聚合物基復合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗方法 編制說明

1根據(jù)國家標準化管理委員會2022年的“關于下達2022年第二批推薦性國家標準計劃及相關標準外文版計劃的通知”要求，由中國飛機強度研究所負責制定國家標準《纖維增強聚合物基復合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗方法》計劃的制定工作，計劃編號為20220454-T-609。項目由全國碳纖維標準化技術委員會（SAC/TC39）為技術歸口單位，并于2022年6月以增塑標（2022）字第（22）號文下達研制計劃，該計劃的起止時間為2022年6月至2024年4月。中國飛機強度研究所于2022年6月開始了本標準的制定工作。復合材料結構連接方式主要包括膠接、機械連接、混合連接等，其中機械連接是最重要、應用最廣泛的連接形式。其中復合材料緊固件拉脫性能是評價結構連接可靠性的重要手段，同時也可以通過此性能表征層壓板連接結構設計的合理性，是非常重要的一個設計參數(shù)。同時隨著我國復合材料產業(yè)的大力發(fā)展以及復合材料在結構上的大量應用，為確保得到合理、可信的試驗數(shù)據(jù)，規(guī)范復合材料緊固件拉脫試驗阻抗方法、試驗夾具、操作流程和數(shù)據(jù)處理方法，為復合材料及其結構研制提供可信的試驗數(shù)據(jù)。本標準由中國飛機強度研究所負責起草，2022年6月接受國家化管理委員會國家標準制定任務后，標準編制單位立即展開相關標準制定工作。2022年8月，在中國飛機強度研究所為編制單位的《纖維增強聚合物基復合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗方法》標準編制組，并召開了標準編制組第一次會議。會議就《纖維增強聚合物基復合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗方法》擬執(zhí)行的方案進行了深入的討論，逐項討論了收集到的國內外關于纖維增強聚合物基復合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗方法以及與之相關的標準，并結合中國飛機強度研究所前期的大量試驗數(shù)據(jù)與測試技術分析，共同制定了初步工作計劃、編制原則和國標的總體方案，同時形成3項行動22022年9月，中國飛機強度研究所完善和補充編制原則和工作計劃。2022年9月~2023年6月期間，開展標準框架討論與確定，開展試樣、夾具、試樣設備要求的確定研究，開展試驗方法步驟流程的確定與討論，開展試樣失效模式的分析與描述等研究內容。2023年10月，在進行測試工作、數(shù)值仿真分析基礎上對前期試驗數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，由此確立了適合纖維增強聚合物基復合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗方法，并完成標準和編制說明初稿的編制。同時，中國飛機強度研究所課題組內部對標準和編制說明初稿進行討2023年12月，中國飛機強度研究所相關標準制定人員共同就標準中需要完善的技術問題進行討論，并對標準和編制說明初稿進行討論、完善和修改。根據(jù)討論的結果和建議正式形成了《纖維增強聚合物基復合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗方法》征求意見稿和標準編制說明。