一種間接測定復合材料多釘連接結構破壞歷程中釘載分配比例的試驗方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及復合材料多釘連接結構整個破壞歷程的釘載分配確定，適用于航空航 天飛行器中廣泛使用的復合材料多釘連接結構。
【背景技術】
[0002] 釘載分配分析方法是復合材料多釘連接結構強度分析的關鍵，也是多釘連接結構 強度分析的前提。目前常用的復合材料多釘連接釘載分配確定方法主要有解析法、有限元 法和剛度法以及試驗法。
[0003]復合材料多釘連接釘載分配的試驗測試方法最初是由Ascione等提出的一種壓力 傳感器測試釘載分配的方法，該方法在螺栓孔中設置壓力傳感器，將導致局部結構細節改 變，改變螺栓和孔邊的接觸剛度，因此影響實際的載荷分配比例，引入了系統誤差。B0JCAS 計劃中報道的"載荷傳感器"方法，采用在工程標準螺栓兩側開槽，并分別粘貼軸向和±45° 方向的雙向應變化，通過測量螺栓在連接結構載荷變化過程中的應變大小，來反映螺栓所 受載荷，進而計算出釘載分配比例。張建宇對前面的載荷傳感器進行了改進，設計了釘載矢 量傳感器，釘載矢量傳感器將應變片從兩組增加到了四組，四個開槽沿著螺桿表面圓周對 稱分布，并且相對搭接面對稱。這個改進使載荷傳感器打破了安裝角的約束，并且有能力測 量載荷方向。
[0004] 由于在外載荷增加過程中復合材料層壓板存在損傷擴展，損傷擴展將引起多釘連 接結構中釘載分配的變化，所以結構最終失效前，釘載分配是變化的，而不是一個恒定值。 為了研究復合材料多釘連接結構中釘載分配的變化規律，需要使用釘載傳感器測量復合材 料多釘連接結構整個破壞歷程中的釘載分配。但是釘載傳感器測量過程中要求釘載傳感器 所受載荷和測量應變存在線性關系，然而由于量程的限制，大載荷條件下無法保證二者之 間的線性關系，因而釘載傳感器無法直接測量復合材料多釘連接結構整個破壞歷程中的釘 載分配。
【發明內容】
[0005] 本發明的技術解決問題:克服現有技術的不足，提出了一種間接測定復合材料多 釘連接結構破壞歷程中釘載分配比例的試驗方法，該方法使用鈦合金螺栓加載，在大載荷 下造成損傷，使用釘載傳感器在小載荷下測定釘載分配比例，通過更換鈦合金螺栓與釘載 傳感器并反復加載，從而間接地測量復合材料多釘連接結構整個破壞歷程中釘載分配的變 化問題。
[0006 ]本發明的技術解決方案:一種間接測定復合材料多釘連接結構破壞歷程中釘載分 配比例的試驗方法，實現步驟如下：
[0007]步驟A，首先依據ASTM標準，使用普通鈦合金螺栓裝配復合材料多釘連接結構并進 行加載，當位移增量達到一定值時卸載；
[0008] 步驟B，用釘載傳感器替代普通鈦合金螺栓，重新裝配復合材料多釘連接結構；
[0009] 步驟C，在小載荷條件下使用釘載傳感器，采用分級加載的形式測量復合材料多釘 連接結構釘載分配比例；
[0010] 步驟D，用普通鈦合金螺栓替代釘載傳感器，重新裝配復合材料多釘連接結構；
[0011] 步驟E，依據ASTM標準對復合材料多釘連接結構施加位移載荷，當位移增量達到一 定值時卸載得到不同的加載狀態；
[0012] 步驟F，重復步驟B~步驟E，直至結構最終失效。
[0013] 所述步驟A中，使用普通鈦合金螺栓裝配復合材料多釘連接結構以l-2mm/min的速 度施加位移載荷。復合材料是脆性材料，因加載速度過快對試驗件造成的沖擊對釘載分配 的結果影響較大，該加載速度盡量減少了沖擊造成的誤差。
