复合材料超差孔的承载强度与孔失效特性

李翔 刘海涛 张凌虎

摘 要：在复合材料零件的实际制造装配过程中常常需要打孔进行机械连接，由于人工操作不当或者精度达不到要求等因素会使得螺栓孔偏大造成装配零件超差现象。该实验描述了通过制造碳纤维预浸料试板进行螺栓搭接。将试验板钻孔偏大至超差现象，然后用相同规格的标准件进行连接后进行组合试验板拉伸试验。观测结果表明，复合材料孔挤压失效可以概括为一个压缩损伤积累的过程，可以分为以下四个阶段：损伤发生；损害增长；纤维断裂；结构性裂缝。结构孔失效的主要特性包括纤维受压、基体开裂、分层和平面剪切开裂这四种情况。结构孔强度和失效模式也应该取决于横向约束和基于不同的聚合物基质的分层的“韧性”。

关键词：超差孔 复合材料 胶黏剂

中图分类号：TB32 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）05（c）-0060-02

1 孔超差对零件的影响

众所周知，零件的可靠性和耐久性是飞机结构中设计师必须考虑的一个很重要的环节；复合材料商务飞机更是如此。如何保证飞机在行驶中的安全？保证飞机的安全就是保护人类的生命，复合材料商务机在当今世界已经被广泛采用，因为复合材料有许多的优势是金属材料所没有的，比如比重比金属材料轻；制造工艺简单等特点。那么，复合材料的连接方式除了胶接（使用胶黏剂），还有机械连接方式。通常在日常装配过程中一些非重要接头为了减少成本会采用用胶黏剂直接作用在超差孔处。

2 实验项目

本次试验是以直接为6.35 mm的紧固件孔作为基准，研究不同超差程度下使用结构胶修补后孔的力学性能，得到修补孔的承载能力与修补胶层厚度之间的关系（见表1）。

3 试验要求

3.1 试验环境要求

试验过程中温度控制在23℃±2.8℃（-70℉±5℉），相对湿度控制在65%以下。

4 试验步骤

将试验板按照ASTM D3582方法进行搭接，见图1所示，将螺栓放入超差螺栓孔中。

使用糊状胶EA 9360将螺栓与超差孔的间隙进行胶接如图2所示，放置至少24h使其固化。固化后，将试件编号并贴好标签，等待试验。

5 试验过程

根据图1的尺寸，制作2块3.2 mm厚的试验板与1块6.4 mm的试验板组成一个试验件。根据上述试验大纲制作相应超差尺寸的试验件，然后将这些试验件放在拉伸试验机上进行拉伸试验。

根据实验任务书的要求，将所有试件按照超差尺寸的不同进行拉伸，拉伸机将会用相同的速率进行拉伸，待孔失效后停止试验记录实验数据。每一个试验件为一次记录的数据。将这些数据通过计算得到结果进行分析。在试验过程中如何判断孔失效？通过对比拉伸试验机在拉伸过程中传输的实时数据判断，分别有两种判断方式：一是为螺栓孔周围的胶失效；二是为试验板失效。

6 试验结果分析

图1，2，3可看出，超差孔在收到外力的作用后螺栓孔的位置和形状发生变化，螺栓变形，超差孔也在外力的作用下拉伸变形。由图看初步分析，螺栓在收到外力变形后受压力面与试板孔内壁挤压后试板内壁受压部分开始变形，首先内层胶被压碎后挤压试板内壁纤维结构。

螺栓的挤压破坏载荷为：Pbr=doδkbrσb，σb为挤压强度，根据理论许用值，EA9360的抗拉需用范围为68 MPa，根据图4的数据我们对比：从图4中取出一个为“疑似”胶挤压断裂的点，载荷为10500 n，根据上述公式计算挤压强度为95 MPa。对于理论使用值推算，此载荷为此试验件的结构胶的断裂。

由试验数据可看出，在载荷大约为1吨时超差孔里的结构胶受压破碎，而后螺栓与试验板孔内壁的纤维开始挤压，而由于纤维有一定的韧性。所以由图我们可以看出在大约载荷为4t的时候试验件才变形。试验件变形就意味着载荷失效。

7 结语

当复合材料结构必须使用紧固件时，应对其进行特殊的设计考虑。复合材料有纤维和集体组成，其性能受到各组分材料性能的影响，并且具有非匀质性，紧固件对复合材料的影响与金属材料不同，尽管复合材料的强度非常高，但如果处理不当就会带来麻烦。所以紧固件的正确选择极为重要。

在结构设计中，结构的整体性始终是减轻结构质量，提高结构效率的主要手段之一。相对金属结构而言，复合材料便于进行整体固化成形，这对各类结构件，包括某些复杂的飞机结构件，提供了提高结构整体性的优越条件，有利于减轻结构质量，提高结构效率。但由于涉及，工艺和使用维修等方面的需要或限制，还是必须安排一定的设计和工艺里面，维护口盖或者与其他零构件的连接接头等，必须有相应的连接，所以连接设计在复合材料结构设计汇总是必不可少的关键环节之一。

参考文献

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[3] 陈业標，汪海，陈秀华.飞机复合材料结构强度分析[M].上海交通大学出版社，2011.