本標準是在參考ASTMD7332《測量纖維增強聚合物基復合材料緊固件拉脫阻抗的試驗方法》、HB8662《航空用聚合物基復合材料層合板緊固件拉脫阻抗試驗方法》并結合纖維增強聚合物基復合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗研究結果以及數(shù)值仿真結果而編制的。4.2.1標準名稱根據(jù)國家標準化管理委員會2022年的“關于下達2022年第二批國家標準制修訂計劃的通知”要求，由中國飛機強度研究所負責制定的國家標準名稱為《纖維增強聚合物基復合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗方法》。4.2.2標準適用范圍本標準的適用范圍為：“本規(guī)范規(guī)定了聚合物基復合材料層壓板緊固件拉脫阻抗測試方法的原理、定義、符號和說明、試樣及其尺寸測量、試驗設備、試驗規(guī)程、試驗結果的評定和試驗報告。本標準適用于測定聚合物基復合材料層壓板緊固件拉脫阻抗。”。4.2.3術語和定義術語和定義主要根據(jù)GB/T3961確立的術語和定義。3拉伸加載法(方法A)和壓縮加載法(方法B)。圖1緊固件拉脫試驗夾具(方法A)44.2.5本標準的試樣與取樣要求《纖維增強聚合物基復合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗方法》力學性能試樣每組不少于5個，并保證同批有5個有效試樣。該條制定是為了滿足適航條款CCAR25-603(a)的要求，這里的有效試樣就是指可接受破壞模式下的拉脫阻抗性能結果。之所以確定為5個，是基于目前行業(yè)內的普遍認同來確定的。如CMH-17G復合材料手冊中給出的一般類型試驗矩陣中的建議數(shù)量。當然，為了獲得實際許用值，往往還需要多個爐批次的有效試驗數(shù)據(jù)，但可能根據(jù)設計方要求不同而變化。由于指定本標準希望適用于更多的民機結構驗證試驗，本標準只給出了獲取結構設計值每批次的有效試樣數(shù)量，而沒有規(guī)定必須達到獲取設計許用值的具體數(shù)量。試樣制備按GB/T1446的規(guī)定。制孔時應欠尺寸鉆孔，然后鉸孔至最終尺寸，應避免孔周圍的材料出現(xiàn)分層或其他損傷。該條制定是根據(jù)實際生產經驗確定，由于機械加工中難免有金屬屑飛入加工表面，導致意外的孔邊損傷，而復合材料對于孔邊應力集中較金屬更為敏感，為了減少因制造引起的數(shù)據(jù)分散性增加影響試驗結果有效性，本標準提出了欠尺寸鉆孔和鉸孔至最終孔徑的要求。5標準規(guī)定試樣應具有對稱均衡的鋪層形式，且預浸帶層合板至少有3個方向的纖維(如圖3所示),織物層合板至少有2個方向的纖維。圖3多向層合板的典型破壞模式一般情況下，凸頭緊固件的拉脫強度是最高的，接著依次(按拉脫強度減小的順序)是6試樣最小厚度(mm)凸頭緊固件100°沉頭100°沉頭剪切頭緊固件100°沉頭剪切130°沉頭緊固件盡管釘截面積增加了1.7倍，但最終拉脫強度僅提高了1倍，表明較合適的。基于實際經驗，對本標準試驗方法的設計參數(shù)做如下規(guī)定(見表2)。7圖5緊固件拉脫試驗載荷位移曲線(釘徑對比試驗)最小寬度夾具孔直徑4.2.6本標準的夾具和設備要求夾具幾何尺寸見圖1,其中參數(shù)L、Dg等參數(shù)參考4.2.5節(jié)及表2。有關夾具幾何尺寸的編制依據(jù)，可參見第4.2.5節(jié)，這里不再贅述。本試驗中涉及的試驗設備主要包括試驗機、浸潤箱(濕態(tài)試驗)以及環(huán)境試驗箱(環(huán)境試驗)。試驗機要求可參照GB/T1446第5章執(zhí)行。8浸潤箱主要用于使?jié)駪B(tài)試樣在非試驗室環(huán)境下達到吸濕平衡，要求浸潤箱能夠控制溫度和濕度水平，能夠將試樣保持在±3℃溫度和±3%相對濕度以內。