钉孔间隙对复合材料机械连接挤压强度的影响研究

梁乐乐，杨胜春，黄光启

(中国飞机强度研究所 材料力学性能测试与表征研究室，陕西 西安 710065)

1 引 言

复合材料是一种新型材料，具有高的比强度、比刚度及优良的可设计性等特点，其应用十分广泛。复合材料结构件在设计生产过程中，为了便于后期安装及维护，往往需要设计大量的可拆卸工艺分离面。机械连接作为复合材料目前最主要的、承载能力最大的连接方式之一，成为复合材料结构件连接的首选。随着机械连接的大量应用，对其连接挤压强度影响因素的探究也日益迫切。

国内外许多学者对复合材料机械连接问题进行了大量研究，但研究内容主要集中在钉载分配、强度研究及连接优化等方面。吴启仁等[1]通过试验，对载荷分配及其影响因素进行了研究，发现复合材料多螺栓连接中钉载的分配呈现不对称的现象，且钉载分配曲线呈“浴盆”状；安装设计的螺栓个数与连接结构的强度会对“浴盆”的形状有一定的轻微影响。Pyner和Matthews[2]对复合材料层合板单钉和多钉连接进行了强度试验，研究结果表明，钉载与连接接头的复杂程度有关，连接件的接头越复杂，连接件的平均最大承载力会越小。Madenci等[3]采用有限元模拟的方法，对复合材料层压板多钉连接的钉载分配问题以及机械连接强度进行了分析与研究。

本文以T700级碳纤维增强复合材料层压板为研究对象，基于Abaqus商用仿真软件，对不同钉孔间隙的复合材料机械连接单钉双剪挤压展开数值模拟研究，为复合材料机械连接钉孔间隙配合设计提供数值仿真参考依据和分析支撑。

2 数值仿真模型与方法

2.1 数值模型

本文所涉及的模型包括3个部分，分别为夹具、钉及T700级碳纤维增强复合材料层压板。其中，夹具与钉采用三维实体模型构建，复合材料层压板采用连续壳模型构建。金属夹具与钉的损伤判据采用柔性损伤准则，复合材料层压板采用Hashin损伤准则。数值模型的试样尺寸如表1所示(表中，紧固件直径为d；孔径为Φ；厚度为h；长度为L；宽度为w；端距为e)，铺层设定为[45/0/-45/90]2S。

表1 模型试样尺寸

在模型网格划分时，复合材料层压板采用SC8R(八节点四边形面内通用连续壳，减缩积分，沙漏控制，有限膜应变)单元，金属夹具采用C3D4(四节点线性四面体单元)单元，钉采用C3D8R(八节点线性六面体单元，减缩积分，沙漏控制)单元。单钉双剪试样模型如图1所示。

图1 单钉双剪数值模型

2.2 模型边界条件设置

参考单钉双剪挤压试验，给数值模型的夹具端(图2中模型左端)区域施加固定铰支座约束；层压板试验件(图2中模型右端)区域，限制其2、3方向的平移和转动，限制1方向的转动，给该区域施加1方向的位移载荷。边界条件详情如图2所示。

图2 模型边界条件

2.3 模型的材料参数

仿真模拟单钉双剪挤压过程中，所涉及的材料有两种，分别为夹具和螺钉所使用的钢、复合材料层压板所使用的T700级碳纤维增强复合材料，材料参数详见表2、表3。

表2 钢的力学性能参数

表3 T700级碳纤维增强复合材料力学参数

3 数值仿真分析

3.1 仿真模型有效性的验证

为了验证数值模型的有效性和可行性，对与模型尺寸及铺层参数相同的钉孔间隙为0.015mm的T700级碳纤维增强复合材料单钉双剪试样进行挤压试验。试验测得钉孔间隙为0.015mm的T700级碳纤维增强复合材料单钉双剪试样的挤压强度为1033MPa，而钉孔间隙为0.015mm的T700级碳纤维增强复合材料单钉双剪模拟结果的挤压强度为1016MPa，误差为1.65%。这表明，本文提出的数值仿真模型有效、可行。

3.2 模拟结果分析

本文对钉孔间隙分别为0mm、0.005mm、0.010mm、0.015mm、0.020mm及0.025mm的单钉双剪试样进行了数值仿真模拟。通过数值计算，得到了不同钉孔间隙模型下的应力分布情况及其承载能力。

钉孔间隙为0mm的单钉双剪试验模拟的Mises应力云图及孔边挤压应力分布云图如图3和图4所示，图5为相应的载荷-位移曲线。由图中曲线可以得知，试样的破坏载荷为23.09kN，破坏载荷所对应的位移为0.598mm，挤压强度为962.08MPa。

