優(yōu)點(diǎn)，以及各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，越來(lái)越受到重視。為了利用復(fù)合材料制造大型承力結(jié)構(gòu),復(fù)合材料構(gòu)件之間、復(fù)合材料構(gòu)件與金屬構(gòu)件之間的連接不可避免,其中機(jī)械連接是目前比較重要的一種連接形式。根據(jù)前人的大量研究成果,普遍認(rèn)為復(fù)合材料機(jī)械連接的承載力隨接頭幾何尺寸的增加而增大,接頭的破壞模式由拉伸、剪切或劈裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榭走吘植繑D壓破壞,并且承載力最終將趨于穩(wěn)定。一般而言,單釘連接取W/D≥5(板寬/孔徑)、E/D≥3(端距/孔徑)、孔心距板邊至少2~2.5倍孔徑時(shí),復(fù)合材料接頭只會(huì)發(fā)生孔邊局部擠壓破壞,并在此基礎(chǔ)上確定了多釘連接時(shí)復(fù)合材料接頭幾何尺寸的設(shè)計(jì)要求,認(rèn)為在滿足表1的前提下,接頭不會(huì)發(fā)生拉斷、剪切或劈裂等破壞形式。但是上述結(jié)論主要是針對(duì)航空航天領(lǐng)域中廣泛使用的、對(duì)纖維鋪層有具體要求的層合板結(jié)構(gòu)開(kāi)展研究后所得到的。此類(lèi)層合板一般采用手糊或模壓成型,接頭部分纖維走向和鋪層比例可以根據(jù)接頭受力特點(diǎn)單獨(dú)設(shè)計(jì),一般由0°、±45°和90°這4種纖維鋪層方向組成,推薦的連接區(qū)各方向纖維鋪層含量范圍為:±45°層≥40%,0°層≥30%,90°層=10%~20%。除航空航天領(lǐng)域之外,復(fù)合材料構(gòu)件在土木工程承重結(jié)構(gòu)中的使用也逐步廣泛,并且多采用機(jī)械連接方式進(jìn)行構(gòu)件間的連接,如SwissAlps附近的PontresinaBridge復(fù)合材料人行桁架橋,橋梁桁架結(jié)構(gòu)采用拉擠型材制作,共2跨,每跨長(zhǎng)12.5m,高1.48m,其中一跨采用螺栓連接,另一跨采用雙組分環(huán)氧樹(shù)脂膠膠接,已安全使用多年;丹麥Koldingbridge復(fù)合材料橋,橋的支撐系統(tǒng)為拉擠型材桁架,節(jié)點(diǎn)采用螺栓連接,整橋可承受5噸重輪式荷載;美國(guó)MotherwellBridgeCompositeStructures公司曾制造復(fù)合材料拉擠型材屋頂桁架結(jié)構(gòu),構(gòu)件端部補(bǔ)強(qiáng)并采用螺栓進(jìn)行連接。但是,土木工程中所使用的復(fù)合材料與航空航天領(lǐng)域中使用的復(fù)合材料不完全一樣。一般而言,土木工程中使用的復(fù)合材料其纖維走向比較單一,主要以構(gòu)件長(zhǎng)度方向?yàn)橹?材料性能在縱橫向差異較大,同時(shí)構(gòu)件接頭部分的纖維走向也無(wú)法進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)和制造。此類(lèi)構(gòu)件進(jìn)行梁體接長(zhǎng)和梁柱固接時(shí),接頭部分將受到扭矩作用,所以其構(gòu)件的機(jī)械連接接頭及接點(diǎn)板不僅需要在材料強(qiáng)方向傳力,而且也需要在材料弱方向傳力。復(fù)合材料的力學(xué)性能主要由纖維走向決定。順纖維方向或材料強(qiáng)方向受力時(shí),即便W/D≤5,一般也不會(huì)發(fā)生孔邊拉斷破壞,且隨著E/D的增大,破壞荷載將趨于穩(wěn)定;但是橫纖維方向或材料弱方向受力時(shí),即便W/D取值較大,連接處也可能發(fā)生拉斷破壞,對(duì)結(jié)構(gòu)安全威脅較大。