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材料



CFRP 复合材料铆接搭接接头疲劳强度失效机制


·戈齐米尔斯基,马雷克·罗斯科维奇


、MichałJasztal*IgaBarca


军事技术大学机电一体化、武器航空航天学院00-908华沙,波兰


*对应关系:michal.jasztal@wat.edu.pl


摘要:这项工作背景寻找连接复合材料的最有效方法特别是在航空应用中。本研究的目的是分析机械紧固件类型复合材料元件搭接接头静态强度的影响,以及紧固件对此类接头在疲劳载荷下失效机制的影响第二个目标是检查这种接头的杂化(包括用粘合接头补充它们)在多大程度上影响它们的强度这种受力接头的失效机制疲劳。使用计算机断层扫描技术观察到复合关节的损伤。本研究中使用的紧固件(铝铆钉、Hi-lok 和 Jo-Bolt)不仅在制造材料方面有所不同而且在施加在连接件上的压力也不同部件。最后,为了检查部分开裂的粘合接头如何影响紧固件上的负载,进行了数值计算分析研究结果发现混合接头粘合接头的部分损伤不会增加铆钉负载不会影响接头疲劳寿命混合接头的一个重要优点是连接的两阶段破坏这大大提高了飞机结构的安全性并促进了监督其技术状况的过程。


关键词:铆接混合接头;静态强度;疲劳寿命;失效机制


引自:Godzimirski, J.;罗斯科维奇,M.;贾斯塔尔,M.;Barca, I. CFRP 复合材料铆接搭接接头的静态和疲劳强度和失效机制。材料 202316
,


编号 1768.https://doi.org/10.3390/ ma16051768


学术编辑:KarimBenzarti


收稿日期:2023-02-1


修回日期:2023 年 2 月 15


接受日期:2023-02-17


发布日期:2023 年 2 月 21


版权所有:©2023作者所有被许可方MDPI,巴塞尔,瑞士。本文是根据知识共享署名 (CC BY) 许可证 (https:// creativecommons.org/licenses/by/ 4.0/) 的条款和条件分发开放获取文章


介绍


近年来,复合材料(如 CFRP-碳纤维增强聚合物)在机械工程中的使用有所增加,包括当前制造的飞机的设计。这是因为复合材料的显着优势,包括但不限于与多年来一直主导飞机设计的铝合金相比,它们的密度较低复合材料的一个重要优势还在于其非常高的疲劳寿命[16]。


与机械工程中使用复合材料(如CFRP)相关的问题是与结构金属相比,它们对表面压力的抵抗力较低[79],这就是为什么仍在寻找最有效方法来组装复合材料部件的原因复合材料部件通过胶粘剂粘接、机械粘接或在混合(胶粘剂-机械)接头中使用这两种技术进行连接。机械混合接头连接航空结构中复合材料元件推荐技术因为这种类型的接头诊断敏感性要高得多胶粘剂相比疲劳寿命明显更高航空设计此类解决方案认证过程更容易,并且在机械接头的情况下,可以选择拆卸紧固件 [1012]。


机械节点的设计紧固件结构节点中放置几何形状是一个重要的装配因素。在连接复合零件紧固件放置几何形状(安装设计方案)相关的装配建议金属零件更加严格因为复合材料有限表面耐压性[13]。因超出其表面而对复合材料造成的损坏


压力强度表现为浸渍剂在复合层水平上“支撑”的纤维屈曲,胶粘剂在纤维界面处的剪切,以及从基体中释放的纤维的破坏[1416]。


复合材料的层状结构和复合材料材料的各向异性特性进一步加剧了复合材料部件的装配问题[17]。因此,复合材料的情况下安装执行本身就成为一个重要的研究问题大量研究表明强度 机械接头取决于许多因素,包括但不限于钻孔过程安装间隙过大(孔紧固件配合)造成的损坏[18]21]。此外,我们可以在文献 [2223] 中找到关于层数、方向、纤维增强聚合物材料和接头几何形状FRP 改造的管状 X 连接应力集中因子的影响的工作。 本文利用有限单元模型实验数据验证。


复合材料表面压力的抵抗力有限的问题可以通过使用混合(机械-粘合剂)接头来解决其中粘合剂在接头重叠的末端(安装孔的区域)受力最大,显著降低了紧固件芯轴对复合材料孔表面的压力,或者,看起来,通过有效利用安装孔区域中连接元件之间发生的摩擦现象[24]。


根据文献数据,已知机械关节中,连接元件之间传递载荷,也会考虑摩擦现象[2526]。承受循环载荷的金属部件安装附近的摩擦增加,这是由于连接元件的配合面磨损和磨损产物的数量等因素造成的。


