纤维增强复合材料螺栓连接破坏模式与破坏荷载试验研究

纤维增强复合材料螺栓连接破坏模式与破坏荷载试验研究

由于其材料结构的强度很高，抗疲劳、抗腐蚀和材料性能的优点，以及各个领域的应用，越来越受到重视。为了利用复合材料制造大型承力结构,复合材料构件之间、复合材料构件与金属构件之间的连接不可避免,其中机械连接是目前比较重要的一种连接形式。根据前人的大量研究成果,普遍认为复合材料机械连接的承载力随接头几何尺寸的增加而增大,接头的破坏模式由拉伸、剪切或劈裂逐渐转变为孔边局部挤压破坏,并且承载力最终将趋于稳定。一般而言,单钉连接取W/D≥5(板宽/孔径)、E/D≥3(端距/孔径)、孔心距板边至少2~2.5倍孔径时,复合材料接头只会发生孔边局部挤压破坏,并在此基础上确定了多钉连接时复合材料接头几何尺寸的设计要求,认为在满足表1的前提下,接头不会发生拉断、剪切或劈裂等破坏形式。但是上述结论主要是针对航空航天领域中广泛使用的、对纤维铺层有具体要求的层合板结构开展研究后所得到的。此类层合板一般采用手糊或模压成型,接头部分纤维走向和铺层比例可以根据接头受力特点单独设计,一般由0°、±45°和90°这4种纤维铺层方向组成,推荐的连接区各方向纤维铺层含量范围为:±45°层≥40%,0°层≥30%,90°层=10%~20%。除航空航天领域之外,复合材料构件在土木工程承重结构中的使用也逐步广泛,并且多采用机械连接方式进行构件间的连接,如SwissAlps附近的PontresinaBridge复合材料人行桁架桥,桥梁桁架结构采用拉挤型材制作,共2跨,每跨长12.5m,高1.48m,其中一跨采用螺栓连接,另一跨采用双组分环氧树脂胶胶接,已安全使用多年;丹麦Koldingbridge复合材料桥,桥的支撑系统为拉挤型材桁架,节点采用螺栓连接,整桥可承受5吨重轮式荷载;美国MotherwellBridgeCompositeStructures公司曾制造复合材料拉挤型材屋顶桁架结构,构件端部补强并采用螺栓进行连接。但是,土木工程中所使用的复合材料与航空航天领域中使用的复合材料不完全一样。一般而言,土木工程中使用的复合材料其纤维走向比较单一,主要以构件长度方向为主,材料性能在纵横向差异较大,同时构件接头部分的纤维走向也无法进行单独设计和制造。此类构件进行梁体接长和梁柱固接时,接头部分将受到扭矩作用,所以其构件的机械连接接头及接点板不仅需要在材料强方向传力,而且也需要在材料弱方向传力。复合材料的力学性能主要由纤维走向决定。顺纤维方向或材料强方向受力时,即便W/D≤5,一般也不会发生孔边拉断破坏,且随着E/D的增大,破坏荷载将趋于稳定;但是横纤维方向或材料弱方向受力时,即便W/D取值较大,连接处也可能发生拉断破坏,对结构安全威胁较大。因此,对此类复合材料机械连接中材料弱方向受力的破坏模式及破坏荷载进行研究具有重要意义。1无碱玻璃布/环氧酚醛层压板材料特性分析为了研究复合材料机械连接接头在材料弱方向受力时构件的破坏模式与破坏荷载,以纤维双向铺设,其中一方向强度远大于另一方向强度的玻璃布/环氧酚醛层压板作为研究对象。材料以无碱玻璃布/环氧酚醛树脂预浸料加热模压成型,具有良好的机械性能和加工性能。材料中各层玻璃布铺设方向均一致,由于玻璃布经纬向性能的差异造成了材料力学性能具有强弱方向。试验中以材料弱方向作为轴向受力方向,固定复合材料板E/D,以W/D作为变化参数设计了6组单螺栓连接的拉伸试验,研究了接头的破坏模式及破坏荷载,分析了W/D变化对它们的影响规律。1.1试件的制作和制作试验中复合材料机械连接试件采用单螺栓双搭接形式,试件样式如图1所示,其中复合材料制作单板,钢材制作双板,所制作接头中复合材料部分的几何参数表达参见图2。根据材料性能试验确定的复合材料性能参数见表2。试件制作时将复合材料的材料性能弱方向设计为接头轴向受力方向。