碳/环氧纺织复合材料层合板挤压特性研究

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复合材料的应用范围不断扩大,由早期用于简单轻巧的非承力部件逐渐扩展到用于大规模的复杂承力构件。在这些大型复合材料构件中不可避免需要进行连接装配,而在结构连接中,传统的机械连接仍被大量采用,其强度对于构件安全工作至关重要。在机械连接区域,复合材料主要受到螺栓、铆钉等紧固件的挤压作用。因此,研究复合材料的机械连接挤压特性对于复合材料层合板结构件安全设计具有重要意义。  本文从试验及数值模拟的角度研究碳/环氧编织复合材料挤压行为,主要成果如下:  (1)在同等条件下,单钉双剪连接的挤压强度明显比单/双钉单剪连接强度更高;双钉单剪则比单钉单剪连接有更高的破坏载荷,而载荷的提升,使得层合板净截面拉应力显著增强,导致层合板更容易发生净截面拉伸破坏。  (2)温湿度环境对复合材料单钉双剪挤压性能有较大影响,与室温干态环境(RTD)相比,高温湿热环境下,层合板发生初始损伤时的挤压强度降低了23.4%,极限强度下降了21.6%;低温干态环境下,其挤压强度相较于室温干态环境提高了16.68%,结构件具有更高的安全裕度。  (3)层合板0°铺层中的主要损伤形式为纤维压缩以及少量纤维拉伸损伤、基体拉压损伤、纤维基体剪切损伤,±45°铺层的主要损伤形式为纤维压缩、基体拉压及纤维基体剪切破坏。90°铺层则主要为基体损伤;±45°铺层的承载能力均高于0°、90°铺层;层合板中±45°、0°及90°铺层的损伤扩展方向也各不同,±45°铺层主要沿±45°方向扩展,0°、90°铺层则主要沿±45°、0°方向扩展。  (4)单钉双剪连接形式的挤压强度随着孔径板厚比的增大而减小,但其破坏载荷随孔径板厚比的增大而增大。利用数值模拟方法拟合出不同孔径板厚比模型d/t值与挤压强度、破坏载荷曲线,得出在该种材料下d/t=1.8时层合板单钉双剪的连接效率最高。  (5)单钉双剪的挤压强度随着±45°铺层含量增加呈非线性提高,ABAQUS模拟结果也基本与试验结果一致,误差较小,±45°铺层含量增多能在一定程度上增强层合板孔周的抗挤压、剪切能力,从而提高其挤压强度,且得出±45°铺层比例不应小于50%,0°铺层比例在25%~30%为宜。
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