在由机械紧固件连接的复合材料部件中,载荷也部分由摩擦传递[2729]出版物中提供的数据表明摩擦增加相关的规律使用复合机械紧固件接头疲劳试验中的系数[30]。此外,一些作者[28]认为增加循环载荷接头摩擦系数的效果可能会补偿装配夹紧的损失,这是复合材料以及机械紧固件装配区域中连接零部件几何尺寸的变化


摩擦积极影响可以通过增加安装压力的反作用加剧因此,许多出版物介绍了使用带有机械紧固件和垫圈的复合材料的接头性能 [31]。机械垫圈接头性能的影响效果取决于垫圈的几何形状,这与组件压力的作用场的大小直接相关[29,31]。


本文的论点是,在复合材料的机械连接的情况下,夹紧力也参与载荷传递,将对降低紧固件柄和复合材料之间产生的表面压力产生积极影响,从而延长接头疲劳寿命。因此,使用产生更高夹紧力的机械紧固件应防止复合材料安装区域的降解从而对接头的疲劳寿命产生积极影响 [3233]。


因此,本研究旨在确定机械紧固件类型夹紧的影响CFRP机械接头的负载能力、疲劳寿命失效机制的影响复合零件。此外,决定评估这种接头杂化包括粘合接头补充)在多大程度上影响它们的静态强度和这种疲劳接头的失效机制研究的一个关键目标是确定疲劳加载复合材料部件机械混合接头退化机制


使用计算机断层扫描技术,这是观察复合材料疲劳失效的更有效方法之一 [3435]。最后,为了检查部分开裂的粘合接头如何影响紧固件上的负载,进行了数值计算 这项工作的创新和研究意义在于成果可以直接用于机械使用上述航空用紧固件的混合连接。这项工作的一个重要组成部分是展示部分损坏的混合连接的重要剩余负载能力。


研究对象


实验研究中使用了使用 WaterJet 技术从复合材料上切割的部件CFRP(碳纤维增强聚合物)型复合材料采用高压釜技术制成,由七层 DF285 型预浸料制成,这些预浸料按照方案 [45, 0, 45, 45, 0] 排列复合材料固化条件如下:以 2 C/min 的梯度加热至 120 °C,在 120 °C 下退火 90 分钟,以 2 °C/min 的梯度冷却至 40 °C。以尺寸为 100 mm 长、25 mm 宽和 2.2 mm 厚的切割件为基片制备搭接长度为 50 mm 的单搭接接头。以下机械紧固件用于连接元件:3560A铝合金铆钉(直径4mm),Hi-lokHL1012 系列(直径4.12mm)-钛合金紧固件具有套环和单侧 Jo-Bolt 紧固件(直径 4.12 mm 的钛钢)——图 1[3637]。


1.用于准备接头的紧固件


直径4.1mm的试样上的安装位于连接部件宽度一半,并且凸耳边缘保持一定距离等于安装紧固件的两个直径 实验研究中使用的连接如图 2 所示
.


2.实验研究中复合材料的连接


本研究中使用的紧固件不仅制造材料方面有所不同而且它们施加连接件上的压力方面也有所不同安装孔附近的零件。使用 CT 扫描仪孔附近组合元件厚度进行测量,结果表明,在用 Jo-Bolt 紧固件组装元件后,最高压力出现。测量结果显示,紧固件位置的试样厚度减少,Hi-lok 紧固件的平均厚度为 1.6%,Jo-Bolt 紧固件的平均厚度为 3.1%——图 3
.


3.安装附近接缝的说明性断层照片a使用Hi-lok紧固件;


b 使用Jo-Bolt紧固件。


变形 ε = 0.016 时,Hi-lok 紧固件引起的压力顺序如下:

σ = ε × E = 0.016 × 7000 = 112 MPa


其中:σ - 压缩应力,ε - 变形,E = 7000 MPa -复合材料在垂直于织物的方向上的纵向弹性模量值。然而,变形ε=0.031 时,Jo-Bolt紧固件引起的压力为:

σ = ε × E = 0.031 × 7000 = 217 MPa


了解直接压在复合材料上的紧固件元件表面可以估计紧固件引起的压力:


FHiLok=σ×A112×303360 N F JoBolt=σ×A217×183906N


其中:σ - 压缩应力A -直接压紧紧固件下的面积


复合上。


除了上述机械紧固件外,还使用了质量比为 10:1 的 Epidian 57/Z1 胶粘剂 (Ciech Sarzyna S.A.) 与 Z1 固化剂混合制成混合(机械胶粘剂)接头。混合接头中的机械紧固件与机械接头的安装方式相同,即靠近粘合接头的重叠端,这意味着它们安装在粘合接头力最大的区域按照制造商的建议胶粘剂两个阶段固化即室温下 24 小时和 80 °C 下 8 小时。粘合剂的固化过程发生在安装机械紧固件之后。为了将胶粘剂的厚度保持在 0.1 mm,将间隔螺纹插入接头中。CFRP 元件的表面是通过用丙酮清洗、用无纺布磨料打磨,然后再次用丙酮清洗来制备的。


