复合材料螺栓单钉连接性能实验研究

复合材料螺栓单钉连接性能实验研究 第1章绪论薄弱环节，受载时首先破坏。 所以，对于纤维增强复合材料层压板螺栓连接的连接强度和失效模式进行研究是十分必要的。 影响纤维增强复合材料层压板螺栓的连接强度和失效模式的因素有很多，主要有增强纤维的铺层设计、连接部位的几何参数、螺栓预紧力矩、连接形式、装配问隙、螺栓的材质、湿热环境和化学介质、垫片、应力集中、荷载频谱等【71。 在诸多的影响因素中，尤以几何参数、增强纤维的铺层设计以及预紧力矩对螺栓连接强度的影响最大，本文主要针对后两项因素进行设计研究。 复合材料层压板螺栓连接部位的几何尺寸参数是影响复合材料结构连接强度的主要因素，它直接影响着结构的受载破坏形式和失效荷载的大小。 其主要几何参数包括孔径(动、列(间)距(曲、板宽(聊、边距(Sw)、端距(e)、行距佃)及层压板厚度(幻。 如图11所示。 =h_J事t图11复合材料螺栓连接几何尺寸复合材料层压板的螺栓连接形式，按有无搭接板来分，可以分为对接和搭接两类，按照受力形式可分为单剪和双剪两类，其中每类又分为等厚度和变厚度两种情况，如图哈尔滨工程人学硕士学位论文12所示。 单剪搭接单剪斜削搭接单剪对接=Ii旷l曝i。 i。 j单剪斜存l对揍单剪斜荔l对接I卜l双势察削搭接双剪对接双剪斜副对搂图12复合材料螺栓连接形式拉伸破坏挤压破坏。 剪切破坏拉劈破坏拉脱破坏紧固件破坏图13螺栓连接单一型破坏模式4第1章绪论复合材料层压板螺栓连接的破坏模式有单一型和组合型两类【8】o单一型破坏模式有层压板的拉伸破坏、剪切破坏、挤压破坏、拉脱破坏、拉劈破坏以及紧固件的拉伸和剪切破坏等，如图13所示。 组合型破坏模式为两种或两种以上单一型破坏模式同时发生而产生的破坏形态，例如拉伸一剪切(或破裂)、挤压一剪切、挤压一拉伸和挤压一拉伸一剪切等，如图14所【61。 控悻一剪切捞压一剪餐轿压一拉弹簧题一控弹剪坊图14螺栓连接组合型破坏模式在所有的破坏模式中，挤压型破坏是发生在材料局部的破坏模式，这种破坏模式一般不会引起复合材料层压板结构的整体灾难性破坏。 是复合材料层压板结构设计中偏安全的破坏模式，因此，要通过合理的设计，使复合材料层压板螺栓连接产生挤压型破坏或与挤压型破坏有关的破坏模式【6l。 13课题研究目标和意义系统学习复合材料制造工艺以及螺栓连接强度理论分析方法等知识，大量阅读复合材料螺栓连接强度相关的文献资料，针对工程中常用的玻璃纤维复合材料的制作工艺和其螺栓连接强度进行实验研究与探索，主要研究目标和意义为 (1)用VARI工艺制作复合材料层压板，通过实际操作，对VARI212艺的树脂配合比、流道设计、固化要求等技术细节进行研究，提出了改进方法，使其操作更加简便，制品质量更高，有效提高复合材料的制造效率和产品的质量； (2)通过实验对比研究，分析0。 和90。 混合铺层的铺层比例对复合材料层压板+哈尔滨工程大学硕士学位论文螺栓连接强度及破坏模式的影响规律，并得到最佳的铺层比例； (3)通过实验对比研究，分析0。 、45。 和90。 混合铺层的铺层比例对复合材料层压板螺栓连接强度及破坏模式的影响规律，并得到最佳的铺层比例； (4)通过大量的实验，得到在90。 铺层比例为10的情况下，应力集中减缓因子c随45。 铺层比例变化的曲线，简化强度计算方法，便于工程应用。 14复合材料螺栓连接的研究现状、随着复合材料在工程中的应用F1益广泛，对其性能的研究也越来越多。 在复合材料结构设计中，复合材料的连接部位是其薄弱环节，破坏也主要发生在连接部位，连接部位的设计和分析是复合材料结构设计中的重要内容，因此，针对复合材料连接的研究就显得尤为重要，而螺栓连接又是复合材料连接研究中的一个重要方面。 近些年来，复合材料的螺栓连接在连接强度、载荷分配、失效分析等方面的研究得到国内外许多学者的广泛关注。 影响纤维增强复合材料层压板螺栓的连接强度和失效模式的因素有很多，主要有几何参数、增强纤维的铺层设计、螺栓拧紧力矩(预应力)、连接形式、装配间隙、螺栓的材质、湿热环境和化学介质、垫片、应力集中、荷载频谱等91。 几何参数对复合材料螺栓连接强度和失效模式的影响。 Bul ent。 14】等通过实验研究发现开孔位置是影响复合材料螺栓连接强度的关键性因素，其影响主要体现在Wd(宽度孔径)和ed(端距孔径)的比值上，JWang、王花娟等选取不同的端距和边距，通过实验研究了玻璃纤维增强复合材料层压板惭蒯的比值对其螺栓连接强度的影响，实验表明材料破坏强度随着黝及eM的比值的增大而增大，当ed=3，Wd-4时，连接强度趋于稳定15-16】。 马毓等通过对比实验并结合有限元软件研究螺栓连接接头边距与孔径比的变化对连接破坏模式和强度的影响规律。 