复材铺层

1前言

复合材料因其高比强度、高比刚度、良好的抗疲劳性和材料铺层可设计性等优异特性，广泛应用于航天航空领域。在使用中，复合材料往往要同复合材料或金属材料连接起来。机械连接是最常见的连接方法。螺栓连接因传递载荷大在承力结构中得到广泛应用，但连接处往往是结构的薄弱环节，承载时最先破坏。因此，对螺栓连接的失效模式及连接强度进行研究很有意义。

纤维复合材料机械连接强度及破坏模式与接头的几何参数、纤维种类及铺层方向等多种因素有关，很多专家和学者对此进行了广泛的实验研究和理论分析[1~8]，得出了很多指导性的结论。普遍认为连接强度随W/D和E/D的增大而增大，但当W/D 和E/D增大到某一临界值后，其破坏模式由拉伸破坏或剪切破坏转变为挤压破坏时，再增加W/D和E/D对连接强度的提高没有明显作用。

现有的研究大多针对纤维复合材料，而对织物复合材料研究的较少。织物复合材料与纤维铺层复合材料结构及性能不同，连接设计的最佳参数也不相同。Bülent[9]研究了玻璃织物和铝箔混杂铺层复合材料销钉连接挤压强度；刘建超[10]等人实验研究了碳纤维织物复合材料销钉连接接头几何参数对连接性能的影响；Buket[11]等人对销钉连接玻璃纤维织物／环氧层合板的破坏强度进行了研究。本工作针对玻璃纤维织物复合材料螺栓连

接结构，研究了W/D及E/D对螺栓连接强度的影响，并分析了螺栓连接的破坏模式，找出使连接强度最佳的W／D和E/D临界值，为织物复合材料的结构设计及后续研究奠定了一定基础。2实验

2.1原材料

实验采用原材料为增强材料，2×2斜纹高强玻璃纤维布，面密度230g／m2，厚度0.22mm，南京玻纤院生产；树脂基体，环氧树脂体系。

2.2试样制备

复合材料层合板制作采用织物预浸布模压成型。玻璃布通过多功能浸胶机预浸胶，制作成预浸玻璃布，裁剪后在压制平板上铺设，铺设时各层织物经／纬向严格排布，铺设到要求厚度后，在热压机上热压成型。固化制度为RT70℃/3h 100℃/3h 120℃／3h 160℃/6h自然降温，成型压力为4~5MPa。固化后的层板厚度为4mm，树脂含量为38%（质量分数）。板形件脱模后按相关标准进行机加，制作试样。玻璃布层合板的力学性能见表1。

此外，泊松比为0.14，以上数据为纬向数据。

实验采用的试样为长方形试样，试样几何尺寸如图1所示。直径为D的圆孔位于沿试样长度方向的中心线上，E为孔中心到试样端部的距离，W为试样的宽度，拉伸载荷P与试样平行。

试样长度L＝150mm，厚度t＝4mm，连接孔直径D＝6mm。为研究接头几何参数的影响，试样选取了一系列的宽度和端距。试样宽度分别为18,24,30,端距分别为12,18,24,共9组试样，每组试样数为5个。

2.3性能测试

本研究工作进行双搭接单孔螺栓静拉伸实验，螺栓连接性能测试按照ASTM D 5961聚合物基复合材料层压板挤压响应标准试验方法进行。为避免螺栓的破坏，螺栓的强度要远远高于玻璃纤维织物／环氧层合板的强度。螺栓连接实验采用的实验夹具和载荷加载方式如图2所示。实验在MTS318.25材料试验机上进行，加载速率为2mm/min，螺栓扭紧力矩为3N·m，实验过程中设备自动记录加载孔的变形和载荷值，绘制应力-应变曲线。最大破坏强度σa和挤压强度σb的定义分别如下：