研究方法


在实验测试的第一阶段,确定了机械和混合接头的静态容量。关节的负载能力值被用来定义疲劳(耐久性)测试期间的负载。MTS809轴向/扭转试验机用于静态疲劳试验。使用三个关节试样评估机械和混合关节承载能力 2mm/min 的速率进行静态测试,在 20Hz 频率的可变负载范围内进行耐久性测试规定数量的疲劳循环后,通过计算机断层扫描测试连接,以评估接头的失效程度。


静态测试的结果


三次测试确定的带有 3560 A 铝合金铆钉变体机械接头的负载能力等于:6.68 kN、6.83 kN 和 6.68 kN(平均值 -6.73 kN);对于带有 Jo-Bolt 紧固件的变体:9.30 kN、9.69 kN 和 9.78 kN(平均值-9.59kN);对于Hi-lok紧固件变型10.98kN、10.10kN


10.25 kN(平均值 - 10.44 kN)。图 4显示了机械接头的拉伸曲线示例。


4.机械接头拉伸曲线


混合接头承载能力分别为14.80kN、14.30kN 和14.50kN(平均值14.53kN)。使用Hi-lok紧固件时,分别为14.07kN、14.20kN 和 14.40 kN(平均值 -14.22 kN),使用 Jo-Bolt 紧固件时,分别为 15.31 kN、15.05 kN 和


15.40kN(平均值-15.25kN)。5显示了混合接头拉伸曲线


5.混合接头拉伸曲线


使用Jo-BoltHi-lok紧固件接头承载能力明显高于使用铆钉接头根据所使用的紧固件,观察到各种形式的接头破坏3560 A 铆钉接头的破坏是由于铆钉剪切造成的,而 Hi-lok 和 Jo-Bolt 紧固件的接头是由于复合材料的表面压力和剪切而发生的——图 6
.


6.机械接头的破坏形式a铆钉,bHi-lok紧固件,c用 Jo-Bolt 紧固件。


3560A铆钉剪切强度为:

Rt = F = 2 × 6730 = 268 MPa


2π2

π × 42


过来,3560A铆钉表面压力为:


p = F= 6730= 382 MPa (1)

2 × g × d2 × 2.2 × 4


其中:d—铆钉直径(锻造铆钉)g复合厚度。


以上计算的表面压力没有复合元件中的表面造成明显的损坏因此可以认为它们是可以接受的。使用 Jo-Bolt 紧固件的复合材料破坏压力为:


p = F= 9590= 532 MPa (2)

2 × g × d2 × 2.2 × 4.1


同样,使用Hi-lok紧固件时的复合失效压力为:


p = F= 10,440= 579 MPa (3)

2 × g × d2 × 2.2 × 4.1


混合接头的销毁分两个阶段进行——首先,所有测试接头的粘合接头相似的载荷破坏然后机械接头以下两种情况下的载荷相似的载荷下被破坏机械接头不使用粘合剂的情况下破坏使用混合动力使铆接接头的负载能力提高了 116%,Jo-Bolt 增加了 16%,Hi-lok 增加了 14%。


疲劳测试


测试条件


在机械接头的疲劳试验中,假设每个周期的最大载荷约为紧固件承载能力80%,这意味着


铆接接头为 5.5 kN,Hi-lok 和 Jo-bolt 紧固件值为 8 kN。 每个循环的最大载荷值高是由于 CFRP复合材料具有极长的疲劳寿命。


在具有 Hi-lok 和 Jo-Bolt 接头的混合接头中,每个周期的最大载荷降低接头载荷能力70% 左右混合接头载荷能力要高得多的情况下这仍然意味着每个周期的最大载荷10kN机械接头高 2kN)。对于采用铆钉混合接头疲劳试验循环载荷带有铆钉机械接头相同这意味着除其他外,由于机械接头相比混合接头负载能力要高得多,因此每个周期的最大载荷等于混合接头负载能力的 38% 左右。 在铆接混合接头的情况下,放弃了假设最大循环载荷约为70% 的原则因为带有铆钉机械接头中,它是疲劳失效的机械紧固件(铆钉)。因此,可以预期带有铆钉的混合接头的情况下,以 70% 的载荷对它们施加应力可能会导致接头快速失效(通过铆钉破坏)。表1显示了疲劳测试中使用的载荷


1.疲劳试验关节载荷


紧固件类型负载能力负载平均负载


循环不对称性 Fzmax


最大 F[kN]


疲劳循环


F最小值÷F 最大值 [kN]


周期[kN]


系数


F最大值


铆钉3560A

6.37

3.5 ÷ 5.5

4.5

0.64

0.863


高乐HL1012

10.44

5 ÷ 8

6.5

0.63

0.766


乔-博尔特

9.59

5 ÷ 8

6.5

0.63

0.834


铆钉3560A/Epidian57

14.53

3.5 ÷ 5.5

4.5

0.64

0.379

Hi-lok HL 1012/Epidian 57

14.22

7 ÷ 10

8.5

0.7

0.703


乔-博尔特/Epidian57

15.23

7 ÷ 10

8.5

0.7

0.657


根据表 23 中的图表,在接头的安装孔区域分析了接受疲劳测试接头断层扫描
.


