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2015年第8期 玻璃钢/复合材料 复合材料预紧力齿连接件剪切疲劳试验研究 高建岗,刘鹏飞,赵启林,柳锦春 (1.解放军理工大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室,南京210007; 2.解放军理工大学野战工程学院,南京210007) 摘要:研究表明复合材料预紧力齿连接接头具有良好的静力性能,但对其在循环载荷作用下的疲劳性能还没有深入研 究。主要针对不同预紧力下的接头进行了大量疲劳试验,首先通过对试验结果的分析,讨论了预紧力对接头疲劳寿命的影响 规律;然后分析了滞回曲线的变化规律,探讨了滞回曲线与接头疲劳损伤累积的关系;最后通过对试件疲劳断口的观察和分 析,初步探究了接头的疲劳破坏机理。 关键词:复合材料;预紧力齿连接;疲劳;滞回曲线 ——— 中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:10030999(2015)08002506 纤维增强复合材料因其比强度和比刚度高等特 性在工程结构应用中显现出良好前景,但就目前的 应用而言,主要集中在承载能力低的次要构件和一 些特殊结构中,这与缺乏有效的连接技术有密切关 系。现有的复合材料连接方式主要有机械连接、胶 接和胶栓混合连接三种类型。专家学者已经对各种 连接方式进行了深人研究,对接头的性能和破坏模 式有了比较清晰的了解。但传统的连接方式都存在一 定的缺点,例如机械连接孔边存在应力集中,疲劳 性能差,使用螺栓和孔边加强措施又会使得重量增 加;胶接虽然不会增加重量但是存在老化、质量难以 控制、易于剥离、外场作业难等问题¨ 。为了克服 复合材料传统连接方式存在的问题,文献[5,6]基 于正应力对复合材料层间剪切强度有增强效果的结—— 论,提出了一种复合材料新型连接技术复合材 料预紧力齿连接技术,如图1所示。 Steel plate— — — 一 f:、l:、I: 。八 .九 .厂 i_{ 广一U 。U 。、 1:rJ1:一、:J 】- _● , l 图1复合材料板预紧力齿连接接头示意图 Fig.1Theschematicdiagramofpre-tightened toothconnector 该连接形式与现有的复合材料连接形式相比, 可以更好地发挥复合材料的强度,且具有承载力高、 抗老化与多向连接等特点。从应用上讲,利用该连 接形式不仅可以进行复合材料构件的单向接长、多 向连接,而且由于可以直接在接头外金属套筒上进 行焊接、切削等常规操作,因而可方便地制作成复合 材料桁架单元之间的单双耳接头、复合材料空间桁 架的球形接头、复合材料筋与索的锚具等,因此广泛 应用于桁架桥、空间网架与预应力桥梁等。李飞 对拉挤型玻璃纤维增强树脂基复合材料(下文简称 GFRP)制成的预紧力单齿板和内螺纹管接头试件承 载力的影响因素和设计方法进行了初步研究,并在 某复合材料桁架桥中成功应用了该连接方式;徐龙 星_8对拉挤型GFRP预紧力单齿板和管接头进行了 大量静力试验,进一步优化了单齿接头的结构形式, 并提出了系统的理论设计计算方法;高一峰对拉 挤型碳纤维增强树脂基复合材料预紧力齿连接接头 进行了大量静力试验,并提出多齿接头不同齿上的 荷载分配比例随荷载增加而变化。 上述研究都表明复合材料预紧力齿连接接头的 静力性能较好,破坏形式主要为剪切破坏,且其性能 与预紧力的大小密切相关,但上述研究都没有涉及 该接头疲劳陛能的研究,而接头在实际使用中难免 承担循环载荷的作用,所以为了推动该接头在工程 中的使用,对疲劳陛能的研究十分有必要。 本文针对拉挤型玻璃纤维增强环氧树脂基复合—— 收稿日期:20150401 基金项目:国家自然科学基金(11372355);国家973计划资助项目(2012CB026202) 作者简介:高建岗(1990一),男,硕士,主要从事复合材料应用研究。 通讯作者:赵启林(1972一),男,副教授,主要从事复合材料的应用研究,zhaohsq1919@163.corn。 复合材料预紧力齿连接件剪切疲劳试验研究 2015年8月 材料预紧力齿板接头的层间剪切疲劳性能开展了试 验研究,测定了不同预紧力及荷载水平下单齿板接 头的疲劳寿命;通过对力一位移滞回曲线的观察和分 析,初步了解了该接头疲劳损伤的变化规律,为该新 型连接方式以后的疲劳研究提供了参考和依据;最 后还观察了层间剪切疲劳断面形貌,从唯象层面剖 析了齿连接剪切疲劳的破坏机理,为疲劳模型的建 立提供参考。 