CN105588759B - 一种间接测定复合材料多钉连接结构破坏历程中钉载分配比例的试验方法 - Google Patents

一种间接测定复合材料多钉连接结构破坏历程中钉载分配比例的试验方法 Download PDF

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Abstract

一种间接测定复合材料多钉连接结构破坏历程中钉载分配比例的试验方法，(1)首先依据ASTM标准，使用普通钛合金螺栓装配复合材料多钉连接结构并进行加载，当位移增量达到一定值时卸载；(2)用钉载传感器替代普通钛合金螺栓重新装配复合材料多钉连接结构；(3)在钉载传感器量程范围内，采用分级加载的形式测量复合材料多钉连接结构的钉载分配比例；(4)用普通钛合金螺栓替代钉载传感器重新装配复合材料多钉连接结构；(5)依据ASTM标准对复合材料多钉连接结构施加位移载荷，当位移增量达到一定值时卸载得到不同的加载状态；(6)重复步骤(2)～(5)，直至结构最终失效。本发明能够间接测定复合材料多钉连接结构整个破坏历程中钉载分配比例的变化规律。

Description

一种间接测定复合材料多钉连接结构破坏历程中钉载分配比 例的试验方法
技术领域
本发明涉及复合材料多钉连接结构整个破坏历程的钉载分配确定，适用于航空航天飞行器中广泛使用的复合材料多钉连接结构。
背景技术
钉载分配分析方法是复合材料多钉连接结构强度分析的关键，也是多钉连接结构强度分析的前提。目前常用的复合材料多钉连接钉载分配确定方法主要有解析法、有限元法和刚度法以及试验法。
复合材料多钉连接钉载分配的试验测试方法最初是由Ascione等提出的一种压力传感器测试钉载分配的方法，该方法在螺栓孔中设置压力传感器，将导致局部结构细节改变，改变螺栓和孔边的接触刚度，因此影响实际的载荷分配比例，引入了系统误差。BOJCAS计划中报道的“载荷传感器”方法，采用在工程标准螺栓两侧开槽，并分别粘贴轴向和±45°方向的双向应变化，通过测量螺栓在连接结构载荷变化过程中的应变大小，来反映螺栓所受载荷，进而计算出钉载分配比例。张建宇对前面的载荷传感器进行了改进，设计了钉载矢量传感器，钉载矢量传感器将应变片从两组增加到了四组，四个开槽沿着螺杆表面圆周对称分布，并且相对搭接面对称。这个改进使载荷传感器打破了安装角的约束，并且有能力测量载荷方向。
由于在外载荷增加过程中复合材料层压板存在损伤扩展，损伤扩展将引起多钉连接结构中钉载分配的变化，所以结构最终失效前，钉载分配是变化的，而不是一个恒定值。为了研究复合材料多钉连接结构中钉载分配的变化规律，需要使用钉载传感器测量复合材料多钉连接结构整个破坏历程中的钉载分配。但是钉载传感器测量过程中要求钉载传感器所受载荷和测量应变存在线性关系，然而由于量程的限制，大载荷条件下无法保证二者之间的线性关系，因而钉载传感器无法直接测量复合材料多钉连接结构整个破坏历程中的钉载分配。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出了一种间接测定复合材料多钉连接结构破坏历程中钉载分配比例的试验方法，该方法使用钛合金螺栓加载，在大载荷下造成损伤，使用钉载传感器在小载荷下测定钉载分配比例，通过更换钛合金螺栓与钉载传感器并反复加载，从而间接地测量复合材料多钉连接结构整个破坏历程中钉载分配的变化问题。
本发明的技术解决方案：一种间接测定复合材料多钉连接结构破坏历程中钉载分配比例的试验方法，实现步骤如下：
步骤A，首先依据ASTM标准，使用普通钛合金螺栓装配复合材料多钉连接结构并进行加载，当位移增量达到一定值时卸载；
步骤B，用钉载传感器替代普通钛合金螺栓，重新装配复合材料多钉连接结构；
步骤C，在小载荷条件下使用钉载传感器，采用分级加载的形式测量复合材料多钉连接结构钉载分配比例；
步骤D，用普通钛合金螺栓替代钉载传感器，重新装配复合材料多钉连接结构；
步骤E，依据ASTM标准对复合材料多钉连接结构施加位移载荷，当位移增量达到一定值时卸载得到不同的加载状态；
步骤F，重复步骤B～步骤E，直至结构最终失效。
所述步骤A中，使用普通钛合金螺栓装配复合材料多钉连接结构以1-2mm/min的速度施加位移载荷。复合材料是脆性材料，因加载速度过快对试验件造成的冲击对钉载分配的结果影响较大，该加载速度尽量减少了冲击造成的误差。
所述步骤A中，位移增达到一定值是指位移增量取预测破坏载荷20％时所对应的位移增量ΔL。位移增量过大则无法全面得到各种加载状态，也就无法获取整个加载过程钉载的变化趋势；位移增量过小将耗费过高的时间及机器成本。该增量的选取兼顾了准确和效率。
所述步骤C中，在小载荷条件下分级加载是指载荷在钉载传感器量程范围内以1kN的增量增加。由于钉载传感器的量程是5kN，1kN的增量在钉载传感器量程的限制下兼顾了效率和准确性。
所述步骤E中，以1-2mm/min的速度施加位移载荷。由于复合材料是脆性材料，因加载速度过快对试验件造成的冲击对钉载分配的结果影响很大，该加载速度尽量减少了冲击造成的误差。
所述步骤E中，当位移增量达到一定值时卸载得到不同的加载状态，其中一定值是指第i次加载的位移增量为i*ΔL。
所述步骤A中首先依据ASTM标准，使用普通钛合金螺栓装配复合材料多钉连接结构进行加载，当位移增量达到一定值时卸载实现过程为：
(A1)试验测试在INSTRON-8803试验机上进行，层压板首先由普通钛合金螺栓连接，螺栓手动拧紧，装配使用的普通钛合金螺栓是由TC16钛合金制造的六角头螺栓HB8015-8和六角厚螺母HB 8026-MJ8×1.25；
