文 | 开心营业厅
编辑 | 开心营业厅
许多行业使用的螺栓接头有各种参数，这项工作的主要目的是研究垫圈类型作为螺栓连接参数对层合复合材料螺栓接头承载强度的影响。
通过使用三种不同的垫圈类型，对平垫圈、弹簧垫圈和齿形锁紧垫圈进行了实验研究。研究中使用准各向同性玻璃纤维增强环氧层压复合材料，四种不同的紧固扭矩(T=2，3，4，5Nm)在实验中为每种垫圈类型的螺栓接头选择。
为了研究复合材料样品的损伤模式，选择E/W比为0.25、0.5、0.75和1，通过质心轴对每个样本进行拉伸测试，根据这些测试，绘制样本的载荷-位移曲线。
从载荷-位移曲线获得螺栓连接的最大失效载荷和承载强度，实验结果可以看出，带有平垫圈的试件的承载强度分别高于带有齿锁和弹簧垫圈的试件，较高的拧紧扭矩会增加轴承强度，并且就轴承强度而言，对于损伤容限设计，E/W比应确定为大于0.25。
层状复合材料具有高比强度和刚度、高耐磨性、优异的耐腐蚀性和耐化学性、高尺寸稳定性以及设计复杂形状的灵活性等多种优点，使其在物理、经济和商业方面有很多应用。
复合材料结构的制造和组装需要具备可靠连接的能力，机械紧固是汽车和航空航天应用中连接复合材料零件的常用方法，影响承载强度的螺栓参数有接头的几何形状试样宽度、端距和孔径、接头配置单搭接、双搭接、单螺栓或多螺栓、加载条件拉伸、压缩或组合。
垫圈的收紧扭矩和外径对复合材料螺栓接头强度有一定影响，实验结果表明，在同一紧紧转矩下，螺栓接头的荷载位移图斜率随垫圈尺寸的减小而增大。
以测量复合接头转矩引起的预载荷进行试验，结果显示复合板和钢板连接时载荷随时间的松弛效应和垫圈的影响，有关试样几何形状及纤维取向对机械接头的影响的进一步研究。
在机械接头中，可能会出现多种失效模式，净张力、剪切、承载和解理，这些模式的组合可能会导致损坏，失效过程是由于作用在孔表面的接触力和摩擦力而产生的局部压缩模式。
在螺栓承载载荷下对石墨、环氧树脂层压板进行了一系列螺栓夹紧扭矩的静态和疲劳测试，描述螺栓夹紧力显著影响静态强度和疲劳极限。
其断裂过程非常复杂，受到许多参数的影响，包括垫圈尺寸和横向夹紧力。通过实验确定玻璃纤维增强环氧树脂层压复合板中机械紧固螺栓接头的失效模式和承载强度。
预紧力的增加对失效模式和轴承强度有相当大的影响，通过实验研究了预紧力矩、湿度和过盈配合对承受牵引力的相结合，螺栓连接碳环氧树脂板的轴承强度和失效模式的影响。
为了确定与第一次失效载荷相应的轴承强度，采用TSAI-WU准则，通过实验和数值研究，研究具有两个串口的玻璃纤维增强环氧复合预浸料的第一次失效载荷和固定接头的承载强度特性。
在最近研究中没有充分考虑垫圈类型的影响，然而在实践中，不同类型的垫圈可用于复合结构的机械接头，例如平垫圈、弹簧垫圈、齿锁垫圈或橡胶垫圈。
它们通常可用于分配螺纹紧固件的负载、减少振动、作为锁定装置或垫片，机械接头中使用的垫圈会影响复合材料结构的机械性能。
本研究的目的是通过实验研究垫圈类型对螺栓接头机械行为的影响，还检查了各种参数、拧紧扭矩J和E/W比率E是螺栓孔距自由边缘的距离，W是试样的宽度的影响，用于研究中层压复合材料是采用手糊技术生产的。
在实验中，使用了三种不同的垫圈类型，考虑了平垫圈、齿锁紧垫圈和弹簧垫圈以及四种不同的紧固扭矩T=2、3、4、5Nm，E/W比也变化为0.25、0.5、0.75和1，从拉伸试验中获得载荷-位移曲线，以确定每个参数的最大失效载荷和承载强度。
在本实验研究中，使用了准各向同性玻璃纤维增强环氧层压复合材料，层压复合材料由单向无碱玻璃纤维和CY225环氧树脂与HY225固化剂共混制成。