1试件和试验设备 无论是国外还是国内,关于复合材料层间剪切 疲劳的试验方法目前还没有标准可供参考,也没有 行业内通用的试验方法,从已发表的文献中可以看 到多为层间剪切静态试验方法的试件或者夹具经改 造来进行层间剪切的疲劳试验¨ MJ。故本文所采 用的疲劳试验方法与李飞、徐龙星等人¨ 的静力 试验方法相似,仅在夹具和试件的几何形状上进行 适当改进,以便与疲劳试验机连接并施加循环载荷。 1.1试 件 试件均采用拉挤成型的单向玻璃纤维树脂基复 合材料板,板材表面有一层玻璃纤维毡,纤维体积含 量为65%,基体采用间苯树脂。板材厚度为15mm、 宽度为30mm,总长为92mm。齿深为2ram,齿长为 16mm。试件分为三组,分别对应三种不同的预紧 力。材料性能参数见表1,试件几何形状及尺寸如 图2所示。 (a)Specimengeometry 圈 (b)Specimenandf ixtureassemblydiagram 图2试件及夹具几何尺寸 Fig.2Specimengeometry 表1试验材料参数表 Table1TestmaterialparametertableM帅ater。 iG凹xy凹Gzy /GPa/ // a/ a/ type GP8GPa… GPGPGPa GFRPplate48 8.28.20.26O.260.25.14.65.1 Steelplate2102102100.30.30.3113113113 钢材选用Q345钢板,材料参数见表1,钢板宽 为50mm,厚为10mm,为了避免施加预紧力时螺栓 接触复合材料而对其造成初始缺陷,取钢板宽度大 于复合材料至少两倍螺栓直径。 使用全牙不锈钢12.9级M6高强螺栓来达到 施加预紧力的目的,螺栓抗拉强度为700MPa,屈服 强度为450MPa。使用直径为10ram的普通螺栓与 试验机连接。 1.2试验设备和方案 试验分为静力试验和疲劳试验两部分,静力试 验采用液压万能试验机WE一1000A,疲劳试验采用 国产FTS液压伺服疲劳试验机进行。 首先采用万能试验机对不同预紧力下同规格试 件静态承载力进行测试,试验结果见表2。 表2单齿试件不同预紧力下承载力试验结果 Table2Thebearingcapacityexperimentresultsofsingle — toothspecimensunderdifferentpretighteningforce 基于上述所测得的静态承载力,采用国产FTs 液压伺服试验机进行疲劳试验,力控制模式,施加的 循环载荷为正弦波型,加载频率为5Hz,应力比R= 0.1。试件分为三组,分别对应三种不同的预紧力: 26MPa预紧力对应的载荷水平K分为五级(K为施 加的最大载荷与极限承载力的比值):0.543、0.782、 0.854、0.886、0.918;45MPa预紧力对应的剪应力水 平分为五级:0.556、0.644、0.733、0.808、0.855; 65MPa预紧力对应剪应力水平分为五级:0.558、 0.655、0.678、0.710、0.807。试验终止条件为试件 突然破坏或者循环100万次。 2试验结果分析 2.1疲劳寿命 接头在不同的预紧力作用下的S-N曲线如图3 2015年第8期 玻璃钢/复合材料 27 所示。从图中可以看到,对于不同预紧力下的单齿 连接接头,当载荷水平逐渐降低时,寿命逐渐增加, 当应力水平降低到一定值时,经过100万次循环试 件不发生破坏,即存在一个疲劳强度极限值,当剪切 载荷低于该值时,可以视作接头不会出现疲劳破 坏[1引。由图3(a)可以看出,对于相同的寿命,当 预紧力提高时,接头的静承载力提高,但在比较低的 载荷水平下发生疲劳破坏。三种预紧力下疲劳寿命 拐点值均出现在静态承载力的80%~95%处,预紧 力越大,比值越小;对于相同的载荷水平,当提高预 紧力时,疲劳寿命降低。这主要是因为预紧力越大, 虽然静强度有所提高,但也使得齿根处应力集中更 加严重,而严重的应力集中往往导致过早地发生疲 劳破坏;其次静强度提高后相同的载荷水平下试件 实际承担的载荷绝对值也有所提高,这也在一定程 度上造成了高预紧力下试件的过早失效。