文 | 開心營業(yè)廳

編輯 | 開心營業(yè)廳

許多行業(yè)使用的螺栓接頭有各種參數(shù)，這項工作的主要目的是研究墊圈類型作為螺栓連接參數(shù)對層合復(fù)合材料螺栓接頭承載強度的影響。

通過使用三種不同的墊圈類型，對平墊圈、彈簧墊圈和齒形鎖緊墊圈進行了實驗研究。研究中使用準各向同性玻璃纖維增強環(huán)氧層壓復(fù)合材料，四種不同的緊固扭矩(T=2，3，4，5Nm)在實驗中為每種墊圈類型的螺栓接頭選擇。

為了研究復(fù)合材料樣品的損傷模式，選擇E/W比為0.25、0.5、0.75和1，通過質(zhì)心軸對每個樣本進行拉伸測試，根據(jù)這些測試，繪制樣本的載荷-位移曲線。

從載荷-位移曲線獲得螺栓連接的最大失效載荷和承載強度，實驗結(jié)果可以看出，帶有平墊圈的試件的承載強度分別高于帶有齒鎖和彈簧墊圈的試件，較高的擰緊扭矩會增加軸承強度，并且就軸承強度而言，對于損傷容限設(shè)計，E/W比應(yīng)確定為大于0.25。

層狀復(fù)合材料具有高比強度和剛度、高耐磨性、優(yōu)異的耐腐蝕性和耐化學(xué)性、高尺寸穩(wěn)定性以及設(shè)計復(fù)雜形狀的靈活性等多種優(yōu)點，使其在物理、經(jīng)濟和商業(yè)方面有很多應(yīng)用。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造和組裝需要具備可靠連接的能力，機械緊固是汽車和航空航天應(yīng)用中連接復(fù)合材料零件的常用方法，影響承載強度的螺栓參數(shù)有接頭的幾何形狀試樣寬度、端距和孔徑、接頭配置單搭接、雙搭接、單螺栓或多螺栓、加載條件拉伸、壓縮或組合。

墊圈的收緊扭矩和外徑對復(fù)合材料螺栓接頭強度有一定影響，實驗結(jié)果表明，在同一緊緊轉(zhuǎn)矩下，螺栓接頭的荷載位移圖斜率隨墊圈尺寸的減小而增大。

以測量復(fù)合接頭轉(zhuǎn)矩引起的預(yù)載荷進行試驗，結(jié)果顯示復(fù)合板和鋼板連接時載荷隨時間的松弛效應(yīng)和墊圈的影響，有關(guān)試樣幾何形狀及纖維取向?qū)C械接頭的影響的進一步研究。

在機械接頭中，可能會出現(xiàn)多種失效模式，凈張力、剪切、承載和解理，這些模式的組合可能會導(dǎo)致?lián)p壞，失效過程是由于作用在孔表面的接觸力和摩擦力而產(chǎn)生的局部壓縮模式。

在螺栓承載載荷下對石墨、環(huán)氧樹脂層壓板進行了一系列螺栓夾緊扭矩的靜態(tài)和疲勞測試，描述螺栓夾緊力顯著影響靜態(tài)強度和疲勞極限。

其斷裂過程非常復(fù)雜，受到許多參數(shù)的影響，包括墊圈尺寸和橫向夾緊力。通過實驗確定玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂層壓復(fù)合板中機械緊固螺栓接頭的失效模式和承載強度。

預(yù)緊力的增加對失效模式和軸承強度有相當(dāng)大的影響，通過實驗研究了預(yù)緊力矩、濕度和過盈配合對承受牽引力的相結(jié)合，螺栓連接碳環(huán)氧樹脂板的軸承強度和失效模式的影響。

為了確定與第一次失效載荷相應(yīng)的軸承強度，采用TSAI-WU準則，通過實驗和數(shù)值研究，研究具有兩個串口的玻璃纖維增強環(huán)氧復(fù)合預(yù)浸料的第一次失效載荷和固定接頭的承載強度特性。