研究发现边距与孔径的比值不能阻止孔边拉断破坏，而且破坏荷载随比值的增大而趋于稳定【17】。 中国飞机强度研究所的谢鸣九用高精度位移传感器，对孔的变形量进行实时监控，研究连接几何尺寸和铺层等参数对复合材料层压板单钉机械连接的疲劳性能的影响。 得出在常用的几何尺寸范围内，端距和板宽对疲劳强度及连接剩余强度基本没有影响，而板厚的影响则比较明显。 顾亦磊等利用ABAQUS有限元软件，结合合理的失效准则，加入失效分析程序对层压板螺栓连接挤压强度进行分析。 提出合理的材料刚度退化方法模拟材料失效过程，给出了孔径与板厚度比对螺栓孔挤压强度的影响【18】。 增强纤维的铺层设计对复合材料螺栓连接强度和失效模式的影响。 在土木工程结构6第1章绪论中多用拉挤成型复合材料，往往只有0。 和90。 两种铺层。 在航空航天领域，多使用具有0。 、45。 、90。 铺层结构的复合材料。 复合材料的纤维铺层比例和铺层顺序对结构的强度有很大的影响。 马毓等通过实验研究了针对拉挤成型复合材料螺栓连接材料在顺纤维和横纤维受力情况下的破坏模式，研究得出，对于拉挤成型复合材料螺栓连接，在顺纤维方向受力时易发生剪切或劈裂破坏，横纤维方向受力时易发生拉断破坏，而且即使增大edL匕或Swd比也不能避免这几种破坏模式的发生，不会出现偏安全的局部挤压破坏模式。 同时接头破坏荷载随edL匕或Swd匕L的增大逐渐增大并最终趋于稳定20】。 中国飞机强度研究所的谢鸣九用高精度位移传感器，对孔的变形量进行实时监控，研究螺栓连接增强纤维铺层对复合材料层压板单钉机械连接的疲劳性能的影响。 得出当0。 层的比例不小于40的层压板的疲劳强度较高【19】。 Lesl ieN、顾亦磊的实验研究都表明了连续的同一纤维方向的铺层不利于提高螺栓连接强度，而不同纤维方向交替铺层则能有效提高螺栓连接强度20-22J。 复合材料层压板螺栓连接的不同纤维方向的铺层比例一般遵循如下原N-O。 铺层比例应大于25，+45。 铺层比例应大于40，90。 铺层比例应为10-20。 45。 的铺层比例大于40时能有效改变螺栓孔周边的应力分布，使其产生偏于安全的局部挤压破坏，提高复合材料层压板的螺栓强度，并且能有效减轻荷载方向变化对结构产生的不利影响【23-24。 螺栓拧紧力矩(预应力)对复合材料螺栓连接强度和失效模式的影响。 在复合材料层压板厚度方向上施加拧紧力矩能有效提高层压板的螺栓连接强度【引。 张永杰等利用ANSYS软件针对复合材料层压板预紧螺栓单板搭接和双板搭接两种形式，建立了全尺寸三维有限元模型，分析得出层压板孔边应力值随着螺栓预紧力的增加而降低。 连接形式对复合材料螺栓连接强度和失效模式的影响。 如前所述，按有无搭接板可分为对接和搭接两类，按照受力形式可分为单剪和双剪两类。 单剪连接由于作用力不在同一直线上，会产生偏心，使应力沿板厚度方向不均匀分布，降低了连接强度。 而且，板越厚，偏心影响越明显【6】。 同理，由于偏心的影响，单板搭接的孔边应力明显高于双板搭接的孔边应力【2引。 装配间隙对复合材料螺栓连接强度和失效模式的影响。 在实际工程中，螺栓与孔之间存在着一定装配间隙，间隙的大小对螺栓连接强度有一定的影响。 王花娟等通过选取不同的装配间隙进行实验，研究测试了装配间隙对GFE层压板螺栓连接强度的影响。 实验表明GFE层压板螺栓连接承载能力随装配间隙的减小而增加，当间隙 同样，Lanza、Kel ly的研究也得到相同的结论，较小的间隙对连接强度的增加是有益的，随着间隙的增加，连接强度开始下降27-28】。 7哈尔滨工程大学硕士学位论文湿度、温度和化学介质等环境条件对树脂基复合材料层压板的挤压强度有较大的影响。 潘文革等研究了湿热循环载荷对复合材料螺栓连接挤压强度和断纹剪切强度的影响，结果表明，湿热环境对复合材料螺栓连接强度有明显的影响，会使螺栓的拧紧力拒产生松弛，吸湿之后材料的连接性能退化严重【291。 TanerYi lmaz研究了短纤维增强PPS复合材料螺栓连接在化学介质腐蚀作用下的力学性能，实验表明化学介质是影响连接结构荷载强度的一个重要的环境因素【30】。 此外，一些学者还对其它因素对复合材料层压板螺栓连接强度的影响做了相关的研究。 王花娟等通过选取几组转速、进给量参数进行实验，研究了机加工工艺参数对GFE复合材料层压板孔微观形貌及螺栓连接强度的影响。 实验表明转速在200rmi nN2000rmi n时孔表面微观损伤较小，空面比较光滑；进给量对孔微观形貌的影响较转速小，进给量越小孔微观形貌越好【3。 同样转速较大和较小时的挤压强度也较高，而进给量对挤压强度则几乎没有影响。 姚熊亮等通过实验研究了复合材料层压板结构件的螺栓连接疲劳性能。 由实验数据分析表明弹簧垫圈的预紧作用可以延长复合材料层压板螺栓孔处的疲劳寿A【32】。 