纖維增強復(fù)合材料螺栓連接破壞模式與破壞荷載試驗研究

纖維增強復(fù)合材料螺栓連接破壞模式與破壞荷載試驗研究

由于其材料結(jié)構(gòu)的強度很高，抗疲勞、抗腐蝕和材料性能的優(yōu)點，以及各個領(lǐng)域的應(yīng)用，越來越受到重視。為了利用復(fù)合材料制造大型承力結(jié)構(gòu),復(fù)合材料構(gòu)件之間、復(fù)合材料構(gòu)件與金屬構(gòu)件之間的連接不可避免,其中機械連接是目前比較重要的一種連接形式。根據(jù)前人的大量研究成果,普遍認為復(fù)合材料機械連接的承載力隨接頭幾何尺寸的增加而增大,接頭的破壞模式由拉伸、剪切或劈裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榭走吘植繑D壓破壞,并且承載力最終將趨于穩(wěn)定。一般而言,單釘連接取W/D≥5(板寬/孔徑)、E/D≥3(端距/孔徑)、孔心距板邊至少2~2.5倍孔徑時,復(fù)合材料接頭只會發(fā)生孔邊局部擠壓破壞,并在此基礎(chǔ)上確定了多釘連接時復(fù)合材料接頭幾何尺寸的設(shè)計要求,認為在滿足表1的前提下,接頭不會發(fā)生拉斷、剪切或劈裂等破壞形式。但是上述結(jié)論主要是針對航空航天領(lǐng)域中廣泛使用的、對纖維鋪層有具體要求的層合板結(jié)構(gòu)開展研究后所得到的。此類層合板一般采用手糊或模壓成型,接頭部分纖維走向和鋪層比例可以根據(jù)接頭受力特點單獨設(shè)計,一般由0°、±45°和90°這4種纖維鋪層方向組成,推薦的連接區(qū)各方向纖維鋪層含量范圍為:±45°層≥40%,0°層≥30%,90°層=10%~20%。除航空航天領(lǐng)域之外,復(fù)合材料構(gòu)件在土木工程承重結(jié)構(gòu)中的使用也逐步廣泛,并且多采用機械連接方式進行構(gòu)件間的連接,如SwissAlps附近的PontresinaBridge復(fù)合材料人行桁架橋,橋梁桁架結(jié)構(gòu)采用拉擠型材制作,共2跨,每跨長12.5m,高1.48m,其中一跨采用螺栓連接,另一跨采用雙組分環(huán)氧樹脂膠膠接,已安全使用多年;丹麥Koldingbridge復(fù)合材料橋,橋的支撐系統(tǒng)為拉擠型材桁架,節(jié)點采用螺栓連接,整橋可承受5噸重輪式荷載;美國MotherwellBridgeCompositeStructures公司曾制造復(fù)合材料拉擠型材屋頂桁架結(jié)構(gòu),構(gòu)件端部補強并采用螺栓進行連接。但是,土木工程中所使用的復(fù)合材料與航空航天領(lǐng)域中使用的復(fù)合材料不完全一樣。一般而言,土木工程中使用的復(fù)合材料其纖維走向比較單一,主要以構(gòu)件長度方向為主,材料性能在縱橫向差異較大,同時構(gòu)件接頭部分的纖維走向也無法進行單獨設(shè)計和制造。此類構(gòu)件進行梁體接長和梁柱固接時,接頭部分將受到扭矩作用,所以其構(gòu)件的機械連接接頭及接點板不僅需要在材料強方向傳力,而且也需要在材料弱方向傳力。復(fù)合材料的力學(xué)性能主要由纖維走向決定。順纖維方向或材料強方向受力時,即便W/D≤5,一般也不會發(fā)生孔邊拉斷破壞,且隨著E/D的增大,破壞荷載將趨于穩(wěn)定;但是橫纖維方向或材料弱方向受力時,即便W/D取值較大,連接處也可能發(fā)生拉斷破壞,對結(jié)構(gòu)安全威脅較大。因此,對此類復(fù)合材料機械連接中材料弱方向受力的破壞模式及破壞荷載進行研究具有重要意義。1無堿玻璃布/環(huán)氧酚醛層壓板材料特性分析為了研究復(fù)合材料機械連接接頭在材料弱方向受力時構(gòu)件的破壞模式與破壞荷載,以纖維雙向鋪設(shè),其中一方向強度遠大于另一方向強度的玻璃布/環(huán)氧酚醛層壓板作為研究對象。材料以無堿玻璃布/環(huán)氧酚醛樹脂預(yù)浸料加熱模壓成型,具有良好的機械性能和加工性能。材料中各層玻璃布鋪設(shè)方向均一致,由于玻璃布經(jīng)緯向性能的差異造成了材料力學(xué)性能具有強弱方向。試驗中以材料弱方向作為軸向受力方向,固定復(fù)合材料板E/D,以W/D作為變化參數(shù)設(shè)計了6組單螺栓連接的拉伸試驗,研究了接頭的破壞模式及破壞荷載,分析了W/D變化對它們的影響規(guī)律。1.1試件的制作和制作試驗中復(fù)合材料機械連接試件采用單螺栓雙搭接形式,試件樣式如圖1所示,其中復(fù)合材料制作單板,鋼材制作雙板,所制作接頭中復(fù)合材料部分的幾何參數(shù)表達參見圖2。根據(jù)材料性能試驗確定的復(fù)合材料性能參數(shù)見表2。試件制作時將復(fù)合材料的材料性能弱方向設(shè)計為接頭軸向受力方向。