2.机械关节断层扫描测试


紧固件类型


样品编号


循环内的载荷范围[kN]


不。循环次数


/T/-断层扫描


铝制铆钉

NZ1

3.5 ÷ 5.5


1.5 米/吨/


合金3560A

NZ2

3.5 ÷ 5.5

1.831.415


0/吨/


1.5 米/吨/


嗨乐

HZ1

5 ÷ 8


4.5 米/吨/


7.5 米/吨/


12米/吨/


2.续。


紧固件类型 样品编号载荷范围

HZ25 ÷ 8

HZ35 ÷ 8

JZ15 ÷ 8

JZ25 ÷ 8


不。循环次数


/T/-断层扫描


0/吨/


1.5 米/吨/


4.5 米/吨/


7.5 米/吨/


12米/吨/


0/吨/


4.5 米/吨/


9米/吨/


12米/吨/


0/吨/


1.5 米/吨/


0/吨/


1.5 米/吨/


4.5 米/吨/


乔-博尔特

JZ35 ÷ 8


7.5 米/吨/


12米/吨/


0/吨/


4.5 米/吨/


9米/吨/


12米/吨/


3.意图显示如何混合关节进行断层扫描测试


合金3560A


疲劳测试结果


如前所述,在安装孔区域分析了经受疲劳测试的接头的断层照片。对断层扫描的初步分析已经表明由于表面压力机械接头安装区域存在接头破坏的问题这在使用铆钉接头并不明显因为这些类型的接头疲劳试验载荷测试带有 Hi-lok 或 Jo-Bolt 紧固件的接头时低得多,并且铆钉被剪断。在使用Hi-lokJo-Bolt紧固件机械接头的情况下载荷更高因此出现了表面压力问题其他外,观察到安装孔的椭圆化和紧固件本身的角位移(它们的旋转)。


在混合接头中没有紧固件旋转问题存在胶粘剂疲劳开裂的问题。机械关节和混合关节的说明性断层扫描如图 7 所示
.


7. 机械接头断层扫描:(a铆钉,bHi-Lok紧固件,c Jo-Bolt 紧固件和混合接头:(d) 带 Hi-Lok 紧固件,(e) 带 Jo-Bolt 紧固件。


机械接头 - 铆钉3560A疲劳测试结果


铆接机械接头样品由于铆钉的疲劳破坏而失效。标记为 NZ2 的样品在 1,831,415 次循环后被销毁,而标记为 NZ1 的样品150次循环后进行断层扫描测试测试检测到铆钉中的疲劳裂纹,而复合材料没有损坏。如所见在这种情况下,连接最薄弱的元件是铆钉在低于疲劳载荷时失效,该疲劳载荷是由于铆钉孔中的表面压力而对复合材料造成损坏。样品 NZ1 的断层扫描如图 8 所示
.


8.疲劳测试(1.5m周期)后机械接头断层照片


机械接头 - Hi-Lok紧固件的疲劳测试结果


铆接机械接头不同,在使用Hi-lok紧固件接头,没有观察到紧固件本身的损坏强度比普通铆钉大得多。但是,安装孔附近的连接部件有损坏损坏主要包括椭圆化此外还包括裂缝和局部分层。一些损坏发生在紧固件组件的正下方接头外部目视评估不可见的。9 显示了使用 Hi-lok 紧固件进行疲劳测试(1.5 m 循环)后机械接头的失效特征示例
.