高宗战等通过对螺栓连接复合材料层压板建立了三维有限元模型。 通过计算分析得到，螺栓的材料参数对板的应力分布影响不大，板上最大应力都位于孔的右端稍偏下位置；螺栓连接复合材料板在相同的载荷作用下，板上最大等效应力值随螺栓的弹性模量的增大也相应增大【33】。 张桂江等利用ANSYS软件通过对复合材料螺栓连接结构进行三维有限元仿真分析及优化设计，表明通过改变复合材料层压板的结构几何参数和铺层顺序，可以有效减轻结构重量34l。 王佩艳等通过对复合材料层压板螺栓连接试件进行钉孔挤压试验，用统计分析的方法研究了复合材料层压板螺栓连接挤压强度的分散性规律。 实验研究表明，复合材料层压板螺栓连接挤压强度分散性规律可以用威布尔分布、正态分布以及对数正态分布三种模型模拟，其中威布尔分布拟合效果最好，其次是正态分布13引。 另外，还有一些学者通过有限元软件对复合材料层压板螺栓连接进行三维建模仿真研究，分析其性能，通过与实验结果的对比得到有限元软件可以解决一些实际工程问题【36421。 15主要研究内容本文主要利用VARI工艺制作复合材料试件，通过拉伸实验对比，研究复合材料层压板在特定的、工程中常用的几何参数、预紧力、温湿度等条件下，铺层角度设计对单钉连接强度的影响，主要内容如下 (1)学习VARI工艺的制作流程，利用VARI工艺制作拉伸实验所用的试件，并通第1章绪论过实际操作对VARI工艺的细节进行改进，提高制作效率和试件的质量； (2)通过实验研究0。 和90。 单一纤维方向铺层复合材料单螺栓连接的破坏强度和破坏模式，并对比研究二者的不同 (3)通过实验研究0。 和90。 混合铺层复合材料单螺栓连接的破坏强度和破坏模式，并对比分析其与但一纤维铺层的不同，以及混合铺层对复合材料层压板的破坏强度和破坏模式的影响； (4)通过实验研究0。 、-t-45。 和90。 混合铺层复合材料层压板单螺栓连接的破坏强度和破坏模式，并分析加入-t-45。 铺层后对复合材料层压板的破坏强度和破坏模式的影响； (5)通过大量的实验，得到在90。 铺层比例为10的情况下，应力集中减缓因子C随45。 层比例变化的曲线。 9哈尔滨工程大学硕士学位论文第2章复合材料螺栓单钉连接的强度分析复合材料结构机械连接的静力分析一般包括以下三方面内容61(如图21) (1)由己知结构的总体荷载计算得到机械连接部位所受荷载； (2)由连接部位受载情况得到各个钉处的挤压荷载和旁路荷载； (3)计算得到钉孔区域的应力。 利用复合材料的失效准则和特征曲线评定机械连接的强度，或者利用半经验破坏包线评定机械连接的强度。 厂图2。 1机械连接失效分析步骤21复合材料机械连接的钉载分配分析确定复合材料机械连接荷载分配的方法主要有经典的刚度法和有限元法。 经典刚度法比较简单，适用于钉排列规则的机械连接；有限元法在分析复杂形式的机械连接时效率高。 复合材料的机械连接与金属有两个不同的特点，在分析时应特别注意 (1)复合材料层压板的刚度和强度与荷载方向有关； (2)复合材料层压板几乎不具有荷载的重新分配能力，从加载到破坏的过程中近似线弹性行为。 本文主要论述的是单螺栓连接，连接形式简单，用经典的刚度法即可求得挤压载荷，不存在旁路荷载，如图22所示。 10第2章复合材料螺栓连接强度分析PbmNxP上上土1L上N1图22荷载形式与应力分布荷载垂直于板宽度方向时，螺栓荷载等于单位长度作用应力乘以板宽=MW(2-1)同理，荷载平行于板宽时=心w(22)荷载与板宽任意夹角时名=艺+(2-3)螺栓所受荷载方向0=arctan(P打吃)(2-4)22单钉连接的理论分析方法单钉连接的理论分析方法主要有有限元素法和解析法，包括应力分析和强度估算两个方面内容。 首先由作用的挤压荷载计算钉孔附近的应力或应变分布；然后选择合适的失效准则估算其强度和破坏模式。 由于影响复合材料机械连接的因素很多，如几何尺寸、铺层方式、预紧力矩、装配间隙、湿热和化学介质等，理论分析不可能考虑所有的这些因素。 再者，复合材料的失效准则尚在研究之中，至今还没有一种准则被公认是普遍适用的。 因此，理论估算与实验结果往往有一定的偏差。 本节列举一种典型的单钉连接的理论分析方法，其结果具有较好的工程计算精度。 221单钉连接应力计算的有限元素法这里假设应变沿厚度方向为常数，仅限于平面应力情况，钉无限刚度，也不考虑层间应力。 一哈尔滨一程火学硕士学位论文单钉双剪连接的计算模型如图23所示。 复合材料层压板的铺层可以任意取向，单铺层必须关于Z=O的平面对称。 层压板关于X轴对称，孔位于板的中心。 外力与板平行，并对称于中线。 由于对称性，只取其二分之一板块，对称面按铰支处理。 采用四节点等参元，网格划分如图23所示。 -厂V、殇计算中做如下假设材料为线弹性图23有限网格划分作用在孔半周上的销钉力服从余；玄分布12(25)(26)挑一+勖丝奶=l-2第2苹复合材料螺栓连接强度分析l=一历4P强cos0(2-7)式中ni为单位矢量。 每个单元的位移可用节点位移表示Ui=Nqi。 (0【=1，2，3，4)(28)其中是形状函数，qi a为节点仅在i方向的位移。 由平衡方程和边界条件，应用虚功原理，通过一系列运算可得有限元计算的基本方程Ki pkaq妇=Fi p(2-9)式中Kipka=g互,ok。 K铲娃?E斟No iN Bj ds雨=乳，Npco删r式(29)qh的K；pk。 和，皤是已知的，因此可用高斯消去法求出点位移吼。 ，然后代入式(28)求单元位移“j，应变和应力就可由式(25)、(26)求得。 上述方法不考虑旁路荷载的影响，但可以进一步发展考虑剪切应变和大变形的非线性问题。 采用合理的失效判据判定结构的失效以及失效层的刚度削减【43】。 222失效准则和特征线假设得出细部应力之后，再辅之相应的失效准则，即可判断结构是否破坏。 可供选择的失效准则有最大应力、最大应变、蔡一希尔、蔡一胡和霍夫曼等准则。 对于机械连接比较常用的是Yamada-Sun失效准则，其表达式为=L(210)三1时，未失效；三1时，失效。 式中q，和一层压板中第i层沿纤维方向的正应力和面内剪切应力；X一单向板纵向拉伸(或压缩)强度；&一090板的剪切强度，若只给出了单向板的剪切强度S，则令串25S。 Yamada-Sun准则不考虑单向板横向基体破坏对总体强度的影响，使某些受横向失效控制的估算结果与实验结果有较大的差别，也无法反映失效情况。 需要附加最大应力准则或者其他合适的准则作为补充。 13哈尔滨I程人学硕+学位论文利用孔边应力按照某种失效准则确定的强度，其值将很保守，因此将开孔特征尺寸假设推广，Whi tney$【lNui smer提出了特征线假设【删，用离开边一定距离以某种函数表达的曲线上的应力代人失效准则中确定机械强度。 ChangF K把该方法应用到复合材料机械连接接头强度分析方面451，Hamada和Maekawa提出了用钉孔挤压实验替代含圆孔板的压缩实验方法确定压缩特征长度【46】。 一般令特征曲线f为rc=ro+R+(Rc-Rt)cosO(-7r29n2)(2-11)式中足一一拉伸特征尺寸；一孑L半径；R一一压缩特征尺寸。 图24按余弦变化的特征线只要任何单向层中特征线上任何一点的应力满足所选失效准则表达式等于l的条件，就认为发生总体失效，相应荷载即为失效荷载。 值得注意的是，采用同样的特征线函数，对于不同的应力计算方法和失效准则，其相应的特征尺寸值是不同的，因此，特征线假设必须与合适的失效准则一起用才有意义。 23复合材料单螺栓连接强度分析的经验法【47-48】理论分析方法需要选择合适的失效准则和特征曲线估算其强度和破坏模式。 影响复合材料机械连接强度的因素比较复杂，如铺层方式、几何尺寸和拧紧力矩等，无论是解析法还是数值法都不可能把这些因素都考虑进去，在细节应力分析过程中需要耗费大量的工作，还要用到失效准则，而关于复合材料的失效准则仍在研究之中，至今还没有一种准则被公认是普遍适用的。 因此。 估算的连接强度往往与试验结果有一定偏差。 经验方法可以回避一些难以考虑的因素，方法简单，且便于工程应用，这种方法的分析基础是先求出与所研究的复合材料有同样几何形状的各向同性材料的弹性应力集中系数，再根据复合材料的实验数据对上述应力集中系数附加一个减缓因子C，以便考14第2章复合材料螺栓连接强度分析虑复合材料特有的各向异性、不均匀性、非线性和损失等材料特性。 2371各向同性材料弹性应力集中系数受载孔净面积拉伸应力集中系数砭对于单钉双剪连接，最大峰值应力发生在垂直于荷载方向的孔径附近，由净面积拉伸应力集中系数的定义可得以=垒6丛(212)PWd)t式中吒。 一净截面拉伸应力；P一一荷载，N；W一一一板宽，mm；d一一孑L径，1Tim；f?一一板厚，mm。 理论研究和实验证明，对于有限宽板中心钉孔的单钉连接情况，可以采用如下的经验公式砭讲争)。 5篇臼(2-13)式中当(eW)1时，0=1505(eW)；当(eIV)l时，0=l。 受载孔挤压应力集中系数挤压应力集中系数gbe-Omax一2而Omax(2-14)式中一层压板受载孔的挤压应力挤压应力集中系数Kb。 与拉伸应力集中系数砭有如下关系瓦。 =以(形d1)(2-15)将式(213)代入上式得耻H南一尚(2-16)式中臼等参数的定义同前。 表21列出了各向同性材料螺栓连接的一些典型情况的玩值，前述方程就是情况。 开孔拉伸应力集中系数哈尔滨工程人学硕士学位论文开孔净面积拉伸应力集中系数K憎定义为K，。 