在最近研究中沒有充分考慮墊圈類型的影響，然而在實踐中，不同類型的墊圈可用于復(fù)合結(jié)構(gòu)的機械接頭，例如平墊圈、彈簧墊圈、齒鎖墊圈或橡膠墊圈。

它們通常可用于分配螺紋緊固件的負載、減少振動、作為鎖定裝置或墊片，機械接頭中使用的墊圈會影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的機械性能。

本研究的目的是通過實驗研究墊圈類型對螺栓接頭機械行為的影響，還檢查了各種參數(shù)、擰緊扭矩J和E/W比率E是螺栓孔距自由邊緣的距離，W是試樣的寬度的影響，用于研究中層壓復(fù)合材料是采用手糊技術(shù)生產(chǎn)的。

在實驗中，使用了三種不同的墊圈類型，考慮了平墊圈、齒鎖緊墊圈和彈簧墊圈以及四種不同的緊固扭矩T=2、3、4、5Nm，E/W比也變化為0.25、0.5、0.75和1，從拉伸試驗中獲得載荷-位移曲線，以確定每個參數(shù)的最大失效載荷和承載強度。

在本實驗研究中，使用了準各向同性玻璃纖維增強環(huán)氧層壓復(fù)合材料，層壓復(fù)合材料由單向無堿玻璃纖維和CY225環(huán)氧樹脂與HY225固化劑共混制成。

層壓板首先在120°C、0.2MPa壓力下固化四個小時，然后將它們在100°C下停留2小時在同樣的壓力下，當(dāng)環(huán)境溫度降至室溫時，層壓復(fù)合板脫模，獲得層壓復(fù)合板的標稱厚度為2.80mm。

為了測量層合復(fù)合板的力學(xué)性能，采用標準試驗方法和標準試樣進行力學(xué)試驗，測定縱向和橫向模量、縱向和橫向拉伸強度以及泊松比。

橫向壓縮強度用于面內(nèi)剪切模量和剪切強度，主要是材料方向，單向纖維增強層板的全局坐標系和材料坐標系，測量的機械性能bvty寶威VIP。

從制備的層壓復(fù)合材料板上切下螺栓接頭的測試樣本，E為螺栓孔距自由邊的距離，L為試件總長度，W是試樣的寬度，D是螺栓孔的直徑，雖然E是可變的，但其他尺寸是恒定的。

144個試驗樣品是從生產(chǎn)的層合復(fù)合板隨機取樣， 對每種變異，考慮3個試驗標本，在這些標本中，研究E/W比率，E改為5，10，15和20毫米，保持樣本寬度恒定(W)。

同時，為了研究收緊扭矩對這些樣品軸承強度的影響，扭矩值變化為2、3、4和5，在測試過程中，采用了三種不同的墊圈類型(扁平型、牙鎖型和彈簧型)來確定墊圈類型對上述變化的影響。

在螺栓連接試驗中，為了找到最大失效載荷和損壞模式，進行一系列實驗，在連接處，使用了5毫米M5螺栓和三種不同的墊圈平墊圈、齒鎖墊圈和彈簧墊圈，其中，墊圈的內(nèi)徑和外徑分別為5.4mm和9.8mm。

在實驗中，使用了一個內(nèi)部螺栓聯(lián)合試驗裝置來研究樣品的損傷模式，樣品在儀器上的緊固配置在緊固過程中，尤其是在試驗前，所有彈簧墊圈的開口方向都是相對于加載方向而定的。