图3 间隙0mm的Mises应力云图

图4 间隙0mm的孔边挤压应力分布云图

图5 间隙0mm的载荷-位移曲线

图6和图7分别给出了钉孔间隙为0.005mm的单钉双剪试验模拟的Mises应力云图及孔边挤压应力分布云图，图8为相应的载荷-位移曲线。由图中曲线可知，试样的破坏载荷为24.70kN，破坏载荷所对应的位移为0.555mm，挤压强度为1029.17MPa。与0mm间隙的试样结果相比，0.005mm间隙对连接件的连接强度有所提高。

图6 间隙0.005mm的Mises应力云图

图7 间隙0.005mm的孔边挤压应力分布云图

图8 间隙0.005mm的载荷-位移曲线

图9和图10分别给出了钉孔间隙为0.010mm的单钉双剪试验模拟的Mises应力云图及孔边挤压应力分布云图，图11为相应的载荷-位移曲线。由图中曲线可知，试样的破坏载荷为24.72kN，破坏载荷所对应的位移为0.554mm，挤压强度为1030MPa。与无间隙试样相比，0.010mm间隙提高了连接件的承载能力。

图9 间隙0.010mm的Mises应力云图

图10 间隙0.010mm的孔边挤压应力分布云图

图11 间隙0.010mm的载荷-位移曲线

图12和图13是钉孔间隙为0.015mm的单钉双剪试验模拟的Mises应力云图及孔边挤压应力分布云图，图14为相应的载荷-位移曲线。由图中曲线可知，试样的破坏载荷为24.39kN，破坏载荷所对应的位移为0.564mm，挤压强度为1016.25MPa。间隙为0.015mm的连接强度相较于间隙0.010mm，连接强度有所下降，但高于无间隙连接。

图12 间隙0.015mm的Mises应力云图

图13 间隙0.015mm的孔边挤压应力分布云图

图14 间隙0.015mm的载荷-位移曲线

图15和图16分别给出了钉孔间隙为0.020mm的单钉双剪试验模拟的Mises应力云图及孔边挤压应力分布云图，图17为相应的载荷-位移曲线。由图中曲线可知，试样的破坏载荷为24.27kN，破坏载荷所对应的位移为0.564mm，挤压强度为1011.25MPa，挤压强度相比间隙0.015mm有所下降。

图15 间隙0.020mm的Mises应力云图

图16 间隙0.020mm的孔边挤压应力分布云图

图17 间隙0.020mm的载荷-位移曲线

图18和图19分别给出了钉孔间隙为0.025mm的单钉双剪试验模拟的Mises应力云图及孔边挤压应力分布云图，图20为相应的载荷-位移曲线。由图中曲线可知，试样的破坏载荷为24.12kN，破坏载荷所对应的位移为0.572mm，挤压强度为1005MPa。钉孔间隙为0.025mm时，连接件挤压强度继续保持下降趋势。

图18 间隙0.025mm的Mises应力云图

图19 间隙0.025mm的孔边挤压应力分布云图

图20 间隙0.025mm的载荷-位移曲线

4 结 论

本文通过Abaqus仿真软件分别对钉孔间隙为0mm、0.005mm、0.010mm、0.015mm、 0.020mm、 0.025mm的T700级碳纤维增强复合材料层压板单钉双剪试样模型进行了数值仿真计算，得到了不同钉孔间隙的破坏载荷、破坏载荷所对应的位移、孔边应力分布情况以及挤压强度，研究发现：

(1)孔边应力分布受钉孔间隙的影响较小，在0mm～0.025mm范围内，随着钉孔间隙的增大，局部挤压应力最大值整体呈先减小后增大的趋势。

(2)在0mm～0.025mm范围内，随着钉孔间隙的增大，T700级碳纤维增强复合材料层压板单钉双剪试样的破坏载荷先增大后减小，最大值出现在钉孔间隙为0.010mm时；而钉孔间隙对破坏载荷所对应位移的影响不明显。

(3)在0mm～0.025mm范围内，随着钉孔间隙的增大，T700级碳纤维增强复合材料层压板单钉双剪试样的挤压强度呈先增大后减小的趋势，最大值也出现在孔隙为0.010mm时。

本文的研究结果表明，适当的钉孔间隙有助于提高T700级碳纤维增强复合材料层压板单钉双剪试样的连接性能，但当钉孔间隙超过某一值后，复合材料层压板单钉双剪试样的连接性能会逐渐降低。