本文对复合材料层压板进行了不同连接形式的连接强度试验研究,获得了铺层比例、厚度、湿热环境和连接形式对复合材料层压板连接强度的影响规律。研究表明:对于单钉双剪连接形式,当±45˚铺层比例处于一定范围内时,适当改变±45˚、0˚和90˚铺层的比例并不会对复合材料层压板的连接强度产生较大的影响;对于单钉单剪连接形式,当±45˚铺层比例处于一定范围内时,铺层比例并不是影响连接强度的主要因素,层压板厚度对连接强度有重要影响。 In this paper, the experimental study on the connection strength of composite laminates with different connection forms is carried out, and the effects of the ply ratio, thickness, hygrothermal envi-ronment and connection forms on the connection strength of composite laminates are obtained. The results show: For the single nail double shear connection, when ply ratio of ±45˚ plies is in a certain range, changing the ratio of ±45˚ plies, 0˚ plies and 90˚ plies properly will not have a great impact on the connection strength of composite laminates; For the single nail single shear connection, when the ratio of ±45˚ plies is in a certain range, the ply ratio is not the main factor affecting the connection strength, but the thickness of laminate has an important influence on the connection strength.
程鹏飞,杨胜春,李磊,谢佳卉,熊华峰
中国飞机强度研究所力学性能评定与测试中心,陕西 西安
收稿日期:2020年5月5日;录用日期:2020年5月19日;发布日期:2020年5月26日
本文对复合材料层压板进行了不同连接形式的连接强度试验研究,获得了铺层比例、厚度、湿热环境和连接形式对复合材料层压板连接强度的影响规律。研究表明:对于单钉双剪连接形式,当±45˚铺层比例处于一定范围内时,适当改变±45˚、0˚和90˚铺层的比例并不会对复合材料层压板的连接强度产生较大的影响;对于单钉单剪连接形式,当±45˚铺层比例处于一定范围内时,铺层比例并不是影响连接强度的主要因素,层压板厚度对连接强度有重要影响。
关键词 :复合材料,铺层比例,连接强度
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虽然目前复合材料胶接连接技术已经非常成熟,且比机械连接更加有效,但机械连接仍然是飞机复合材料结构的一种主要连接方式之一。对于飞机上需要检修或更换的复合材料结构,必须采用机械连接形式。此外胶接连接往往缺少结构裕度,且对制造缺陷高度敏感,因此在高要求和高安全设定的应用中,例如飞机的主要结构元件,特别是大型民机,宁可采用机械连接也不采用胶接连接 [
在铺层对复合材料连接的影响研究中,Sun通过对复合材料层板钉孔接触区域的损伤情况研究发现:0˚层在挤压破坏发生的初始阶段起重要作用 [
单钉双剪连接与单钉单剪连接是航空领域复合材料的两种最基本的连接形式。本文主要进行铺层比例、厚度和湿热环境对聚合物基复合材料层压板单钉双剪连接形式与单钉单剪连接形式的连接强度影响的试验研究,获得了铺层比例、厚度、湿热环境和连接形式对复合材料层压板连接强度的影响规律。
按照ASTM D5961标准的要求,分别加工了孔径为6 mm的单钉双剪和单钉单剪两种连接形式的标准试验件,试验件具体尺寸ASTM D5961 [
铺层代号 | 铺层比例[±45/0/90]/% | 层压板厚度/mm |
---|---|---|
I | (66/17/17) | 3.60 |
II | (55/18/27) | 3.20 |
III | (60/20/20) | 3.00 |
IV | (58/21/21) | 4.20 |
V | (56/22/22) | 2.70 |
VI | (50/25/25) | 3.60 |
VII | (53/20/27) | 4.50 |
表1. 试验件的铺层比例和厚度
单钉双剪连接强度试验参照ASTM D5961标准的方法A执行,单钉单剪连接强度试验参照ASTM D5961标准的方法B执行 [
图1. 单钉双剪和单钉单剪连接强度试验状态照片
试验结束后,对每个试验件计算其连接挤压强度,计算方法为试验件破坏前的最大载荷除以试验件的厚度和孔径。然后分别对单钉双剪和单钉单剪两种构型每一种铺层的3批次18件试验件的连接挤压强度取平均值,作为该铺层的平均连接挤压强度。