(A2)以1-2mm/min的速度施加位移载荷，位移量取预测破坏载荷20％时所对应的位移增量ΔL；
(A3)施加的载荷，夹持端位移和孔变形由计算机自动记录。试验后，拆卸试验件检查层压板的损伤。
所述步骤C中在小载荷条件下使用钉载传感器，采用分级加载的形式测量复合材料多钉连接结构钉载分配比例实现过程为：
(C1)设计钉载传感器使之与钛合金螺栓HB 8015-8有相同的剪切刚度，试验测试在INSTRON-8803试验机上进行，钉载传感器手动拧紧；
(C2)在钉载传感器量程范围内，以力控制模式施加载荷进行分级加载，载荷以1kN的增量增加，每步的螺栓载荷被测量并且记录；
(C3)通过钉载传感器测量得到的钉传载荷，计算得到钉载分配比例；
所述步骤E中依据ASTM标准对复合材料多钉连接结构施加位移载荷，当位移增量达到一定值时卸载得到不同的加载状态实现过程为：
(E1)试验测试在INSTRON-8803试验机上进行，层压板由普通钛合金螺栓连接，螺栓手动拧紧；
(E2)以1-2mm/min的速度施加位移载荷，第i次加载的位移增量取i*ΔL；
(E3)施加的载荷，夹持端位移和孔变形由计算机自动记录。试验后，拆卸试验件检查层压板的损伤。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)由于钉载传感器量程的限制，现有技术采用钉载传感器研究复合材料多钉连接结构的钉载分配，只能在小载荷下测量弹性范围内的钉载分配比例，而本发明通过交替使用螺栓与钉载传感器，给出了间接测定复合材料多钉连接结构破坏历程中钉载分配比例的试验方法，突破了钉载传感器量程的限制，填补了大载荷下使用钉载传感器进行钉载分配测试的空白；
(2)本发明为复合材料多钉连接结构钉载分配的变化规律研究提供了试验方法支持，为复合材料多钉连接结构失效预测奠定了基础；
(3)采用本发明的测试方法得到的钉载分配结果已通过多钉连接结构的失效预测进行了验证，其中多钉连接结构失效的预测结果与试验结果一致，可见本发明的测试方法精度较高；
(4)本发明的测试方法操作简便、易于实现、成本低廉，适用于航空航天飞行器中广泛使用的先进复合材料多钉连接结构。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是本发明实施例1中使用的三钉双剪连接试验件；
图3是本发明使用的钉载传感器。
具体实施方式
如图1所示，本发明方法的具体实现为：
1、首先依据ASTM标准，使用普通钛合金螺栓装配复合材料多钉连接结构进行加载，当位移增量达到一定值时卸载；
试验测试在INSTRON-8803试验机上进行，层压板首先由普通钛合金螺栓连接，螺栓手动拧紧，装配使用的普通钛合金螺栓是由TC16钛合金制造的六角头螺栓HB 8015-8和六角厚螺母HB 8026-MJ8×1.25，以1-2mm/min的速度施加位移载荷，位移量取预测破坏载荷20％时所对应的位移增量ΔL，施加的载荷，夹持端位移和孔变形由计算机自动记录。试验后，拆卸试验件检查层压板的损伤。
2、用钉载传感器替代普通钛合金螺栓，重新装配复合材料多钉连接结构；
3、在小载荷条件下使用钉载传感器，采用分级加载的形式测量复合材料多钉连接结构钉载分配比例；
设计钉载传感器使之与钛合金螺栓HB 8015-8有相同的剪切刚度，试验测试在INSTRON-8803试验机上进行，钉载传感器手动拧紧，在钉载传感器量程范围内，以力控制模式施加载荷进行分级加载，载荷以1kN的增量增加，每步的螺栓载荷被测量并且记录，通过钉载传感器测量得到的钉传载荷，计算得到钉载分配比例；
4、用普通钛合金螺栓替代钉载传感器，重新装配复合材料多钉连接结构；
5、依据ASTM标准对复合材料多钉连接结构施加位移载荷，当位移增量达到i*ΔL(i为加载次数)时卸载得到不同的加载状态；
试验测试在INSTRON-8803试验机上进行，层压板由普通钛合金螺栓连接，螺栓手动拧紧，以1-2mm/min的速度施加位移载荷，第i次加载的位移增量取i*ΔL，施加的载荷，夹持端位移和孔变形由计算机自动记录。试验后，拆卸试验件检查层压板的损伤。
6、重复步骤2～步骤5，直至结构最终失效。
实施例1
采用上述流程测定图2所示复合材料三钉双剪螺栓连接结构整个破坏历程中的钉载分配比例。试验方案共采用两组螺栓，一组是钉载传感器(见图3)，用来间断的测量整个加载过程中的钉载分配结果。另一组是由TC16钛合金制造的六角头螺栓HB 8015-8和六角厚螺母HB 8026-MJ8×1.25，直径8mm，用来在加载过程中取代钉载传感器。为了准确测量钉载分配结果，钉载传感器与螺栓HB 8015-8有相同的剪切刚度。
整个过程中螺栓手动拧紧，试验测试在INSTRON-8803试验机上进行。层压板首先由HB 8015-8螺栓连接，以1mm/min的速度施加位移载荷。当外载荷增加到20kN时卸载。施加的载荷，夹持端位移和孔变形由计算机自动记录。试验后，拆卸试验件检查层压板的损伤。
用钉载传感器取代HB 8015-8螺栓重新装配连接结构，测量结构的钉载分配结果。以力控制模式施加载荷，载荷以1kN的增量增加，每步的螺栓载荷被测量并且记录。当有钉载达到5kN时拉伸停止并卸载。使用HB 8015-8螺栓和钉载传感器的加载和卸载过程重复进行直到最终失效。每次加载后，用钉载传感器测量螺栓载荷并计算载荷比例。
表1三钉连接结构的钉载分配比例
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (6)