玺(217)“on对于有限宽板中心圆孔情况(复合材料手册中给出了一些典型开孔情况相应于净面积的拉伸弹性应力集中系数KKe丽Omax=2+(1一参)3(2-18)计算复合材料多钉连接强度时，要考虑旁路荷载对机械连接破坏的贡献，需要用到开孔应力集中系数。 表22给出了一些典型的丌孔情况相应于净面积的拉伸弹性应力集中系数。 表21各向同性材料受载孔挤压弹性应力集中系数(D有限宽度中心钉孔一eld、0Kbe=1+(形象。 )(去凳，)(eAV)1时，0=1505(e形)国w斗-，(eAg)1时，0=1，有限宽板偏心钉孔卜e专I215口阳7(mb-cl25+言(斟d_、c。 |)Kb。 =1+一(川(以囝j-Ib，旦10时，0=1505(e2c)，2c否则0-_1O耻，焉215口(；Ct)(；+)飞卜三1O时，、0_1505(ec)2c否则0=101617哈尔滨工程大学硕士学位论文表22各向同性材料开孔拉伸应力集中系数K把有限宽板中心孔小w卜K讲(一笥有限宽板偏心孔妒2+(1一洲删一阿j2。 b卜批1)i1*嗣b、P牛尺。 =2+(一三)3一一K。 =，+(1-詈)3+一(导2241232复合材料应力集中减缩系数复合材料应力集中缩减系数与各向同性材料的弹性应力集中系数的定义不同，它不18第2章复合材料螺栓连接强度分析是由应力集中部位的最大应力除以截面的平均应力得到的，而是由光滑层压板的极限强度除以开孔或机械连接试件在破坏时的应力所定义的。 复合材料受载孔拉仲应力集中缩减系数K!定义为Ki赢池式中瓯一无缺口层压板拉伸强度；匕?一破坏荷载。 根据经验可以合理的假设以与砭之间有如下近似关系成立群=1+c(砭一1)(2-20)式中C为复合材料应力集中减缓因子。 C值与材料、铺层、紧固件尺寸和层压板厚度等因素有关。 复合材料受载孔挤压应力集中减缩系数复合材料受载孔破坏时挤压应力集中减缩系数K。 定义为Kbc乏2匕Ob面(2-21)6b。 tmf dt式中cr6。 ?挤压破坏强度。 与碟有如下关系Kb。 =K。 J(矽d一1)(222)将式(220)和式(215)代入上式得K。 ，l+C(Kbe(Wd-1)-1)(2-23)。 Wd-1复合材料开孔拉伸应力集中减缩系数K，定义为K。 =生一亟G。 ePtm(rvd)t(224)与机械连接情况一样，假设K。 与K。 有下述线性关系=l+C(K。 一1)(225)且C值与机械连接情况相同。 233应力集中减缓因子C应力减缓因子C值是应角经验方法的关键。 由于各向同性材料开孔和受载孔的应力集中系数是已知的，只要c值确定了，通过线性关系就可以求得复合材料应力集中减缩系数，从而可以估算连接强度。 确定机械连接应力集中减缓因子C值的方法如下由复合材料机械连接的破坏荷载，按公式(219)计算复合材料机械连接拉伸19哈尔滨工程大学硕士学位论文应力集中减缩系数Ko-按公式(2-13)计算各向同性材料相同几何尺寸的拉伸弹性应力集中系数K；根据公式(220)，对以和以进行通过点(1，1)的最d-乘法线性拟合，其斜率即为c值。 纵坐标为以，横坐标为K，i。 ；C值一般在01之间，如果层压板的0。 铺层比例太大，+45。 铺层比例太小，C值将大于l，失去了应力集中减缓因子的意义。 由上述公式可知，估算单钉连接的一般步骤为由连接区的几何尺寸参数及复合材料手册可以得到各向同性材料的挤压应力集中系数K。 ，；把挤压应力集中系数K。 ，带入式(2。 23)中计算可得复合材料挤压应力集中缩减系数疋，；根据已知条件查得C值，按照式(2-21)计算复合材料单螺栓连接的破坏荷载匕。 24本章小结本章主要讲述了复合材料结构机械连接的理论计算方法和步骤，结合失效准则和应力曲线介绍了有限元法和经验法等复合材料机械连接的理论分析方法，并比较分析了它们各自的特点和优劣。 由于经验法可以回避影响复合材料螺栓连接强度的许多因素，而且现实中要把所有的影响因素都考虑进去，其工作量将非常巨大，也是不现实的。 因此经验法更容易应用到工程实际中。 针对本文实验所采用的理论分析方法，重点介绍了经验法的计算步骤和方法，以及应力减缓因子c值的确定。 从经验法的分析求解步骤可以看出，经验法的关键在于应力减缓因子C值的确定，这需要做大量的实验，积累实验数据才能完善。 20第3章纤维增强复合材料层压板的成型技术及试件制备第3章纤维增强复合材料层压板的成型技术及试件制备31VARJ工艺复合材料成型工艺是复合材料工业化发展的基础和前提条件，对复合材料的性能有着重要的影响，随着复合材料应用领域的不断扩展，复合材料工业也随之得到迅速发展，各种成型工艺不断被开发出来，而且同臻完善，目前已经有20多种成型方法在工业生产中得到应用。 