层压板首先在120°C、0.2MPa压力下固化四个小时，然后将它们在100°C下停留2小时在同样的压力下，当环境温度降至室温时，层压复合板脱模，获得层压复合板的标称厚度为2.80mm。
为了测量层合复合板的力学性能，采用标准试验方法和标准试样进行力学试验，测定纵向和横向模量、纵向和横向拉伸强度以及泊松比。
横向压缩强度用于面内剪切模量和剪切强度，主要是材料方向，单向纤维增强层板的全局坐标系和材料坐标系，测量的机械性能。
从制备的层压复合材料板上切下螺栓接头的测试样本，E为螺栓孔距自由边的距离，L为试件总长度，W是试样的宽度，D是螺栓孔的直径，虽然E是可变的，但其他尺寸是恒定的。
144个试验样品是从生产的层合复合板随机取样， 对每种变异，考虑3个试验标本，在这些标本中，研究E/W比率，E改为5，10，15和20毫米，保持样本宽度恒定(W)。
同时，为了研究收紧扭矩对这些样品轴承强度的影响，扭矩值变化为2、3、4和5，在测试过程中，采用了三种不同的垫圈类型(扁平型、牙锁型和弹簧型)来确定垫圈类型对上述变化的影响。
在螺栓连接试验中，为了找到最大失效载荷和损坏模式，进行一系列实验，在连接处，使用了5毫米M5螺栓和三种不同的垫圈平垫圈、齿锁垫圈和弹簧垫圈，其中，垫圈的内径和外径分别为5.4mm和9.8mm。
在实验中，使用了一个内部螺栓联合试验装置来研究样品的损伤模式，样品在仪器上的紧固配置在紧固过程中，尤其是在试验前，所有弹簧垫圈的开口方向都是相对于加载方向而定的。
为了进行拉伸试验，使用具有50kN载荷的通用静态拉伸和压缩试验机，并将横梁转速定在1/分钟，每个试样通过一个中心轴装载。
为了确定垫圈类型对轴承强度的影响，进行参数研究，因此，三种不同类型和四种E/W比率(0.25、0.5、0.75和1)和不同的收紧扭矩是首选。
采用转矩扳手(转矩器-K)产生的转矩值为2、3、4和5。考虑之前结果，本次研究了收紧转矩对失效行为和轴承强度的影响。
在实验过程中，对参数的每个变化都进行三次拉伸测试，对于每个样本，获得三种不同垫圈类型的载荷-位移曲线，每个测试都持续到样品破裂为止。
根据这些载荷-位移曲线，确定每个样本的最大拉伸载荷，从完成的三个测试中获得平均最大拉伸载荷，然后确定平均承载强度值，为了计算承载强度(σb)，使用以下方程。
Pmax为最大拉伸载荷，D和t分别为复合材料试件的螺栓孔直径和厚度，在拉伸载荷下机械紧固的螺栓接头经常以四种基本模式损坏，净张力、剪切、承载和解理。
然而，这些失效模式的组合在实际应用中是可能的，提供由E/W=0.25的轴承模式和剪切模式组成的混合模式损坏，对于其他E/W比率也观察到类似的损坏特征。
针对不同拧紧扭矩的不同垫圈类型的E/W比对轴承强度的影响，可以看出，对于每种垫圈类型，由于E/W比从0.25增加到1，样本的承载强度逐渐增加，特别地，由于E/W的比率从0.25变化到0.50，所以观察到轴承强度值显示出显着的增加。
E/W=0.50和T=2Nm时，带有平垫圈的样品的承载强度与E/W=0.25和T=2Nm的样品相比增加了约167%，当E/W的比率从0.50变化到0.75时，这种增加约为10%，而当E/W的比率从0.75变化到1时，这种增加约为1%。
从实验中获得的这些结果与文献中的一些研究相似，通过实验研究玻璃纤维增强环氧层压复合板中机械紧固螺栓接头的失效模式和承载强度的测定。
带有平垫圈的样本获得最高的承载强度值，由于锁齿垫圈的锯齿损伤、弹簧垫圈边缘开口处的接触压力较小和应力集中，齿锁垫圈和弹簧垫圈的这些值分别逐渐减小。
例如，对于E/W=1和T=3Nm，具有平垫圈的样本的承载强度值分别比具有齿锁和弹簧垫圈的样本高约14%和17%，考虑到所有参数，平垫圈的轴承强度值比齿锁垫圈和弹簧垫圈分别平均增加7.5%和13%。