因此,對(duì)此類(lèi)復(fù)合材料機(jī)械連接中材料弱方向受力的破壞模式及破壞荷載進(jìn)行研究具有重要意義。1無(wú)堿玻璃布/環(huán)氧酚醛層壓板材料特性分析為了研究復(fù)合材料機(jī)械連接接頭在材料弱方向受力時(shí)構(gòu)件的破壞模式與破壞荷載,以纖維雙向鋪設(shè),其中一方向強(qiáng)度遠(yuǎn)大于另一方向強(qiáng)度的玻璃布/環(huán)氧酚醛層壓板作為研究對(duì)象。材料以無(wú)堿玻璃布/環(huán)氧酚醛樹(shù)脂預(yù)浸料加熱模壓成型,具有良好的機(jī)械性能和加工性能。材料中各層玻璃布鋪設(shè)方向均一致,由于玻璃布經(jīng)緯向性能的差異造成了材料力學(xué)性能具有強(qiáng)弱方向。試驗(yàn)中以材料弱方向作為軸向受力方向,固定復(fù)合材料板E/D,以W/D作為變化參數(shù)設(shè)計(jì)了6組單螺栓連接的拉伸試驗(yàn),研究了接頭的破壞模式及破壞荷載,分析了W/D變化對(duì)它們的影響規(guī)律。1.1試件的制作和制作試驗(yàn)中復(fù)合材料機(jī)械連接試件采用單螺栓雙搭接形式,試件樣式如圖1所示,其中復(fù)合材料制作單板,鋼材制作雙板,所制作接頭中復(fù)合材料部分的幾何參數(shù)表達(dá)參見(jiàn)圖2。根據(jù)材料性能試驗(yàn)確定的復(fù)合材料性能參數(shù)見(jiàn)表2。試件制作時(shí)將復(fù)合材料的材料性能弱方向設(shè)計(jì)為接頭軸向受力方向。此外,復(fù)合材料的材料泊松比取0.17。試件中復(fù)合材料板長(zhǎng)度L=200mm,厚度t=10mm,連接螺栓孔直徑D=10mm,位于試件長(zhǎng)度方向的中心線上。由于連接接頭的拉斷破壞主要由W/D控制,為考察W/D變化對(duì)其機(jī)械連接破壞模式及破壞荷載的影響,在遵循以往復(fù)合材料機(jī)械連接接頭設(shè)計(jì)尺寸要求基礎(chǔ)上,取E=45mm,即固定E/D=4.5,并取W=40、70、120、150、170和200,即W/D=4、7、12、15、17和20。每組試件制作3件,共6組18個(gè)試件,試件編號(hào)見(jiàn)表3,試件上的螺栓擰緊力矩取25Nm。參考相關(guān)文獻(xiàn)中的試驗(yàn)設(shè)計(jì),使用30t萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件緩慢勻速施加豎向拉伸荷載直至其破壞,記錄試件破壞荷載及破壞模式并拍照,試驗(yàn)加載速率控制在2mm/min左右。試驗(yàn)中由于復(fù)合材料在夾具上不易直接夾持固定,設(shè)計(jì)了輔助夾具及加載方式,具體輔助夾具設(shè)計(jì)及加載方式見(jiàn)圖3。1.2接頭破壞應(yīng)力試驗(yàn)中試件的破壞荷載及破壞應(yīng)力統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4、5。試件破壞模式一致,均為復(fù)合材料孔邊拉斷,具體可參見(jiàn)圖4。表4中接頭破壞應(yīng)力定義為:σ=Pmax/Wt,其中,Pmax為破壞荷載,W為破壞處凈板寬,t為板厚。試驗(yàn)中試件破壞時(shí),均是發(fā)出“啪”的響聲,同時(shí)在復(fù)合材料板孔邊瞬間被拉斷。2試驗(yàn)結(jié)果的分析2.1復(fù)合材料孔邊破壞形式從表4、5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)現(xiàn)象可知,在E/D=4.5的前提下,隨著W/D的增大,試件均是在復(fù)合材料孔邊被拉斷,并沒(méi)有其它破壞形式的出現(xiàn)。