為了進行拉伸試驗，使用具有50kN載荷的通用靜態(tài)拉伸和壓縮試驗機，并將橫梁轉(zhuǎn)速定在1/分鐘，每個試樣通過一個中心軸裝載。bvty

為了確定墊圈類型對軸承強度的影響，進行參數(shù)研究，因此，三種不同類型和四種E/W比率(0.25、0.5、0.75和1)和不同的收緊扭矩是首選。

采用轉(zhuǎn)矩扳手(轉(zhuǎn)矩器-K)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩值為2、3、4和5?？紤]之前結(jié)果，本次研究了收緊轉(zhuǎn)矩對失效行為和軸承強度的影響。

在實驗過程中，對參數(shù)的每個變化都進行三次拉伸測試，對于每個樣本，獲得三種不同墊圈類型的載荷-位移曲線，每個測試都持續(xù)到樣品破裂為止。

根據(jù)這些載荷-位移曲線，確定每個樣本的最大拉伸載荷，從完成的三個測試中獲得平均最大拉伸載荷，然后確定平均承載強度值，為了計算承載強度(σb)，使用以下方程。

Pmax為最大拉伸載荷，D和t分別為復(fù)合材料試件的螺栓孔直徑和厚度，在拉伸載荷下機械緊固的螺栓接頭經(jīng)常以四種基本模式損壞，凈張力、剪切、承載和解理。

然而，這些失效模式的組合在實際應(yīng)用中是可能的，提供由E/W=0.25的軸承模式和剪切模式組成的混合模式損壞，對于其他E/W比率也觀察到類似的損壞特征。

針對不同擰緊扭矩的不同墊圈類型的E/W比對軸承強度的影響，可以看出，對于每種墊圈類型，由于E/W比從0.25增加到1，樣本的承載強度逐漸增加，特別地，由于E/W的比率從0.25變化到0.50，所以觀察到軸承強度值顯示出顯著的增加。

E/W=0.50和T=2Nm時，帶有平墊圈的樣品的承載強度與E/W=0.25和T=2Nm的樣品相比增加了約167%，當(dāng)E/W的比率從0.50變化到0.75時，這種增加約為10%，而當(dāng)E/W的比率從0.75變化到1時，這種增加約為1%。

從實驗中獲得的這些結(jié)果與文獻中的一些研究相似，通過實驗研究玻璃纖維增強環(huán)氧層壓復(fù)合板中機械緊固螺栓接頭的失效模式和承載強度的測定。bvty寶威

帶有平墊圈的樣本獲得最高的承載強度值，由于鎖齒墊圈的鋸齒損傷、彈簧墊圈邊緣開口處的接觸壓力較小和應(yīng)力集中，齒鎖墊圈和彈簧墊圈的這些值分別逐漸減小。

例如，對于E/W=1和T=3Nm，具有平墊圈的樣本的承載強度值分別比具有齒鎖和彈簧墊圈的樣本高約14%和17%，考慮到所有參數(shù)，平墊圈的軸承強度值比齒鎖墊圈和彈簧墊圈分別平均增加7.5%和13%。

專門通過實驗研究墊圈外徑對復(fù)合材料螺栓連接強度的影響，從實驗結(jié)果中，觀察到螺栓接頭的剛度隨著墊圈尺寸的減小而增加。

增加螺栓連接的擰緊扭矩對試樣的承載強度有積極的影響，以雷達圖的形式根據(jù)不同的擰緊扭矩描述了不同墊圈類型對實驗結(jié)果的影響。

對于每種墊圈類型，通過將緊固扭矩從2Nm增加到5Nm，軸承強度會增加，帶有平墊圈的樣本的承載強度似乎分別高于帶有齒鎖墊圈和彈簧墊圈的樣本，許多研究也得到了類似的結(jié)果。

軸承強度通過增加預(yù)載矩而增加，發(fā)現(xiàn)預(yù)裝試樣的軸承強度比未預(yù)裝試樣的高，由于接觸壓力的增加，荷載位移曲線的斜率和螺栓軸承的強度隨收緊扭矩的增加而增加。

