ＩｌｌＩｌｊｌＩＩｌｌｌｌ锄２。０。１ 。４ 。Ｎ。Ｏ．。２ ３ 。。 。．。 ． 。 。 。 。 。 。研究报告 螺栓拧紧力矩对复合材料连接强度影响试验研究 刘旭波 （上海飞机设计研究院上海２０１ ２１ ０） 摘 要：螺栓拧紧力矩是影响复合材料连接强度的因素之一，该文就紧固件拧紧力矩对双剪试验件破坏裁荷的影响进行了试验研究，给出了同样 铺层的碳歼堆复合材料在不同拧紧力矩情况下的连接破坏裁荷。 关键词：复合材料连接中图分类号：Ｖ１．２４６ 拧紧力矩 试验 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—０９８Ｘ（２０１４）ＯＳ（ｂ）一００２６—０１ 复合材料是２０世纪６０年代崛起的一大 素之一，该文给出了同种铺层碳纤维复合 螺栓拧紧力矩的４％变形载荷，双剪连接比 类新型材料，其强度高、刚度大、质量轻、并 材料在不同拧紧力矩情况下的连接破坏载 具有抗疲劳、减振、耐高温、可设计等一系 荷，可以为复合材料拧紧力矩标准制定提 列优点，一经问世就显示了强大的生命力。 供依据。 目前先进复合材料在航空航天、能源、交 通、建筑、生物、医疗等领域中获得了广泛 的应用。 １试验类型和试验条件 试件为由预浸料ＣＹＣＯＭ Ｘ８５０－３５－ 先进复合材料与金属材料相比具有比 １２ＫＩＭ＋一ｌ９０制成的层板结构，铺层信息 强度和比模量高、性能可设计和易于整体 见表１。 成形等许多优异特性，将其用于飞机结构 试验件的连接形式主要是双剪搭接 上，可比常规的金属结构减重２５％～３０％。 和单剪搭接，紧固件选用ＮＡＳ６８０ ３钛合 因此，航空航天及各种领域的结构设计中 金螺栓。双剪搭接紧固件拧紧力矩分别 越来越多的采用复合材料结构，特别在民 为０ Ｎ·ｒｎ，２ Ｎ·ｍ，４ Ｎ·ｒｎ，６ Ｎ·ｍ， 用航空领域，波音７８７飞机的复合材料用量 ８ Ｎ·ｍ；单剪搭按紧固件拧紧力矩分别为 已达５０％，最新研制的空客Ａ３５０飞机复合 ２ Ｎ·ｍ，４ Ｎ·ｍ每种拧紧力矩试验件各５ 材料用量将超过５０％。 件，按照ＡＳＴＭ Ｄ５９６１试验标准要求进行 由于复合材料成型工艺技术水平的限 试验。 制和复合材料构件不可避免要与金属零部 试验设备为ＩＮＳＴＲ０Ｎ８ ８０３试验机， 件相连接，在复合材料结构上仍存在大量 在标准试验室环境下进行（温度２３土３℃； 的连接问题，且由于复合材料的特殊性，其 湿度５０士１０％ＲＨ）。 连接分析很大程度上依赖试验研究。而螺 栓拧紧力矩是影响复合材料连接强度的因 ２试验结果与分析 按照试验标准进行试验，记录４％变形 载荷及破坏载荷，如表２所示 最终破坏载荷以及４％变形载荷随拧紧 力矩的变化如表２和图１所示。由表中可看 出： （１）双剪连接情况下，随着拧紧力矩 的增大，最终破坏载荷逐渐增大，直到拧紧 力矩达到８ Ｎ·ｍ时，接头强度减小。而４％ 变形载荷随着拧紧力矩的增大呈下降趋势 （如图１所示）。 （２）单剪连接情况下，随着拧紧力矩的 增大，最终破坏载荷也逐渐增大，表现出了 拧肇力矩 ｍ 跟双剪连接同样的趋势。 图１拧紧力矩影响分析图 （３）比较双剪和单剪连接情况下同样 表１试验件铺层汇总表 表２试验结果 连接形式 螺栓拧紧力矩 ４％变形载荷均值 破坏载荷 Ｏ Ｎ·ｍ ９．３６ ＫＮ ２０．５９ ＫＮ ２ Ｎ·ｍ ８．８ｌ ＫＮ ２０．４８ ＫＮ 双剪 ４ Ｎ·ｍ ９．２５ ＫＮ ２０．９Ｏ ＫＮ ６ Ｎ·ｍ ８．７５ ＫＮ ２１．６ ＫＮ ８ Ｎ·ｍ ８．６４ ＫＮ ２Ｏ．４８ ＫＮ ２ Ｎ·ｍ ６．６１ ＫＮ ｌ８．８４ ＫＮ 单剪 ４ Ｎ·ｍ ７．６２ ＫＮ ２２．６６ ＫＮ ２６ 科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 单剪连接载荷小。 （４）比较双剪和单剪连接情况下同 样螺栓拧紧力矩的破坏载荷，紧固件为 ２ Ｎ·ｍ拧紧力矩时，双剪连接比单剪连接 载荷增大了８．７％；紧固件为４ Ｎ·ｍ拧紧 力矩时，双剪连接比单剪连接载荷减小了 ７．８％。 （５）双剪搭接试验件的失效模式主要 为中间板孔边挤压失效，单剪搭接试验件在 下层压板孔边发生挤压失效，并且２ Ｎ·ｍ 拧紧力矩时螺栓杆发生弯曲，４ Ｎ·ｍ时螺 栓杆发生剪切失效。 ３结论 连接形式和紧固件形式一致，仅拧紧力 矩不同的情况下，随着拧紧力矩的增大，最 终破坏载荷逐渐增大，但存在一个极值，超 过极值后，随着拧紧力矩增大破坏载荷反 而会降低。 双剪和单剪连接情况下同样螺栓拧紧 力矩的４％变形载荷，双剪连接比单剪连接 载荷小；双剪和单剪连接情况下同样螺栓 拧紧力矩的破坏载荷，紧固件为２ Ｎ·ｍ拧 紧力矩时，双剪连接比单剪连接载荷大， 紧固件为４ Ｎ·ｍ拧紧力矩时，双剪连接比 单剪连接载荷小；双剪搭接试验件的失效 模式主要为中间板孔边挤压失效，单剪搭 接试验件在下层压板孔边发生挤压失效， 并且２ Ｎ·ｍ拧紧力矩时螺栓杆发生弯曲， ４ Ｎ·ｍ时螺栓杆发生剪切失效。 以上数据仅得出了部分连接情况下拧 紧力矩对连接强度的影响，后续将开展更 多的此方面研究，得到更多的数据，用以进 行螺栓拧紧力矩方面的研究。 参考文献 ［１］汪海，谢鸣九．复合材料层压板钛螺栓连 接强度试验研究，第九届全国复合材料 学术会议论文集（Ｃ】．北京：世界图书出 版公司．１９９６． ［２］贾普荣，矫桂琼，潘，等．碳纤维复合 材料钉孔挤压强度试验研究，第九届全 国复合材料学术会议论文集［Ｃ】．北京： 世界图书出版公司．１９９６． 【３】金晖．民用飞机复合材料结构静力试验 环境因子确定方法研究［Ｊ】．民用飞机设 计与研究，２０１２（Ｓ１）：３４－３７．