专门通过实验研究垫圈外径对复合材料螺栓连接强度的影响，从实验结果中，观察到螺栓接头的刚度随着垫圈尺寸的减小而增加。
增加螺栓连接的拧紧扭矩对试样的承载强度有积极的影响，以雷达图的形式根据不同的拧紧扭矩描述了不同垫圈类型对实验结果的影响。
对于每种垫圈类型，通过将紧固扭矩从2Nm增加到5Nm，轴承强度会增加，带有平垫圈的样本的承载强度似乎分别高于带有齿锁垫圈和弹簧垫圈的样本，许多研究也得到了类似的结果。
轴承强度通过增加预载矩而增加，发现预装试样的轴承强度比未预装试样的高，由于接触压力的增加，荷载位移曲线的斜率和螺栓轴承的强度随收紧扭矩的增加而增加。
E/W=0.25比率时紧固扭矩对轴承强度有一定影响，当拧紧扭矩增加时，所有垫圈类型的样本的承载强度逐渐增加。
当拧紧扭矩值从2Nm变化到3Nm时，所有垫圈类型的样本的承载强度平均显着增加约20%，然而，该值小于其他拧紧扭矩变化从3至4以及从4至5Nm的增加量，由于接触压力更大，带有平垫圈的样品比其他样品具有更高的承载强度。
类似地，E/W=0.5、0.75和1比值时紧固扭矩的影响，分别为7b、c和d，随着拧紧扭矩的增加，所有垫圈类型的样品的承载强度逐渐增加。
与其他样品相比，带有平垫圈的样品具有更高的承载强度，对于E/W=0.75和1的比率，具有平垫圈的样本的承载强度值与具有齿锁和弹簧垫圈的样本相比分别显示出约10%和15%的增加。
一些失效螺栓关节试验样本的照片E/W=0.25比率，试样一般会因轴承和剪切出模而损坏，同样，大多数试验样品对其他参数的破坏也是一样的。
在本研究中，收紧转矩的变化E/W比率，以及垫圈类型的变化对试样的损伤模式没有显著影响，从所有的结果中得出结论，由于接触面较大，带平垫圈的螺栓接头在层压复合板中具有较高的承载强度，我们亦注意到，收紧转矩的增加(T)及E/W比率提高了螺栓接头的轴承性能。
带平垫圈的试件比带齿锁和弹簧垫圈的试件具有更高的承载强度，当E/W=1时，带有平垫圈的样本的承载强度分别比带有锁齿垫圈和弹簧垫圈的样本高约14%和17%，当考虑所有E/W比率时，该值平均变化7.5%和13%。
因此，如果没有要求，就承载强度而言，在层合复合材料螺栓连接应用中应优先考虑接触面积较大的平垫圈，由于齿锁紧垫圈的锯齿损伤，以及弹簧垫圈边缘开口处的接触压力较小和应力集中，齿锁紧弹簧垫圈的连接处的承载强度逐渐降低。
值得注意的是，较高的紧固扭矩会增加螺栓接头的承载强度，因此，就复合结构的安全性而言，适合对螺栓施加高拧紧扭矩，随着拧紧扭矩和E/W比从0.25增加到1，层合复合板的承载强度增加，特别是，当E/W比从0.25变化到0.50时，承载强度值显示出显着的提高，对于承载强度方面的损伤容限设计，E/W比应确定为大于0.25。
损伤模式完全受样本几何参数的影响，例如E/D、W/D或E/W，关于这些参数有很多研究，然而，由于本研究中试件的宽度是恒定的，E/W比的变化不会影响试件的损伤模式，所有试件均以承载+剪切方式破坏。
参考文献
【1】王轶哲，《复合材料层合板螺栓连接接头的失效研究》，南京航空航天大学，2015。
【2】吴明宇，《改性碳纤维复合材料层合板拉伸破坏研究》，太原理工大学，2021。
【3】仇刚，朱福先，朱兴民等，《碳/玻混杂复合材料层合板单钉螺栓连接孔边应力分析》，复合材料科学与工程，2023。
【4】李煜昊，《复合材料层合板螺栓连接的可靠性研究》，哈尔滨工程大学，2018。
【5】刘长喜，《复合材料层合板螺栓连接挤压性能表征分析及夹具研究》，哈尔滨工业大学，2017。