另外,隨著W/D的增大,此類(lèi)復(fù)合材料機(jī)械連接的破壞荷載逐漸增大,但當(dāng)W/D≥7之后破壞荷載的發(fā)展趨勢(shì)及數(shù)值基本趨于穩(wěn)定,同時(shí)接頭破壞應(yīng)力一直都呈下降趨勢(shì),破壞荷載趨向穩(wěn)定,而板寬繼續(xù)增大,破壞應(yīng)力必然下降(參見(jiàn)圖5、6)。2.2基于anasis的孔邊應(yīng)力模型按照試驗(yàn)中對(duì)試件的約束條件和得到的破壞荷載,采用ANSYS對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬中可簡(jiǎn)化分析模型,只建立機(jī)械連接中復(fù)合材料部分。復(fù)合材料由于沒(méi)有復(fù)雜的鋪層結(jié)構(gòu),可以將其看作整體,簡(jiǎn)化為各向異性材料,采用Solid64單元建模。軸向拉伸荷載所引起的螺栓對(duì)接頭孔邊的擠壓作用可簡(jiǎn)化為孔邊的余弦分布荷載,利用ANSYS中的函數(shù)功能將孔邊余弦分布荷載施加在模型的孔邊。模型的位移邊界條件可設(shè)置為將其遠(yuǎn)離螺栓孔那一端的所有節(jié)點(diǎn)自由度全約束。各組試件在其各自平均破壞荷載作用下,復(fù)合材料板孔邊應(yīng)力分布如圖7所示。從復(fù)合材料板孔邊應(yīng)力的分布可以看出在孔邊有明顯的拉應(yīng)力集中,應(yīng)力集中區(qū)域與接頭破壞位置相同,且在W/D≥7以后,孔邊應(yīng)力分布趨于一致。2.3拉伸應(yīng)力分析由于復(fù)合材料是一種彈脆性材料,不像金屬材料那樣具有明顯的塑性階段,因此,應(yīng)力集中對(duì)復(fù)合材料開(kāi)孔處的影響更加明顯。根據(jù)ANSYS分析結(jié)果,各組試件復(fù)合材料斷裂處從孔邊至板邊緣(設(shè)其長(zhǎng)度為L(zhǎng)h)的拉伸應(yīng)力變化趨勢(shì)如圖8所示。由于各組復(fù)合材料試件板寬不一致,且在距孔邊2mm以后,拉伸應(yīng)力變化均趨于平穩(wěn)均勻,為便于對(duì)比,各組試件斷裂處的拉伸應(yīng)力均只取到距孔邊15mm處為止。從圖8可以看出,復(fù)合材料板斷裂處從孔邊開(kāi)始至2mm處拉伸應(yīng)力變化極為劇烈,且在距孔邊1.5mm以后拉伸應(yīng)力均低于材料拉伸破壞強(qiáng)度。根據(jù)最大應(yīng)力破壞準(zhǔn)則,當(dāng)復(fù)合材料孔邊的拉伸應(yīng)力達(dá)到材料極限狀態(tài)時(shí)即可判定材料破壞。此處由于應(yīng)力集中的影響,復(fù)合材料孔邊首先達(dá)到材料的拉伸破壞強(qiáng)度而破壞。同時(shí)由于復(fù)合材料的脆性,一點(diǎn)破壞即可迅速發(fā)展導(dǎo)致孔邊整體拉斷。試驗(yàn)中觀察到的試驗(yàn)現(xiàn)象亦印證了這一點(diǎn),當(dāng)接頭復(fù)合材料板孔邊出現(xiàn)裂紋后,裂紋急速向兩邊擴(kuò)展,復(fù)合材料在孔邊瞬間斷裂。3結(jié)構(gòu)機(jī)械連接設(shè)計(jì)分析本文用試驗(yàn)手段初步研究了材料縱橫向性能差異較大的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械連接中,材料弱方向受拉力作用時(shí)的破壞荷載、破壞模式與連接接頭幾何尺寸之間的關(guān)系。對(duì)于縱橫向性能差異較大的復(fù)合材料,如果荷載作用于材料性能較弱的方向,由于復(fù)合材料的彈脆性力學(xué)特點(diǎn)、孔邊嚴(yán)重的應(yīng)力集中以及孔邊應(yīng)