此外,復(fù)合材料的材料泊松比取0.17。試件中復(fù)合材料板長度L=200mm,厚度t=10mm,連接螺栓孔直徑D=10mm,位于試件長度方向的中心線上。由于連接接頭的拉斷破壞主要由W/D控制,為考察W/D變化對其機械連接破壞模式及破壞荷載的影響,在遵循以往復(fù)合材料機械連接接頭設(shè)計尺寸要求基礎(chǔ)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。每組試件制作3件,共6組18個試件,試件編號見表3,試件上的螺栓擰緊力矩取25Nm。參考相關(guān)文獻中的試驗設(shè)計,使用30t萬能試驗機對試件緩慢勻速施加豎向拉伸荷載直至其破壞,記錄試件破壞荷載及破壞模式并拍照,試驗加載速率控制在2mm/min左右。試驗中由于復(fù)合材料在夾具上不易直接夾持固定,設(shè)計了輔助夾具及加載方式,具體輔助夾具設(shè)計及加載方式見圖3。1.2接頭破壞應(yīng)力試驗中試件的破壞荷載及破壞應(yīng)力統(tǒng)計見表4、5。試件破壞模式一致,均為復(fù)合材料孔邊拉斷,具體可參見圖4。表4中接頭破壞應(yīng)力定義為:σ=Pmax/Wt,其中,Pmax為破壞荷載,W為破壞處凈板寬,t為板厚。試驗中試件破壞時,均是發(fā)出“啪”的響聲,同時在復(fù)合材料板孔邊瞬間被拉斷。2試驗結(jié)果的分析2.1復(fù)合材料孔邊破壞形式從表4、5的試驗數(shù)據(jù)和試驗現(xiàn)象可知,在E/D=4.5的前提下,隨著W/D的增大,試件均是在復(fù)合材料孔邊被拉斷,并沒有其它破壞形式的出現(xiàn)。另外,隨著W/D的增大,此類復(fù)合材料機械連接的破壞荷載逐漸增大,但當(dāng)W/D≥7之后破壞荷載的發(fā)展趨勢及數(shù)值基本趨于穩(wěn)定,同時接頭破壞應(yīng)力一直都呈下降趨勢,破壞荷載趨向穩(wěn)定,而板寬繼續(xù)增大,破壞應(yīng)力必然下降(參見圖5、6)。2.2基于anasis的孔邊應(yīng)力模型按照試驗中對試件的約束條件和得到的破壞荷載,采用ANSYS對上述試驗結(jié)果進行數(shù)值模擬。模擬中可簡化分析模型,只建立機械連接中復(fù)合材料部分。復(fù)合材料由于沒有復(fù)雜的鋪層結(jié)構(gòu),可以將其看作整體,簡化為各向異性材料,采用Solid64單元建模。軸向拉伸荷載所引起的螺栓對接頭孔邊的擠壓作用可簡化為孔邊的余弦分布荷載,利用ANSYS中的函數(shù)功能將孔邊余弦分布荷載施加在模型的孔邊。模型的位移邊界條件可設(shè)置為將其遠離螺栓孔那一端的所有節(jié)點自由度全約束。各組試件在其各自平均破壞荷載作用下,復(fù)合材料板孔邊應(yīng)力分布如圖7所示。從復(fù)合材料板孔邊應(yīng)力的分布可以看出在孔邊有明顯的拉應(yīng)力集中,應(yīng)力集中區(qū)域與接頭破壞位置相同,且在W/D≥7以后,孔邊應(yīng)力分布趨于一致。2.3拉伸應(yīng)力分析由于復(fù)合材料是一種彈脆性材料,不像金屬材料那樣具有明顯的塑性階段,因此,應(yīng)力集中對復(fù)合材料開孔處的影響更加明顯。根據(jù)ANSYS分析結(jié)果,各組試件復(fù)合材料斷裂處從孔邊至板邊緣(設(shè)其長度為Lh)的拉伸應(yīng)力變化趨勢如圖8所示。由于各組復(fù)合材料試件板寬不一致,且在距孔邊2mm以后,拉伸應(yīng)力變化均趨于平穩(wěn)均勻,為便于對比,各組試件斷裂處的拉伸應(yīng)力均只取到距孔邊15mm處為止。從圖8可以看出,復(fù)合材料板斷裂處從孔邊開始至2mm處拉伸應(yīng)力變化極為劇烈,且在距孔邊1.5mm以后拉伸應(yīng)力均低于材料拉伸破壞強度。根據(jù)最大應(yīng)力破壞準(zhǔn)則,當(dāng)復(fù)合材料孔邊的拉伸應(yīng)力達到材料極限狀態(tài)時即可判定材料破壞。此處由于應(yīng)力集中的影響,復(fù)合材料孔邊首先達到材料的拉伸破壞強度而破壞。同時由于復(fù)合材料的脆性,一點破壞即可迅速發(fā)展導(dǎo)致孔邊整體拉斷。試驗中觀察到的試驗現(xiàn)象亦印證了這一點,當(dāng)接頭復(fù)合材料板孔邊出現(xiàn)裂紋后,裂紋急速向兩邊擴展,復(fù)合材料在孔邊瞬間斷裂。3結(jié)構(gòu)機械連接設(shè)計分析本文用試驗手段初步研究了材料縱橫向性能差異較大的纖維增強復(fù)合材料的機械連接中,材料弱方向受拉力作用時的破壞荷載、破壞模式與連接接頭幾何尺寸之間的關(guān)系。對于縱橫向性能差異較大的復(fù)合材料,如果荷載作用于材料性能較弱的方向,由于復(fù)合材料的彈脆性力學(xué)特點、孔邊嚴重的應(yīng)力集中以及孔邊應(yīng)