9.疲劳试验(1.5m循环)Hi-lok紧固件机械接头的损坏示例表现为:a 分层,b 椭圆化裂纹,c分层和所谓的空隙。


1.5m、4.5m、7.5m 12m循环节理的计算机断层扫描显示,随着循环次数的增加,安装椭圆化程度增加 的侧面机械紧固件之间的边界处出现表面压力的结果椭圆化的增加导致了


增加安装孔中机械紧固件的角度偏转(旋转)。观察到的变化如图 9 所示,而图 10显示了使用 Hi-lok 紧固件和 Jo-Bolt 紧固件的机械接头的孔椭圆化变化的平均值Jo-Bolt 相比Hi-lok紧固件椭圆孔更大,这是因为Hi-lok紧固件头部直径较小,一侧轴环由铝制成,而 Jo-Bolt 紧固件是钛和钢结构。


图 10.疲劳试验,使用 Hi-lok 紧固件机械接头安装孔椭圆化的示例性变化:(a 1.5m循环后,b 4.5m循环c 7.5m循环d12 M 循环后。


机械接头 - Jo-Bolt紧固件疲劳测试结果


使用Jo-Bolt紧固件机械接头的情况下,椭圆化度大约低两倍(参见11),此外,在安装孔附近没有观察到 CFRP 材料分层或裂纹形式的损坏(图 12)。


11.随着疲劳循环次数的增加Hi-lokJo-Bolt紧固件机械接头中的安装椭圆化增加


图 12. 疲劳试验后,在安装孔附近使用 Jo-Bolt 型紧固件的机械接头的说明性断层照片:a) 1.5 m 循环后,(b) 4.5 m 循环后,(c) 7.5 m 循环后,(d) 12 m 循环后。


综上所述,疲劳试验后机械接头的失效特性见表 4
.


材料2023161768 14/22


4.疲劳测试机械接头失效特性


样品的状态


紧固件类型 样品编号 循环内的载荷范围 [kN]


不。 循环次数


/T/-断层扫描


铝合金3560A

NZ1

3.5–5.5


1.5米/吨/

X

X

NZ2

3.5–5.5

1.831.415

X

X

X


0/吨/

X


1.5米/吨/

X

X

X

HZ1

5–8


4.5米/吨/

X

X

X


7.5米/吨/

X

X

X


12米/吨/

X

X

X

X


0/吨/

X


嗨乐


1.5米/吨/

X

X

X

HZ2

5–8


4.5米/吨/

X

X

X


7.5米/吨/

X

X

X


12米/吨/

X

X

X

X


0/吨/

X


4.5米/吨/

X

X

X


HZ35-8


9米/吨/

X

X

X


12米/吨/

X

X

X

X


乔-博尔特


JZ35-8


4.5米/吨/X


9米/吨/X


12米/吨/XX


混合接头的疲劳测试结果- 3560A铆钉紧固件


在使用 3560A 铆钉和 Epidian 57/Z1 粘合剂制备的混合接头中,没有观察到接头完全破坏,就像机械接头一样。经过 300 万次循环后,粘合接头的外边缘出现了部分开裂,但即使在 1200 万次循环之后,接头也没有进一步恶化的迹象。但是,请注意在本研究中最大循环负载大约等于混合连接容量38%。接缝外缘的粘合接头部分开裂是由于搭接接头中的二次弯曲作用。图13 显示了在 1.5 至 12 m 循环范围内的疲劳测试安装区域中混合接头的断层扫描示例。


13.疲劳试验安装附近带有铆钉混合接头的说明性断层照片


a1.5m循环后,b4.5m循环c7.5m 循环d 12m循环后。


混合接头 Hi-LokJo-Bolt紧固件疲劳测试结果


使用Hi-lok/胶粘剂Jo-Bolt胶粘剂混合的试样承受 12 m 疲劳循环后,接头没有出现椭圆化或偏斜。 紧固件的结构也没有受到影响样品唯一可见缺陷粘合部件末端粘合开裂接缝粘合接头部分开裂是由于搭接接头中的二次弯曲作用。图 14 显示了混合 Hi-lok/粘合接头连续疲劳循环后拍摄的断层照片
.


14.疲劳试验安装附近带有铆钉混合接头的说明性断层照片


a1.5m循环后,b4.5m循环c7.5m 循环d 12m循环后。


实验研究结果讨论


测试的搭接接头中,紧固件粘合接头受到剪切应力,由于二次弯矩的影响,机械紧固件的头部和粘合接头被撕裂。在铆接接头的静态测试中,铆钉在孔壁上的压力下被剪切,没有对这些孔造成任何明显的损坏。根据测试结果,可以得出结论,380 MPa 的压力可以被认为是被测复合材料可以接受的。最大载荷破坏载荷86% 水平疲劳试验中,铆钉发生了疲劳撕裂在这些测试带孔的横截面中的最大标称应力水平约为 105 MPa,没有发现复合材料的明显损坏。


对 Jo-Bolt 和 Hi-lok 紧固件连接的断层图分析表明,这些紧固件对连接的元件施加头部和螺母的高压。因此,这些元件之间存在摩擦力,这些元件涉及载荷的传递。由于这些连接器的柄部由高强度材料制成,因此它们不会变质,并且在 530 MPa 的压力下,它们会破坏连接的复合元件。