如手糊成型工艺、喷射成型工艺、注射成型工艺、真空袋压法成型工艺、挤出成型工艺、纤维缠绕成型技术、树脂注射和树脂传递成型技术、树脂传递模塑成型技术(RTM技术)、真空辅助树脂注射成型工艺(VARI工艺)、压力袋法成型工艺、连续板材成型工艺、热塑性片状模塑料热冲压成型技术、层压或卷制成型工艺、离心浇铸成型工艺、热压罐成型技术、液压釜法成型技术、热膨胀模塑法成型技术、夹层结构成型技术、模压成型工艺等。 成型工艺和质量对复合材料的性能有很大的影响，在增强纤维和树脂体系确定之后，复合材料的性能主要决定于成型工艺。 成型工艺主要包括成型和固化两个方面。 成型，是将预浸料按照设计要求铺置成型；固化，是把已经铺置成型的层合预浸料，在一定的温度、时间和压力等因素影响下使其固化。 311VARI工艺简介VARI工艺是真空辅助树脂注射工艺(Vacuum Assisted ResinInj ection)的简称。 是在树脂传递模塑成型技术(I盯M技术)基础上发展起来的新型复合材料成型工艺。 它是在单面光滑刚性模具上铺设增强纤维，并以柔性的薄膜袋包覆密封，利用真空负压排除增强纤维中的空气，同时按一定配比制好的树脂在负压力的作用下渗透到增强纤维体中，待渗浸完毕后，在室温条件下保持一定的时间固化成型，从而得到一定树N纤维比例的纤维增强复合材料的一种工艺方法。 如图31所示真空袋储压罐图31VARI成型工艺示意图2l哈尔滨工程大学硕士学位论文VARI成型工艺始于20世纪80年代，90年代初出现了第一个VARI工艺技术专利，1996年成功应用于船舶制造，自此，VARI工艺在航空航天、飞机船舶制造等领域得到广泛的应用，随着技术不断成熟和成本的降低，VARI工艺在民用基础设施、汽车等领域也得到发展【495。 312VARI工艺所用的材料及工艺流程VARI工艺所用原材料主要分为两大部分，一是增强纤维，二是基体树脂。 VARI工艺所用的纤维增强材料有碳纤维、硼纤维、芳香族聚酰胺纤维(芳纶)、高性能玻璃纤维、高强高模聚乙烯纤维、玄武岩纤维、晶须增强体、碳化硅纤维和氮化硅纤维等，其中以玻璃纤维的应用最为广泛。 基体树脂是VARI技术的基础材料。 目前针对VARI工艺开发了一系列基体树脂，主要有聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂等。 其中聚酯树脂由于强度和耐热性较差，成本低廉，具有良好的耐海洋大气和耐海水老化性能，因此主要用于船舶领域；环氧树脂的力学性能和耐水性能优于聚酯树脂，但价格较贵，一般用作胶粘剂、耐水涂层和特殊构件的基体树脂；航空航天领域主要采用低粘度环氧树脂、双马来酰亚胺树脂。 另外，树脂要配合固化剂和促进剂一起使用。 VARI工艺的主要制作流程主要包括以下几个步骤【5253】 (1)模板设计准备根据结构件的形状尺寸设计刚性模板，通常采用硬铝板作为模板材料； (2)下料将纤维布按设计好的尺寸进行裁剪。 同一层非纤维方向可以拼接，但纤维方向不能拼接，实在需要的话可以编织缝合； (3)铺放封装在刚性模板上涂刷脱模剂，然后按设计的铺层顺序进行铺层，层与层之间可以喷胶粘结，铺设完成后在叠层块表面贴一层脱模布，便于成型后模具与制件的分离，叠层块在铺设过程中可按设计铺设导流槽、吸脂管、真空管等插件，最后上覆柔性密封袋完成密封； (4)抽真空完成封装后，打开真空泵抽真空，保持一段时间，检查密封性，保证负压值不低于009MPa，便于树脂的吸注； (5)吸注树脂确认密封良好后，按设计配合比完成树脂的制各，连接吸脂管进行树脂吸注，待树脂完全渗浸试件后，用大力钳等密封夹具夹紧吸脂管和真空管，保持真空负压； (6)固化在一定的温湿度条件下，将制件保持不低于O09MPa的负压，静置一22第3章纤维增强复合材料层压板的成型技术及试件制备段时间至树脂完全固化； (7)检测分析制成的复合材料层压板件外观应平整、光滑。 并应对制件进行无损检测分析，确认质量后，按照国军标要求切割成满足各种性能测试的试件，测试各项性能参数。 1rl树脂吸注图32VARI成型工艺流程不恿图313VARI工艺的技术要求由于工艺的特殊性，VARI工艺对树脂体系、封装系统、控制系统有特定的要求酬 (1)合理设计树脂的流通管道，保证树脂在低粘度时间段内能够快速均匀的渗浸叠层块； (2)恰当合理地选择制品的铺层数和厚度； (3)保证良好的密封性工艺，提供较大的真空负压(真空负压值009Mpa)，便于树脂的均匀流通渗浸和纤维铺层的致密压实，减少孔隙率； (4)树脂应具有良好的力学性能和阻燃性能； (5)树脂基体能够在常温条件下下固化成型，而且粘度要低，仅借助真空负压即可在预成型制品纤维中流动渗浸，最佳粘度范围为100300MPaS【551； (6)树脂固化前要有一定的低粘度时间段，以保证树脂能充分渗浸试件； (7)树脂固化时无需额外压力，在真空负压下即可固化； (8)对于生产使用过程中环境温度要求较高的复合材料，要保证树脂基体有较高的玻璃化转变温度(Tg)。 