[0014] 所述步驟A中，位移增達到一定值是指位移增量取預測破壞載荷20%時所對應的 位移增量AL。位移增量過大則無法全面得到各種加載狀態，也就無法獲取整個加載過程釘 載的變化趨勢;位移增量過小將耗費過高的時間及機器成本。該增量的選取兼顧了準確和 效率。
[0015] 所述步驟C中，在小載荷條件下分級加載是指載荷在釘載傳感器量程范圍內以lkN 的增量增加。由于釘載傳感器的量程是5kN，lkN的增量在釘載傳感器量程的限制下兼顧了 效率和準確性。
[0016] 所述步驟E中，以l-2mm/min的速度施加位移載荷。由于復合材料是脆性材料，因加 載速度過快對試驗件造成的沖擊對釘載分配的結果影響很大，該加載速度盡量減少了沖擊 造成的誤差。
[0017]所述步驟E中，當位移增量達到一定值時卸載得到不同的加載狀態，其中一定值是 指第i次加載的位移增量為i* A L。
[0018] 所述步驟A中首先依據ASTM標準，使用普通鈦合金螺栓裝配復合材料多釘連接結 構進行加載，當位移增量達到一定值時卸載實現過程為：
[0019] (A1)試驗測試在INSTR0N-8803試驗機上進行，層壓板首先由普通鈦合金螺栓連 接，螺栓手動擰緊，裝配使用的普通鈦合金螺栓是由TC16鈦合金制造的六角頭螺栓HB 8015-8和六角厚螺母邢 8026-]\118\1.25;
[0020] (A2)以l-2mm/min的速度施加位移載荷，位移量取預測破壞載荷20%時所對應的 位移增量A L;
[0021] (A3)施加的載荷，夾持端位移和孔變形由計算機自動記錄。試驗后，拆卸試驗件檢 查層壓板的損傷。
[0022] 所述步驟C中在小載荷條件下使用釘載傳感器，采用分級加載的形式測量復合材 料多釘連接結構釘載分配比例實現過程為：
[0023] (C1)設計釘載傳感器使之與鈦合金螺栓HB 8015-8有相同的剪切剛度，試驗測試 在INSTR0N-8803試驗機上進行，釘載傳感器手動擰緊；
[0024] (C2)在釘載傳感器量程范圍內，以力控制模式施加載荷進行分級加載，載荷以lkN 的增量增加，每步的螺栓載荷被測量并且記錄；
[0025] (C3)通過釘載傳感器測量得到的釘傳載荷，計算得到釘載分配比例；
[0026] 所述步驟E中依據ASTM標準對復合材料多釘連接結構施加位移載荷，當位移增量 達到一定值時卸載得到不同的加載狀態實現過程為：
[0027] (E1)試驗測試在INSTR0N-8803試驗機上進行，層壓板由普通鈦合金螺栓連接，螺 栓手動擰緊；
[0028] (E2)以l-2mm/min的速度施加位移載荷，第i次加載的位移增量取i*AL;
[0029] (E3)施加的載荷，夾持端位移和孔變形由計算機自動記錄。試驗后，拆卸試驗件檢 查層壓板的損傷。
[0030] 本發明與現有技術相比的優點在于：
[0031] (1)由于釘載傳感器量程的限制，現有技術采用釘載傳感器研究復合材料多釘連 接結構的釘載分配，只能在小載荷下測量彈性范圍內的釘載分配比例，而本發明通過交替 使用螺栓與釘載傳感器，給出了間接測定復合材料多釘連接結構破壞歷程中釘載分配比例 的試驗方法，突破了釘載傳感器量程的限制，填補了大載荷下使用釘載傳感器進行釘載分 配測試的空白；
[0032] (2)本發明為復合材料多釘連接結構釘載分配的變化規律研究提供了試驗方法支 持，為復合材料多釘連接結構失效預測奠定了基礎；
[0033] (3)采用本發明的測試方法得到的釘載分配結果已通過多釘連