使用Jo-BoltHi-lok连接器机械接头疲劳试验中,带孔的横截面的最大标称应力约为 152 MPa。施加的载荷可能大于摩擦力,导致紧固件循环压在孔上,导致椭圆化,并破坏


孔的边缘。这导致连接的单元彼此相对移动,并且紧固件发生歪斜。


机械接头的应用杂化,包括向它们添加粘合接头,导致它们的临时强度显着增加,在铆接接头的情况下最大。破坏这些连接的两阶段性质是典型的显着提高了飞机结构的安全性并促进了监督技术状况的过程所有测试混合接头强度都相似(Jo-Bolt 仅高出 5%),这是由粘合接头的强度引起的。使用的机械紧固件显着加强了粘合连接。


铆钉-粘接混合连接的疲劳试验中,采用与铆接连接相同的疲劳载荷循环。经过 300 万次循环后,粘合接头的外边缘出现了部分开裂,但即使在 1200 万次循环后,接头也没有进一步恶化的迹象。


带有 Hi-lok 和 Jo-Bolt 紧固件的混合接头承受疲劳循环,其中最大载荷机械连接测试中使用的载荷25%。经过300 万次循环后,粘合接头中发现裂纹;然而,即使经过 1200 万次循环,也没有发生进一步的损坏。接头中的裂纹发生在连接边孔的截面上。保持机械紧固件之间粘合接头的连续性可以防止接头的进一步疲劳损伤


数值计算


铆钉-胶粘剂混合连接的疲劳试验中,胶粘剂接头的外边缘出现部分开裂,但经过数百万次循环,接头没有进一步恶化的迹象。因此,作者检查了粘合接头中的部分裂纹是否会导致机械紧固件显着负载对接头未受损连接边缘6.7mm裂纹Hi-lok 紧固件的混合连接进行了比较数值计算CAE Ansys Workbench 2021 R2 程序中使用静态结构模块进行数值计算。接头承受疲劳测试中使用的最大力 (10 kN),通过使用力值为 3500 N 的“螺栓预紧力”函数声明初始载荷来模拟来自紧固件头部的压力。


紧固件赋予钛线性弹性特性Epidian 57 的粘合双线性特性以及碳-环氧树脂复合材料的正交各向异性特性的复合元件(表 56)。


桌子
5.
材料

常数


机械

紧 固件


胶粘剂。

[GPa]


合金 57


6. 正交各向异性碳层压板的材料常数


杨氏[GPa]泊松[-]基尔霍夫[GPa]


层压


接头模型(图15尺寸为25×100×2.2mm(宽 × × )的组成通过两个紧固件连接地-


4.1毫米第一个型号具有粘合接头测量


50×25×0.12毫米(未损坏),在第二个型号它的测量值


36.6×25×0.12毫米(损坏)。


15.GeometryAnsys模块中的搭接关节模型


紧固件和粘合接头以及连接的板之间定义了摩擦系数0.1 的摩擦接触的存在。已定义粘合接头和连接板之间的粘合接触。对于大多数模型,网格单元侧面尺寸为2mm,在孔附近网格集中(16)。在对几何结构进行离散得到了一个由12,062Hex20单元(具有 20 个节点的非线性六边形)和 63,504 个节点组成的模型


16.样品离散化数值模型


使用固定支撑功能约束样品一端(所有六个自由均被去除 DXDYDZ= 0;RXRYRZ= 0使用功能RemoteDisplacement on the direction of X axis 对样品的另一端进行约束并被剥夺能够各个方向旋转。赋予它在 Z 方向上的位移 2,2 mm,这对应于一个连接板的厚度DX=0,D Z=2.2 mm;RXRYRZ=0使用 Ansys-Bolt 预紧力功能以 3500 N 的预紧这对应于紧固件夹紧连接板的力。 将 10,000 N 的样品拉伸载荷分配给样品的右端(图 17)。


图 17.模型的边界条件(A-约束,B-载荷,紧固件中的 C 和 D 预载荷E-位移/约束)。


计算并比较垂直导致剥离的粘合接头表面向应力50 mm 长(未损坏)和 33.6 mm 长(损坏)的粘合接头——图 1819
.


