碳/环氧编织复合材料层合板拉脱特性研究

摘要

机械连接作为复合材料结构最重要的连接方式，其强度问题对结构设计尤为重要。拉脱破坏是由于层合板受到来自螺栓沿板厚度方向的载荷过大而发生的一种破坏模式，其破坏机理复杂。研究复合材料层合板的拉脱阻抗性能，对复合材料设计分析具有重要的研究意义。
　　本文针对含沉头孔的编织复合材料层合板的拉脱特性，开展了两方面的研究：通过拉脱试验，研究了编织复合材料层合板的拉脱强度以及温湿度条件和厚度的影响；通过ABAQUS有限元软件的数值模拟，研究了层压板的拉脱损伤过程以及夹具的约束范围和螺栓头直径的影响。
　　试验研究表明：拉脱破坏过程分为两个阶段：第一阶段载荷与位移呈线性增长至层合板发生初始破坏，此时对应的载荷为失效载荷；第二阶段载荷与位移呈非线性，缓慢增长，直至层合板发生最终破坏。失效载荷决定层合板的拉脱强度；温湿度条件对层合板拉脱强度有明显的影响，与常温干态条件下相比，高温湿热条件（82℃，85％）下复合材料基体吸湿软化，承载力下降，层合板更早发生初始破坏，且失效载荷降低38.12%；低温干态条件（-55℃，干态）下基体偏脆性，层合板只发生一次低温脆性破坏，即失效载荷为最大破坏载荷，且失效载荷提高34.53%；失效载荷随层合板厚度的增加而增大，试件最大破坏面会沿着厚度方向由层合板的上层位置向下层位置移动。
　　数值模拟研究表明：层合板的基体失效要先于纤维失效，当纤维发生失效后载荷急剧下降，表明层合板的拉脱强度由纤维控制；基体失效主要发生在90度、0度和45度铺层，纤维失效主要发生在90度铺层、0度及部分-45铺层，表明45度和-45度铺层承载力均高于90度和0度铺层；层合板基体与纤维的拉伸失效主要表现在层合板上层位置，基体和纤维压缩失效主要表现在层合板下层位置。随着夹具孔径增大，拉脱失效载荷逐渐减小，夹具孔径在53mm~63mm范围内时，对失效载荷的影响较小；螺栓头嵌入层合板孔内部时，螺栓沉头平齐度对失效载荷的影响较大，螺栓头突出于层合板表面时，对失效载荷影响较小。