此外,复合材料的材料泊松比取0.17。试件中复合材料板长度L=200mm,厚度t=10mm,连接螺栓孔直径D=10mm,位于试件长度方向的中心线上。由于连接接头的拉断破坏主要由W/D控制,为考察W/D变化对其机械连接破坏模式及破坏荷载的影响,在遵循以往复合材料机械连接接头设计尺寸要求基础上,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。每组试件制作3件,共6组18个试件,试件编号见表3,试件上的螺栓拧紧力矩取25Nm。参考相关文献中的试验设计,使用30t万能试验机对试件缓慢匀速施加竖向拉伸荷载直至其破坏,记录试件破坏荷载及破坏模式并拍照,试验加载速率控制在2mm/min左右。试验中由于复合材料在夹具上不易直接夹持固定,设计了辅助夹具及加载方式,具体辅助夹具设计及加载方式见图3。1.2接头破坏应力试验中试件的破坏荷载及破坏应力统计见表4、5。试件破坏模式一致,均为复合材料孔边拉断,具体可参见图4。表4中接头破坏应力定义为:σ=Pmax/Wt,其中,Pmax为破坏荷载,W为破坏处净板宽,t为板厚。试验中试件破坏时,均是发出“啪”的响声,同时在复合材料板孔边瞬间被拉断。2试验结果的分析2.1复合材料孔边破坏形式从表4、5的试验数据和试验现象可知,在E/D=4.5的前提下,随着W/D的增大,试件均是在复合材料孔边被拉断,并没有其它破坏形式的出现。另外,随着W/D的增大,此类复合材料机械连接的破坏荷载逐渐增大,但当W/D≥7之后破坏荷载的发展趋势及数值基本趋于稳定,同时接头破坏应力一直都呈下降趋势,破坏荷载趋向稳定,而板宽继续增大,破坏应力必然下降(参见图5、6)。2.2基于anasis的孔边应力模型按照试验中对试件的约束条件和得到的破坏荷载,采用ANSYS对上述试验结果进行数值模拟。模拟中可简化分析模型,只建立机械连接中复合材料部分。复合材料由于没有复杂的铺层结构,可以将其看作整体,简化为各向异性材料,采用Solid64单元建模。轴向拉伸荷载所引起的螺栓对接头孔边的挤压作用可简化为孔边的余弦分布荷载,利用ANSYS中的函数功能将孔边余弦分布荷载施加在模型的孔边。模型的位移边界条件可设置为将其远离螺栓孔那一端的所有节点自由度全约束。各组试件在其各自平均破坏荷载作用下,复合材料板孔边应力分布如图7所示。从复合材料板孔边应力的分布可以看出在孔边有明显的拉应力集中,应力集中区域与接头破坏位置相同,且在W/D≥7以后,孔边应力分布趋于一致。2.3拉伸应力分析由于复合材料是一种弹脆性材料,不像金属材料那样具有明显的塑性阶段,因此,应力集中对复合材料开孔处的影响更加明显。根据ANSYS分析结果,各组试件复合材料断裂处从孔边至板边缘(设其长度为Lh)的拉伸应力变化趋势如图8所示。由于各组复合材料试件板宽不一致,且在距孔边2mm以后,拉伸应力变化均趋于平稳均匀,为便于对比,各组试件断裂处的拉伸应力均只取到距孔边15mm处为止。从图8可以看出,复合材料板断裂处从孔边开始至2mm处拉伸应力变化极为剧烈,且在距孔边1.5mm以后拉伸应力均低于材料拉伸破坏强度。根据最大应力破坏准则,当复合材料孔边的拉伸应力达到材料极限状态时即可判定材料破坏。此处由于应力集中的影响,复合材料孔边首先达到材料的拉伸破坏强度而破坏。同时由于复合材料的脆性,一点破坏即可迅速发展导致孔边整体拉断。试验中观察到的试验现象亦印证了这一点,当接头复合材料板孔边出现裂纹后,裂纹急速向两边扩展,复合材料在孔边瞬间断裂。3结构机械连接设计分析本文用试验手段初步研究了材料纵横向性能差异较大的纤维增强复合材料的机械连接中,材料弱方向受拉力作用时的破坏荷载、破坏模式与连接接头几何尺寸之间的关系。对于纵横向性能差异较大的复合材料,如果荷载作用于材料性能较弱的方向,由于复合材料的弹脆性力学特点、孔边严重的应力集中以及孔边应