18.50mm的粘合接头Z方向法向应力


19.长度33.6 mm 粘合接头Z方向法向应力


计算表明在较短的粘合接头引起剥落应力显著降低(约40%)这表明可以抑制接头破坏的过程2021比较未损坏连接的机械紧固件中的剪切应力边缘有建模裂纹的连接


粘接接头。


计算表明,混合接头的粘合接头的部分损坏不会增加铆钉上的负载。


20.未损坏节点的紧固件中的应力


21.螺栓连接中的剪切应力,用于粘合接头边缘的建模裂纹


结论


Hi-lok 和 Jo-Bolt 紧固件,由于制造它们的材料以及压缩连接元件的相对较高的夹紧力,与铝合金制成的普通实心铆钉相比,复合元件的连接强度更高。


进行的测试表明,测试中使用的复合材料的特点是机械紧固件产生的压力阻力至少380静载荷下的 MPa。


复合材料元件机械连接的疲劳损伤可能包括低强度紧固件破坏复合材料的分层破坏、孔边缘的碎裂、它们的椭圆化和紧固件的歪斜。机械连接的混合通过它们添加粘合连接


强度较低的连接相比它们的静态强度更大


关节杂交的最大好处它们的疲劳寿命有关该论文的重要发现由于剥离而引起的边缘粘合接头的部分破坏会导致整个负载机械紧固件转移。如果紧固件之间未损坏的粘合接头长度合适,则可有效防止被连接元件相互相对移动,转移部分载荷,并降低机械紧固件对孔的压力从而有效增加连接的疲劳寿命混合连接的两阶段破坏显着提高了飞机结构的安全性,并促进了监督其技术状况的过程。


作者贡献:概念化,M.R.,J.G. 和 M.J.;方法论,M.R.,J.G. 和 M.J.;软件,I.B. 和 J.G.;验证,M.R. 和 J.G.;形式分析,M.J.;调查,M.R.,J.G. 和 M.J.;资源,M.R.;数据管理M.R.,J.G.MJ;写作—原始草稿准备,M.R.,


M.J. 和 J.G.;写作——审查和编辑,J.G. 和 M.J.;可视化,M.R.、M.J. 和 I.B.;监督,M.R.;项目管理。所有作者均已阅读并同意手稿的已发表版本。


资金: 这项工作军事技术大学研究项目 UGB 823/2023 下资助


机构审查委员会声明:适用。


知情同意书: 适用。


数据可用性声明:适用。


利益冲突作者声明没有利益冲突


引用


毛;Mahadevan,S. 复合材料疲劳损伤建模组合。结构。2002年 58405–410 年。[交叉引用]


Bielawski,R.复合材料航空航天结构铆接接头的研究建模博士学位论文华沙理工大学,波兰华沙,2016 年。


Bathias,C.关于聚合物复合材料疲劳工程观点国际 J.疲劳2006281094–1099。 [交叉引用]


米歇尔,SA;基塞尔巴赫,R.;Martens, H.J. 碳纤维复合材料的疲劳强度,直至十亿环状态(千兆环复合材料)。国际疲劳杂志 200628, 261–270。[交叉引用]


沙巴尼 P.;塔赫里-贝鲁兹;萨马雷-穆萨维 (Samareh-Mousavi),S.S.;Shokrieh, M.M.纤维增强复合材料周疲劳千兆周疲劳:实验方法和疲劳损伤机制综述。程序。科学.2021118, 100762. [交叉引用]


R.; C.;Xian,G.用于桥梁电缆碳/玻璃混合吸水率和长期力学性能工程结构。 2023274, 115176.[交叉引用]


布迪安斯基,B.;Fleck, NA 纤维复合材料的压缩扭结:专题综述。应用机械修订版 199447, S246–S270。 [交叉引用]


布迪安斯基 B.;Fleck, N.A.纤维复合材料压缩破坏J.Mech.Phys.Solids 199341183–211. [交叉引用]


基里亚基德斯;Arseculeratne,R.;佩里,E.J.;列希蒂关于纤维增强复合材料压缩破坏国际 J.实体结构。199532, 689–738.[交叉引用]


X.; J.;卡博格鲁 (Kaboglu, C.);于丽;布莱克曼 B.R.K.使用数字图像相关 技术表征复合合金混合接头组合。结构。2016140, 702–711.[交叉引用]


罗斯科维奇 (Ros'kowicz),M.;Chudowolska,J.Wpływ ła ̨cznikówmechanicznychnanos'nos'c'poła ̨czen'hybrydowych.技术自动化Montazu


20181,52-54。


李晓明;谭,Z.; L.;张杰;肖 Z.;Luo,H.复合材料层压板中螺栓连接、粘合粘合和混合螺栓连接/粘合单搭接接头实验研究母公司。今天 Commun.2020 24 月 101244 日。[交叉引用]


比斯特罗夫,V.M.;弗吉尼亚州德克雷特;泽伦斯基 V.S.表面载荷压缩复合材料层压板稳定性损失Int.Appl.Mech.