1.一种间接测定复合材料多钉连接结构破坏历程中钉载分配比例的试验方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤A，使用普通钛合金螺栓装配复合材料多钉连接结构并施加位移载荷，当位移增量达到一定值时卸载；
步骤B，用钉载传感器替代普通钛合金螺栓，重新装配复合材料多钉连接结构；
步骤C，在小载荷条件下使用钉载传感器，在钉载传感器量程范围内，以力控制模式施加载荷进行分级加载，通过钉载传感器测量得到的钉传载荷，计算得到复合材料多钉连接结构的钉载分配比例；
步骤D，用普通钛合金螺栓替代钉载传感器，重新装配复合材料多钉连接结构；
步骤E，对复合材料多钉连接结构施加位移载荷，当位移增量达到一定值时卸载得到不同的加载状态；
步骤F，重复步骤B~步骤E，直至复合材料多钉连接结构最终失效；
所述普通钛合金螺栓与钉载传感器具有相同的剪切刚度。
2.根据权利要求1所述的间接测定复合材料多钉连接结构破坏历程中钉载分配比例的试验方法，其特征在于：所述步骤A中，使用普通钛合金螺栓装配复合材料多钉连接结构以1-2mm/min的速度施加位移载荷。
3.根据权利要求1所述的间接测定复合材料多钉连接结构破坏历程中钉载分配比例的试验方法，其特征在于：所述步骤A中，位移增量达到一定值是指位移增量取预测破坏载荷20%时所对应的位移增量ΔL。
4.根据权利要求1所述的间接测定复合材料多钉连接结构破坏历程中钉载分配比例的试验方法，其特征在于：所述步骤C中，在小载荷条件下分级加载是指载荷在钉载传感器量程范围内以1kN的增量增加。
5.根据权利要求1所述的间接测定复合材料多钉连接结构破坏历程中钉载分配比例的试验方法，其特征在于：所述步骤E中，以1-2mm/min的速度施加位移载荷。
6.根据权利要求1所述的间接测定复合材料多钉连接结构破坏历程中钉载分配比例的试验方法，其特征在于：所述步骤E中，当位移增量达到一定值时卸载得到不同的加载状态，其中一定值是指第i次加载的位移增量为i*ΔL。
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