表2给出了7种不同铺层比例和不同厚度试验件的单钉双剪连接挤压强度试验结果。其中每种铺层比例的挤压强度为3批次、每批次6件试验件的平均挤压强度。由该表可以看出,±45˚铺层在50%~66%范围内,改变0˚和90˚铺层的比例,7种铺层与厚度复合材料层压板的单钉双剪连接挤压强度并未发生较大的变化,保持在全部7种铺层平均强度的±3%范围内。为了更加直观的表现这一结论,绘制图2所示的铺层比例与复合材料层压板单钉双剪连接挤压强度的曲线图。可见,当铺层比例在一定范围内改变时,适当改变±45˚、0˚和90˚的铺层比例和层压板的厚度并不会显著改变复合材料的层压板的挤压强度。需要特别说明的是,上面结论的前提条件是“铺层比例在一定范围内”。当复合材料层压板铺层比例超出一定范围后,如±45˚铺层比例较小的时候,上面的结论并不能成立。但考虑到飞机复合材料结构由于损伤容限的需要,通常必须包含相当比例的±45˚铺层,因此对于航空复合材料的常用典型铺层,上面的结论具有很好的适用性。
铺层代号 | 铺层比例[±45˚/0˚/90˚]/% | 厚度/mm | 强度σbu/MPa |
---|---|---|---|
I | (66˚/17/˚17˚) | 3.60 | 1016 |
II | (55˚/18˚/27˚) | 3.20 | 977 |
III | (60˚/20˚/20˚) | 3.00 | 1021 |
IV | (58˚/21˚/21˚) | 4.20 | 1035 |
V | (56˚/22˚/22˚) | 2.70 | 979 |
VI | (50˚/25˚/25˚) | 3.60 | 1016 |
VII | (53˚/20˚/27˚) | 4.50 | 1012 |
表2. 七种铺层比例试验件的单钉双剪连接挤压强度
图2. 铺层比例与复合材料层压板单钉双剪连接挤压强度的曲线图
表1中的I铺层和VI铺层具有相同的厚度(3.6 mm),但铺层比例相差较大,前者的±45˚、0˚和90˚铺层比例分别为66%、17%和17%,后者为50%、25%和25%。表3给出了I铺层和VI铺层试验件的单钉单剪连接挤压强度,两者几乎相同(相差0.5%)。由表3可以看出,当复合材料层压板厚度相同时,改变层压板的铺层比例和铺层顺序,并不会显著改变试验件的单钉单剪连接强度,这表明影响复合材料层压板单钉单剪连接强度因素是层压板的厚度,而非其铺层特性(包括铺层比例和铺层顺序)。需要特别说明的是,该结论的前提条件同样是“铺层比例在一定范围内”,当复合材料层压板铺层比例超出一定范围后,如±45˚铺层比例较小的时候,该结论是否成立还需要进一步的验证。但由于飞机复合材料结构的±45˚铺层比例通常不会太小,对于飞机复合材料常用典型铺层,上面的结论仍适用。
铺层代号 | 铺层比例[±45˚/0˚/90˚]/% | 厚度/mm | 强度σbu/MPa |
---|---|---|---|
I | (66˚/17˚/17˚) | 3.6 | 623.7 |
VI | (50˚/25˚/25˚) | 3.6 | 626.9 |
表3. I铺层和VI铺层试验件的单钉单剪连接挤压强度
在第3节的研究中,已经发现了影响复合材料层压板单钉单剪连接强度因素是层压板的厚度,而非铺层。在该结论的基础上,进一步研究厚度对单钉单剪连接强度的影响规律。表4给出了7种不同铺层比例和不同厚度试验件的单钉单剪连接挤压强度试验结果。对比表2和表4,可以发现单钉单剪连接挤压强度比单钉双剪连接挤压强度下降了33%~47%。
铺层代号 | 铺层比例[±45˚/0˚/90˚]/% | 厚度/mm | 强度σbu/MPa |
---|---|---|---|
I | (66˚/17˚/17˚) | 3.60 | 623.7 |
II | (55˚/18˚/27˚) | 3.20 | 618.8 |
III | (60˚/20˚/20˚) | 3.00 | 654.7 |
IV | (58˚/21˚/21˚) | 4.20 | 568.8 |
V | (56˚/22˚/22˚) | 2.70 | 647.2 |
VI | (50˚/25˚/25˚) | 3.60 | 626.9 |
VII | (53˚/20˚/27˚) | 4.50 | 529.3 |
表4. 七种铺层比例和厚度试验件的单钉单剪连接挤压强度
为了分析厚度对单钉单剪连接强度的影响,根据表4数据绘制层压板厚度–单钉单剪连接挤压强度曲线,见图3。图3表明,对于单钉单剪连接形式,随着复合材料层压板厚度的增加,单钉单剪连接挤压强度会逐渐降低。
图3. 厚度与复合材料层压板单钉单剪连接挤压强度的曲线图
在70℃、85% RH环境条件下按照ASTM D5229对单钉双剪和单钉单剪试验件进行吸湿处理,直至达到吸湿平衡 [
图4. 单钉双剪连接挤压强度柱状图
图5. 单钉单剪连接挤压强度柱状图
a) 对于只含有±45˚、0˚和90˚四种铺层的复合材料层压板,当铺层比例在一定范围内改变时,适当改变±45˚、0˚和90˚的铺层比例和层压板的总厚度,并不会显著改变复合材料层压板的单钉双剪连接挤压强度。
b) 对于只含有±45˚、0˚和90˚四种铺层的复合材料层压板,当铺层比例在一定范围内改变时,相同厚度的复合材料层压板,改变其铺层比例和铺层顺序,并不会显著改变复合材料层压板单钉单剪连接强度,这表明影响复合材料层压板单钉单剪连接强度因素是层压板的厚度,而非其铺层特性(包括铺层比例和铺层顺序)。
c) 对于单钉单剪连接形式,随着复合材料层压板厚度的增加,单钉单剪连接挤压强度会逐渐降低。
d) 湿热环境会引起单钉双剪连接和单钉单剪连接挤压强度较为明显的降低。
程鹏飞,杨胜春,李 磊,谢佳卉,熊华峰. 铺层和厚度对不同复材结构连接强度的影响Influence of Ply Ratio and Thickness on the Connection Strength of Different Composite Structures[J]. 材料科学, 2020, 10(05): 433-440. https://doi.org/10.12677/MS.2020.105053