314VARI工艺的特点和工程应用VARI工艺是一种先进的液体模塑成型工艺。 VARI工艺仅使用一个单面的模具和真23哈尔滨工程大学硕士学位论文空密封袋，与传统的复合材料成型工艺相比，制造工序简单，成本低廉，特别适合大尺寸、大厚度构件的制造，符合工业化大规模生产的要求，成本的降低使复合材料的应用图33美汽车【业的大型客车CompoBus图34英国Sandown级扫雷艇图35DD21“Zumwal t”级隐身驱逐舰图36瑞典“Vi sby”隐身轻巡洋舰图37瑞典“Skj old级隐身巡逻快艇图38娱乐休闲用的小鹰号飞机24第3章纤维增强复合材料层压板的成型技术及试件制备领域从航空航天领域向船舶、汽车、风力发电等领域扩展，而且在VARI工艺的制造过程中还可以在结构内部嵌入加强筋等内插件，不需要热压罐，也不需加热，可在室温条件下固化，制成品的增强纤维含量高(最高可达70480)，空隙率低，性能稳定，材料的利用率高，而且为闭模生产，更加环保，且制造工艺具有很大的灵活性。 VARI工艺作为一种新型的复合材料成型工艺，以其具有的诸多优点在工程中得到了广泛的应用，尤其适应于大尺寸大厚度的汽车、船舶、飞机等结构件的生产制造f561。 下面列举一些采用VARI成型工艺制造的一些产品【57】，如图3338所示。 VARI工艺以其独特的优点成为复合材料制造中最活跃的且最具发展潜力的低成本制造工艺。 尤其是在船舶制造工业中，VARI工艺更显出其独特的优越性，一块20米长，3米宽的船用复合材料板在45分钟内就能充模成型完毕。 值得注意的是美国海军水面作战中心对VARI工艺制件进行力学性能分析后对其大为赞赏，认为其具有很高的性价比，可以进行工业化生产，并且认为使用VARI成型工艺制成的制件性能甚至要优于采用昂贵的材料与较高成本的成型工艺制造的航空航天结构的性能。 认为在不远的将来，舰船的主体结构的制造将主要采用VARI成型工艺【58】。 32本文实验所采用的VA工艺及试件制备过程321试件制备所用的原材料和仪器设备针对VARI工艺的技术特点和工艺要求，本实验选用的增强纤维为全球玻纤巨头美国PPG工业公司公司和美国OC欧文斯科宁公司生产的增强型无碱无捻度E玻璃单向高强玻璃纤维，面密度3009m，厚度024mm；树脂基体采用中日合资江苏富菱化工有限公司生产的不饱和聚酯树脂，型号189，树脂参数见表44；固化剂为过氧化甲乙酮，质量配合比为1，促进剂为二甲基苯胺，质量配合比为025。 另外，在试件制备过程中还要用到丙酮、密封胶、玻璃板、喷胶(纤维层间粘结剂)、二甲基硅油(脱模剂)、脱模布、导流布、密封袋、导流管等。 试件制备过程中使用的仪器主要有2ZX一1型旋片真空泵，其主要参数为极限压力610七帕，抽速1升秒，转速1400转分，功率O25千瓦；压力罐标示压力(-01O)兆帕。 322试件制备过程试件制备的主要工作流程有以下几个步骤 (1)下料按设计好的尺寸在玻璃纤维布上放样，再按线进行裁剪。 同一层非纤25哈尔滨工程火学硕士学位论文维方向可以拼接，但沿纤维方向不能拼接。 (2)模板设计准备本实验所用的试件大都为300mm300mm，故使用500mm500ram的玻璃板，用玻璃板做透明平台可以从背面观察树脂在模内的流动情况，然后在玻璃板上按纤维材料的下料尺寸贴两圈密封胶。 (3)铺放封装在玻璃板上密封圈内涂刷脱模剂，然后按设计的铺层顺序进行铺层，层与层之间可以喷胶粘结，铺设完成后，在内圈密封胶上铺设导流管，在叠层块表面贴一层脱模布，便于成型后模具与制件的分离，再在其上铺设导流网，并插入真空管和吸脂管，最后上覆柔性密封袋完成密封。 (4)抽真空完成封装后，用大力钳夹住树脂管，打开真空泵抽真空，保持一段时间，检查密封性，保证负压不低于009MPa，便于树脂的吸注。 以上步骤详细见图39 (5)吸注树脂树脂凝胶和固化时间的把握是VARI工艺成功的关键。 树脂的凝胶和固化受环境温度和固化剂、促进剂的配合比的影响。 本实验采用的VARISE艺要求树脂配好后静置至少20分钟仍然保持低粘度，40分钟后开始凝胶，-d,时后逐渐固化。 本文通过阅读相关文献资料和大量的实验数据，得出在上述要求的凝胶和固化时间条件下，环境温度与各成分的配比关系【59-60，如表31所示。 表31树脂基体成分配比树脂固化剂促进剂环境温度189#不饱和聚酯树J旨g过氧化甲乙酮g二甲基苯胺g1520100l042025100l032628l oo10252933100102确认密封良好后，先取少量树脂按环境温度设计配合比添加固化剂，用电动搅拌器搅匀后，再添加促进剂，再搅拌，直至颜色均匀，若树脂的凝胶和固化时间满足上述要求，则该配比可行，否则要重新做配比实验，直到满足上述要求为止。 