此外根据 图3(b)可以看出当载荷绝对值在40kN以下时,对 相同的载荷绝对值,随着预紧力的提高,疲劳寿命有 逐渐增加的趋势。这主要是因为预紧力增大,纤维 与基体之间结合更加紧密,同时钢板与试件之间的 摩擦力也有所增大,承担了部分外载荷。’ l。 O.9 薹o-s 要们 0・6 O.5 1 l0 l00 10001000010000010( ̄000 logN — (a)RelativeloadlogNcalves 1 l0 l00 10001000010(1000l000000 logN (b)Absoluteload-logNcurve8 图3接头在不同预紧力下的S-N曲线 — Fig.3SNcurvesoftheconnectorunderdif ferentpre-tighteningforce 2.2滞回曲线 将循环若干次之后的滞回曲线人工闭合得到特 — 征曲线,如图4所示,其中试件11-6预紧力为26MPa, —— 载荷水平为0.892;试件126和1-2-7预紧力都为 — 65MPa,载荷水平分别为0.769和0.846;试件13・4 预紧力为45MPa,载荷水平为0.806。DeBaereI等¨ 指出,因为循环加载时位移太大,应变片的使用受到 限制,但是根据剪应变与滞回曲线中位移之间的线 性关系,可以估计产生的剪应变大小,即剪应变和位 移有相似的变化规律,关于位移的结论同样适用于 应变。罗飞纠指出,相邻两滞回曲线中心之间的距 离越大,表明滞回曲线越疏松,材料的细观损伤程度 越大;距离越小,表明滞回曲线越密集,细观损伤程 度越小;滞回曲线的面积越大,表明材料的能量耗散 能力越强、抗震性能越好。从滞回曲线可以看出对 于同一个试件每次循环得到的滞回曲线形状相似, 且都呈现出在低载荷水平宽而高载荷水平窄的形 状,对于单个滞回环来说加载阶段曲线斜率不断减 小,说明试件内产生了微裂纹导致了永久塑性变形; 随着循环次数的增加,滞回曲线在图中都呈现出向“” 下漂移的趋势,即位移不断变大,这是因为钢板 与齿之间进一步压挤以及材料内残余塑性应变逐渐 增加,内部损伤逐步累积造成的;滞回曲线在寿命前 1%分布比较稀疏,随着循环次数的增加,滞回曲线 越来越密集,在寿命后5%滞回曲线又变得很稀疏, 这是因为一开始初始缺陷比较多,内部损伤积累较 快,所以导致位移变化比较大,随着循环次数增加, 内部缺陷密度、微裂纹密度等逐渐达到饱和,开始稳 定发展,所以比较密集,在接近疲劳断裂时因为材料 承载力下降,内部新的损伤急剧增加,所以比较稀 疏;从图中还可以看到对于同一个试件不同循环次 数对应的滞回曲线倾斜程度基本一致,说明在疲劳 —— 过程中试件的刚度降低不明显。以试件134为例, 提取有代表性的几个滞回曲线的面积见图5,可以 发现滞回曲线包围的面积随着循环数的增加先增 加。循环所消耗的能量,主要用于组分之间的摩擦 损耗以及原有微裂纹的扩展和新裂纹的萌生,滞回 曲线的缩小表示消耗的能量在减小,同时也说明裂 纹的扩展及新裂纹的增加相应地也有所减少,反之 亦然。∞ 28 复合材料预紧力齿连接件剪切疲劳试验研究 2015年8月- 35 -30 -25-20 -15-10 -5 0 Load/kN — (a)Hysteresisloopofspecimen1-16.5O .加 .30 -20 .10 0 Lolld/kN (b)Hysteresisloopofspecimen1-2-7 —-45柏 .3S.30.2520.15.10.50 Load/kN (C)Hysteresisloopofspecimen1-3・4. 50 -40 30 -20 .10 0 Load/kN (d)Hysteresisloopofspecimen1-2-6 图4滞回曲线 Fig.4Hysteresisloop l0cloo0 图5试件1-3-4滞回曲线面积与循环次数的关系 Fig.5Hysteresisloopareaofspecimen1-3-4 relatestothecycles 3断面分析 试件疲劳断面形式如图6所示,试验结果表明 单齿接头的疲劳破坏形式以剪切破坏为主,如图6 (a)所示,这是因为在一定预紧力和载荷水平下,齿 处于压剪载荷状态,在剪切循环载荷作用下,损伤主 要沿着剪切面积累,最后产生剪切破坏。