環(huán)境試驗箱，要求環(huán)境箱能夠使試樣和夾具在試驗期間能夠達到所要求的試驗溫度，并保持在所要求溫度的±3℃以內。4.2.7試驗步驟試驗步驟主要包括試驗前準備（包括試樣檢查、狀態(tài)調節(jié)等）、試樣/夾具安裝、數(shù)據(jù)采集和失效模式記錄幾個部分。其中試樣檢查和試樣狀態(tài)調節(jié)可參考GB/T1446-2005中4.2節(jié)的規(guī)定。下面根據(jù)本試驗特點，對試驗步驟中需要注意的事項進行說明，也是編寫本試驗標準的參考依據(jù)。4.2.7.1試驗前準備-幾何尺寸測量本試驗主要用于研究緊固件/層壓板結構的拉脫性能，根據(jù)前面的分析可知，采用不同的緊固件、緊固孔直徑、層合板厚度、夾具孔孔徑以及沉頭深度（采用沉頭緊固件對試驗結果均會造成影響。本標準主要用于緊固件/層合板結構的篩選、比較等工作，這些幾何尺寸的實測值直接關系到本試驗數(shù)據(jù)是否有效，因此試驗前應當測量試樣緊固孔孔徑、試驗板厚度，夾具孔孔徑，對于沉頭連接件還要測量沉頭深度。4.2.7.2安裝對中性要求本試驗位于試驗機夾頭之間的構件較多，因此對試驗安裝對中問題提出了較高的要求，在試驗前，應當檢查耳叉與層合板中心孔是否對中。4.2.7.3緊固件擰緊力矩要求采用不同的擰緊力矩可能改變緊固件/層合板的拉脫性能和破壞模式，應當采用一個經過標定的扭矩扳手安裝緊固件，并記錄該擰緊力矩。4.2.7.4加載與卸載要求復合材料在發(fā)生局部損傷后，通常會發(fā)生損傷擴展，這種損傷擴展有時會暫時性增加結構的承載能力，然而這種不可逆損傷對結構的最終承載能力是致命。由于分層擴展具有一定的速率，當試驗加載速率較快時，可能在達到破壞載荷時結構內部并未完全擴展到位，從而獲得了偏高的強度結果。飛機結構在服役過程中，有時承受突發(fā)載荷是偶然性的，當這種偶然載荷僅造成了復合材料內部損傷而未達到破壞載荷時，結構能夠繼續(xù)承載，但此時損傷正9螺紋、螺母、螺桿等任意部位，較全面地描述了破壞模式。因此，本標準采用了與ASTM標準相同的失效模式描述方法，見表3。為了便于工程應用，標準模式及其三段式代碼對照表，如圖8所示。失效形式失效區(qū)域分層DAB緊固件拉伸F緊固件盲頭BD層合板彎曲L緊固件鎖環(huán)CFP緊固件凸緣FHX緊固件頭H左L其它OL中M多個區(qū)域M右R緊固件桿S凸緣剪切或螺紋脫扣STT各種V各種V未知U未知U圖8緊固件拉脫試驗典型失效模式表6所示為國內某材料拉脫阻抗性能試驗數(shù)據(jù)。從表中可以看出，對拉脫強度影響較大，其中不同幾何尺寸下低溫環(huán)境對拉脫性能影響可能是增強或減弱，135℃濕態(tài)則削弱了拉脫性能，嚴重時削弱了22.5%的極限強度。根據(jù)有關適航條款，特別了與環(huán)境試驗和狀態(tài)調節(jié)有關的試驗步驟，具體見標準草案§6.3§6.4和§8。表4國內某材料拉脫阻抗性能試驗數(shù)據(jù)0?/±45?/90?鋪層比例(%)緊固件直徑Φ(mm)試樣幾何尺寸長×寬×厚(mm×mm×mm)力學性能室溫干態(tài)-55°C干態(tài)濕態(tài)40/50/10Pi(kN)59.472.1 δi(mm)4.575.79 Pb(kN)70.972.654.9Pmax(kN)76.882.159.640/50/10Pi(kN)53.7 δi(mm)4.39——Pb(kN)52.451.543.6Pmax(kN)60.958.259.240/50/10896×96×10Pb(kN)48.1 31.8Pmax(kN)51.952.353.2本標準中所含內容沒有以任何形式發(fā)表，也未申請過知識產權。同時也未侵犯第三方的知識產權和其他權利。國內外相關測試標準有ASTMD7332《測量纖維增強