配比确定后，按试件尺寸确定所需的树脂分量，配好的树脂搅匀后静置大约10分钟左右，释放树脂内部的气泡，树脂配比完成后先是草绿色，然后又逐渐变黄，静置树脂十分钟，连接吸脂管进行树脂吸注，待树脂完全渗浸试件后，保持负压。 期间如果负压不够009MPa时，免树脂沿真空管流出。 用大力钳等密封夹具夹紧吸脂管和真空管，可打开真空泵加压。 压力罐内放一烧杯，以26 (4)图39实验前期准备图解 (6)固化在一定的温湿度条件下，将试件保持负压，静置一个小时至树脂完全固化。 树脂的浇注和固化流程见图310。 27哈尔滨工程大学硕+学位论文 (2) (4)图310树脂浇注和固化 (7)检测分析制成的复合材料层压板件外观应平整、光滑、应颜色均匀，没有白斑，不夹杂气泡，厚薄一样，不出现分层现象等缺陷，确认质量后，按照国军标要求用切割机切割打磨成满足各种性能测试的试件尺寸，切割完成后，在设计部位打孔，在28第3章纤维增强复合材料层压板的成型技术及试件制备不开孔的-N双面贴上铝片，固化后即可做拉伸性能测试实验。 如图311。 C3)黼一图311试件的切割制作下面以复合材料20层0。 铺层单向层压板的制作为例，层压板制作过程中记录的主要参数如表32所示。 323试件制备应注意的问题及改进措施VARI工艺的质量水平直接影响复合材料的性能，影响VARI工艺质量水平的因素主要有以下几点 1、真空度树脂在模具内固化的时间内，必须保证真空度，真空负压能提高树脂的渗透性能，还会增加纤维层的压实程度，这样能避免成型后出现白斑，夹杂气泡，厚薄不均等不利情况的发生。 实验发现，真空度越高，复合材料的机械性能越好61-63】。 2、树脂固化时问的掌控树脂固化时间应该在保证实验操作的前提下尽量缩短，一般应使其在40分钟后开始凝胶固化，这就需要前期做配合比实验，考虑到环境温度，29i攀。 辩爹影鬻缓蛾耧缝蘩攀哈尔滨L程大学硕士学位论文表32复合材料层压板参数下料尺寸300mm300mm铺层设计0】20增强型无碱无捻度E玻璃单向纤维，增强纤维面密度3009m2，厚度024ram树脂189。 不饱和聚酯树脂环境温度27固化剂配比1促进剂配比O25真空负压01NIPa树脂扩散速度2cm2s充模时问500s固化时间60mi n成型尺寸290mm290mm成型质量9809纤维含量55制件厚度498mm树脂、固化剂、促进剂存放失效的影响，应在每次实验前做配合比实验。 实验证明充模过程较长则不利于机械性能的提高，一般保持在10分钟以内，充模结束前树脂发生凝胶会导致树脂粘度而渗透困难，不能充分浸润纤维层，因此充模、纤维浸润完成前一定要保证树脂的低粘度【641。 3、树脂的粘度为了保证树脂能够充分浸润纤维增强体，就要求树脂要有较低的粘度，但树脂粘度过低会导致树脂流动过快而不稳定扩散，容易形成空隙和干点缺陷，因此要合理选择树脂的粘度。 4、环境温度充模时环境温度对试件的强度也有影响，但不明显，在室内温度范围内，温度越高，试件强度越大，性能越好。 5、树脂流道树脂出口应设在试件的几何中心，如图312(a)，尽量缩短充模距离和时间，但是这样吸脂管会因负压而压迫下面的纤维层，固化后会有明显的压痕，此处强度不易保证，因此通常将吸脂管放在层叠块的一侧，从另一侧抽真空，这样时间会比较长，但不会有压痕，如图312(b)，或者也可以采用软管来减轻压痕。 合理设计树脂的流道或增加沟槽能有效降低充模时间，减少试件的树脂富集、薄厚不均及其它微观缺陷，从而提高制件的机械连接性能f651。 3n第3章纤维增强复合材料层压板的成型技术及试件制各(a)Lb)图312树脂的流道设计 6、试件加工试件加工时应严格遵照国标、军标关于试样制作的要求进行加工，这样才能客观的揭示材料的性能。 上述过程中合理的流道设计、树脂固化时间的控制和模内真空度的保持是VARI工艺质量高低的关键，应引起特别的注意。 33本章小结本章系统介绍了复合材料的制造工艺，比较了各种工艺方法的优劣。 结合本文实验重点介绍了复合材料VARI工艺的材料要求、制作方法、工艺流程以及影响试件质量的因素。 通过反复实验研究得到了该制作工艺的最佳固化时间，针对该工艺对固化时间的特殊要求，研究了环境温度与树脂固化剂、促进剂的配比关系，并提出了合理的流道设计，使得操作控制更加简单，产品的质量更高。 3l哈尔滨工程大学硕士学位论文第4章复合材料拉伸实验性能测试41复合材料螺栓连接的一般要求与金属材料相比，影响复合材料螺栓连接性能的因素很多，包括增强体材料、树脂基体、铺层设计、连接区几何尺寸、紧固件参数、荷载因素(荷载的种类、方向和加速速率等)、环境因素(温度、湿度、介质)等，在设计中要把这些因素考虑进去。 复合材料层压板螺栓连接部位的孔周有较大的应力集中，这将明显降低螺栓连接的承载力。 为提高螺栓连接的强度和柔性，避免产生剪切、拉伸、劈裂等低强度