其中，Pmax、Pb、D、t分别为最大破坏载荷、应力-应变曲线上起始的线性段偏移2%的挤压应变对应的载荷、孔直径和板厚。

3结果与讨论

分别进行不同接头几何参数W/D及E/D螺栓连接挤压实验。图3所示为螺栓孔应力-应变曲线，图中分别给出了E/D=2、3、4及W/D=3、4、5时所对应的孔应力-应变曲线。由图3可以看出，图3(a)各曲线近似为直线且斜率基本相同，随着载荷的增加孔位移不断增加，约到400MPa左右试样发出噼里啪啦的响声，试样突然破坏，曲线1的破坏模式为拉伸破坏，2和3的破坏模式为剪切破坏。图3(b)各曲线起始段均为直线且斜率基

本相同，试样发出响声后，出现初始损伤（曲线出现斜率变化点），连接强度出现不同程度的降低，但试样继续承载，孔位移不断增加，最终破坏，曲线1的破坏模式为拉伸破坏，2和3的破坏模式为挤压剪切混合破坏。图3（c）各曲线起始段也均为直线且斜率基本相同，初始损伤后，试样继续承载，最终破坏，曲线1为拉伸破坏，2和3为挤压破坏。

表2列出了不同连接几何参数的试样挤压强度、最大破坏

强度值。从表2可以看出，增加边距能增加连接强度，但当边距超过临界值E/D=3时，再增加边距连接强度增加不明显。当W/D≥4时，试样的承载能力基本相同。图4和图5分别给出了不同E/D及W/D时，织物层合板的连接强度（按最终破坏载荷计算）。

在W/D比较小的情况下出现拉伸破坏，如图6(a)所示。增加W，

如果试样E/D比较小，就出现剪切破坏，如图6(b)所示。继续增加E,则出现挤压破坏，如图6（c）所示。拉伸破坏和剪切破坏为试样整体迅速破坏，挤压破坏则为局部破坏，是一种安全的破坏形式。

观察破坏试件可以看到，除W/D＝3的试件外，所有试件孔边受载区均出现挤压的破坏形式。从图4还可以看出，当

E/D≥3，W/D≥4时，即试样端距及边距足够大，试样的最大破坏强度大于挤压强度。综合分析试样的挤压强度、最大破坏强度及试样破坏模式，可以认为当试样的E/D≥3及W/D≥4时，接头强度达到稳定值。玻璃纤维织物／环氧复合材料螺栓连接的临界端距和边距分别是E／D≥3，W/D≥4,与文献[11,12]的研究基本相近。

4结论

(1)连接接头的几何参数是影响玻璃纤维织物复合材料螺栓连接强度的关键因素，织物复合材料机械连接强度随着端距（E/D）和边距（W/D）的增加而增加，当E/D≥3，W/D≥4时，接头性能达到稳定值；

(2)玻璃纤维织物复合材料螺栓连接接头的破坏模式主要表现为拉伸破坏、剪切破坏、挤压破坏的一种或其组合破坏模式。不同的接头几何参数，试样的破坏模式不同，当W/D较小时（W/D≤3），破坏模式主要表现为拉伸破坏；当E/D较小时（E／D≤3），破坏模式主要为端部剪切破坏；当接头几何参数超过最小值（E/D≥3，W/D≥4）时，破坏模式为挤压破坏或者挤压破坏和剪切破坏混合模式。

参考文献

玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料板材的耐冲击性能研究

2009-05-01 09:29:21 作者：中国不饱和树脂网来源： 文字：【大】【中】【小】

董卫卫，黄故

(天津工业大学纺织学院，天津300160)

摘要：采用真空辅助树脂注塑(vacuum assisted resin infusion，V ARI)成型工艺，按4种不同铺层方式制备玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料层合板，研究了其铺层方式对试样冲击性能的影响。结果表明：0°/90°/0°/90°铺层试样的耐冲击性能优于其他3种铺层方式。

关键词：玻璃纤维；不饱和聚酯树脂；层合板；VARI；铺层设计；冲击性能

中图分类号：TS102.42；TQ327.1