201753156–163.[交叉引用]


汤姆森,D.;崔 H.;埃里斯,B.;Petrinic, N.使用交叉层合板试样研究纤维增强复合材料在单轴和离轴载荷下的纵向压缩强度。组合。A 部分 Appl.科学制造。2019121, 213–222. [交叉引用]


索拉 C.;CastaniéB.;米歇尔 L.;拉肖 F.;德拉比 (Delabie),A.;Mermoz,E.关于扭结复合材料层压板轴承失效的作用组合。结构。2016141, 184–193.[交叉引用]


Y.;Ishikawa,T.螺栓复合接头承载强度失效行为(第一部分实验研究).组合。科学技术。 200565, 1022–1031.[交叉引用]


Hashin,Z.纤维增强材料理论NASA:Waszyngton,DC,USA,1972


米勒 J. 碳纤维增强塑料 (CFRP) 复合材料的加工和钻孔;Eneyew, E.D., Ramulu, M., 编辑;UBoeing 公司:美国弗吉尼亚州阿灵顿;华盛顿大学:美国华盛顿州西雅图,2013 年。


徐杰; C.;米,S.;安,Q.;Chen,M.使用准则研究CFRP复合材料的钻孔诱导缺陷.组合。结构。


20182011076–1087.[交叉引用]


刘 D.;唐 Y.;丛 W.L.复合材料层压板的机械钻孔综述。组合。结构。201294, 1265–1279. [交叉引用]


T.L.; S.M.;克罗伊钻孔复合材料中的分层分析第十四届全国SAMPE技术公司; 美国佐治亚州亚特兰大,1982 年;第 471 页。


纳西拉伊 H.;Rezadoost,P.压缩载荷FRP改造管状X 连接中的应力集中因子


海洋。工程2021229108562.[交叉引用]


纳西拉伊 H.;Rezadoost,P.纤维增强聚合物增强的管状X 形接头压缩载荷下的静态承载力工程结构。 2021 年,236 页,112041。[交叉引用]


玛丽亚姆 M.;阿芬迪,M.; W.W.;Hafizan,K.复合材料混合接头强度项目。Strength组合。混合动力Jt. 201611216–221.


高卢 L.;Nitsche,R.摩擦机械接头的作用 Appl.Mech.Rev.2001 年 3 月,54,93–106。[交叉引用]


弗里德里希,C.;Hubbertz, H. 具有复合结构的紧固系统的摩擦行为和预紧力松弛。组合。结构。2014110, 335–341.[交叉引用]


Herrington 博士复合螺栓连接疲劳失效。路易斯安那州立大学农业机械学院,1991 年。LSU历史论文和论文。在线下载https://digitalcommons.lsu.edu/gradschool_disstheses/5243(于 2021 年 10 月 1 日访问)。


赫姆斯多夫 (Hermsdorf, F.);Rapp,H.循环载荷作用螺栓复合接头摩擦力的载荷传递。德国联邦国防ECCM18-18 第 18 届欧洲复合材料会议,希腊雅典,2018 年 6 月 24-28 日,德国联邦国防军航空航天工程轻型结构研究所论文集


Katsumata,T.;水谷 (Mizutani, Y.);Todoroki,A.;Matsuzaki,R.A 通过增加摩擦力提高CFRP螺栓接头强度的基础研究J. Solid Mech. Mater. Eng. 20104, 711–719.[交叉引用]


Schön,J.碳纤维环氧树脂复合材料摩擦系数和磨损磨损2004257395–407。[交叉引用]


萨吉德,Z.;卡鲁帕南,S.;Shah, S.Z.H. 垫圈尺寸和拧紧扭矩对玄武岩纤维复合螺栓连接轴承性能的影响。J. Nat. 纤维 202219, 5910–5927。[交叉引用]


Giannopoulos,I.K.;Doroni-Dawes,D.;Kourousis,K.I.;Yasaee,M.螺栓扭矩拧紧机身 FRP 层压螺栓接头强度疲劳寿命的影响.组合。B 部分 工程 2017125, 19-26.[交叉引用]


Esmaeili, F.;T.N. 查赫鲁;Zehsaz,M.通过实验和数值分析研究螺栓夹紧简单螺栓和混合(螺栓/粘合)接头疲劳寿命的影响Eng. Fail. 肛门。 201445, 406–420.[交叉引用]


南卡罗来纳州加尔恰;王倩;威瑟斯 Withers聚合物复合材料 X 射线计算机断层扫描Compos. Sci. Technol. 2018156,305–319。 [交叉引用]


杜兴 P.;查基;阿亚迪 (Ayadi, A.);Krawczak,P.A 用于聚合物复合材料机械损伤评估无损技术综述J. Mater Sci. 201853, 7915–7938.[交叉引用]


George, M. 航空航天紧固件:在结构应用中的应用。铝及其合金百科全书中;Taylor & Francis Group,CRC出版社:美国佛罗里达州博卡拉顿,2019年。[交叉引用]


罗 J. 下一代 HI-LOK 和 HI-LITE 系统;SAE 技术论文 2017-01-2086;美国 SAE 国际:美国宾夕法尼亚州沃伦代尔,2017 年。[交叉引用]


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