而当预紧 力较大且荷载水平较高时,破坏形式逐渐过渡为拉 伸破坏,如图6(b)所示,这是因为大预紧力会导致 齿根处应力集中现象更加明显,在拉压载荷共同作 用下,断口呈现不规则V形,如图8(b)所示,其中试 —— 件132预紧力为45MPa,载荷水平为0.893;其次, 当预紧力较大时,尽管静强度提高,但是界面摩擦力 也增大,而齿前端分配的荷载相对减小,所以剪切面 上剪应力分布的不均匀现象降低。与此同时,在相 同载荷水平下高预紧力的试件实际承担的载荷绝对 值变大,构件拉伸应力也增加,所以在高预紧力下构 件更容易发生拉伸破坏,而不是齿沿剪切面的破坏。 此外从断面图片可以看出,当为剪切破坏时,剪切面 大致为一个平行于循环载荷作用方向的凹凸不平的 面,如图8(a)所示。一方面是由于纤维与基体的界 面强度在空间上不均匀;另一方面是由于在预紧力 作用下,纤维与基体之间的接触更加紧密,有些纤维 与基体的界面强度要大于基体的抗剪强度,所以在 剪力作用下,裂纹就沿着强度较低的纤维间的富树 脂区域扩展。有限元模拟静力情况下,当预紧力过 大时的应力分布如图7所示,可以清楚地看到在齿 根之间最大应力边界为V形,与图6(b)拉伸破坏实 物图的断面形状吻合。 4 3 2 1 O ≈ 8 一 8024 68O246 之之 之之 0000 ∞ 唇宣矗宣0譬Id一口 246802468O 2222333334 ∞ 目粤g目QIa一0 02468O24680246 22222333334444 目鼻8g8鲁一自 80246802468O24 l2222233333444 复合材料预紧力齿连接件剪切疲劳试验研究 2015年8月 参考文献 [1]赵启林,高一峰,李飞.复合材料预紧力齿连接技术研究现状与 进展[J].玻璃钢/复合材料,2014,12:52-56. 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EXPERIMENTALSIDYoNSHEARFA11GUEP=l强oRMANCEOF COMPOSrrEPRE.TIGHTENDGTooTHCONNECTOR — — ‘ — GAOJian-gang,LIUPengfei,ZHAOQilin,LIUJinchun (1.SateKeyLaboratoryofDisasterPrevention&MitigationofExplosion&Impact, PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China; 2.CollegeofCorpsofEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China) — Abstract:Previousstudyshowsthatcompositepretighteningtoothconnectorhasagoodstaticperformance, butthefatigueperformanceundercyclicloadinghadneverbeendeeplyinvestigated.Thisarticleconductedalotof fatiguetestsunderdif — ferentpretighteningforce.Firstofal1。throughthea nalysisofexperimentalresults,theeffect — onfatiguelifeofpretighteningwasdiscussed.Then,thechangingruleofthehysteresisculTe8wasanalyzed,and therelationshipbetweenhystereticcurveandthefatiguedamageaccumulationwasdiscussed.Atlast,basedonthe — — observationandanalysisofthespecimenfatiguefracture,thefatiguefailuremechanismofpretighteningtoothcon nectorwasexplored. — Keywords:compositematerial;pretightenedtoothconnection;fatigue;hystereticloop
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