E/W=0.25比率時緊固扭矩對軸承強度有一定影響，當(dāng)擰緊扭矩增加時，所有墊圈類型的樣本的承載強度逐漸增加。

當(dāng)擰緊扭矩值從2Nm變化到3Nm時，所有墊圈類型的樣本的承載強度平均顯著增加約20%，然而，該值小于其他擰緊扭矩變化從3至4以及從4至5Nm的增加量，由于接觸壓力更大，帶有平墊圈的樣品比其他樣品具有更高的承載強度。

類似地，E/W=0.5、0.75和1比值時緊固扭矩的影響，分別為7b、c和d，隨著擰緊扭矩的增加，所有墊圈類型的樣品的承載強度逐漸增加。

與其他樣品相比，帶有平墊圈的樣品具有更高的承載強度，對于E/W=0.75和1的比率，具有平墊圈的樣本的承載強度值與具有齒鎖和彈簧墊圈的樣本相比分別顯示出約10%和15%的增加。

一些失效螺栓關(guān)節(jié)試驗樣本的照片E/W=0.25比率，試樣一般會因軸承和剪切出模而損壞，同樣，大多數(shù)試驗樣品對其他參數(shù)的破壞也是一樣的。

在本研究中，收緊轉(zhuǎn)矩的變化E/W比率，以及墊圈類型的變化對試樣的損傷模式?jīng)]有顯著影響，從所有的結(jié)果中得出結(jié)論，由于接觸面較大，帶平墊圈的螺栓接頭在層壓復(fù)合板中具有較高的承載強度，我們亦注意到，收緊轉(zhuǎn)矩的增加(T)及E/W比率提高了螺栓接頭的軸承性能。

帶平墊圈的試件比帶齒鎖和彈簧墊圈的試件具有更高的承載強度，當(dāng)E/W=1時，帶有平墊圈的樣本的承載強度分別比帶有鎖齒墊圈和彈簧墊圈的樣本高約14%和17%，當(dāng)考慮所有E/W比率時，該值平均變化7.5%和13%。

因此，如果沒有要求，就承載強度而言，在層合復(fù)合材料螺栓連接應(yīng)用中應(yīng)優(yōu)先考慮接觸面積較大的平墊圈，由于齒鎖緊墊圈的鋸齒損傷，以及彈簧墊圈邊緣開口處的接觸壓力較小和應(yīng)力集中，齒鎖緊彈簧墊圈的連接處的承載強度逐漸降低。

值得注意的是，較高的緊固扭矩會增加螺栓接頭的承載強度，因此，就復(fù)合結(jié)構(gòu)的安全性而言，適合對螺栓施加高擰緊扭矩，隨著擰緊扭矩和E/W比從0.25增加到1，層合復(fù)合板的承載強度增加，特別是，當(dāng)E/W比從0.25變化到0.50時，承載強度值顯示出顯著的提高，對于承載強度方面的損傷容限設(shè)計，E/W比應(yīng)確定為大于0.25。

損傷模式完全受樣本幾何參數(shù)的影響，例如E/D、W/D或E/W，關(guān)于這些參數(shù)有很多研究，然而，由于本研究中試件的寬度是恒定的，E/W比的變化不會影響試件的損傷模式，所有試件均以承載+剪切方式破壞。

參考文獻

【1】王軼哲，《復(fù)合材料層合板螺栓連接接頭的失效研究》，南京航空航天大學(xué)，2015。

【2】吳明宇，《改性碳纖維復(fù)合材料層合板拉伸破壞研究》，太原理工大學(xué)，2021。

【3】仇剛，朱福先，朱興民等，《碳/玻混雜復(fù)合材料層合板單釘螺栓連接孔邊應(yīng)力分析》，復(fù)合材料科學(xué)與工程，2023。

【4】李煜昊，《復(fù)合材料層合板螺栓連接的可靠性研究》，哈爾濱工程大學(xué)，2018。

【5】劉長喜，《復(fù)合材料層合板螺栓連接擠壓性能表征分析及夾具研究》，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017。