復(fù)合材料波紋夾芯板成型工藝及其端部連接性能研究*

馬 森 趙啟林

(1.陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京 210007;2.南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 211800)

1 概述

得益于復(fù)合材料比強(qiáng)度、比剛度高和環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)［1］，復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)特別是層合板在港口樁基、橋面板等工程領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用［2-6］。波紋夾芯板作為層合板的一種常見形式，能夠充分利用材料優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出質(zhì)量更輕的結(jié)構(gòu)。目前，波紋夾芯結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于船舶的艙壁、艙門、甲板、船體外殼等。大量的研究工作表明：復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)能夠很好地發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)［7-11］。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域是構(gòu)件的成型工藝。復(fù)合材料波紋夾芯板的成型工藝主要有兩種，目前應(yīng)用較為廣泛的是二次成型工藝，即首先將面板和芯層制作成預(yù)先設(shè)計(jì)的幾何形狀，再將二者黏結(jié)在一起，二次成型工藝方法簡(jiǎn)單、容易操作，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，但是采用這種工藝制作的板材，面板和芯層的黏結(jié)不可靠，容易出現(xiàn)脫黏剝離等問題。針對(duì)這些問題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王強(qiáng)等提出了復(fù)合材料面板和芯層同時(shí)固化的一次成型工藝［12］，但是這種工藝沒有提出端部連接的處理方法，限制了波紋夾芯板在端部需要連接的情況下的應(yīng)用。

機(jī)械連接通常是指對(duì)被連接件進(jìn)行打孔，將兩個(gè)或多個(gè)被連接件機(jī)械地連接在一起的方法。復(fù)合材料機(jī)械連接有很多優(yōu)點(diǎn)［13］：如在制造、更換和維修中可重復(fù)裝配和拆卸、便于檢查質(zhì)量、對(duì)接頭零部件連接表面的準(zhǔn)備和處理要求不高等。由于復(fù)合材料的脆性及各向異性，其螺栓連接接頭的螺栓孔周圍應(yīng)力分布遠(yuǎn)較金屬螺栓孔周圍應(yīng)力分布復(fù)雜;同時(shí)其孔邊的應(yīng)力狀態(tài)和失效模式與接頭形式、幾何參數(shù)、螺栓類型及擰緊力矩等因素關(guān)系密切［14］。正是由于影響復(fù)合材料連接性能的因素很多而且復(fù)雜，目前對(duì)復(fù)合材料螺栓連接接頭研究的手段主要是通過試驗(yàn)和有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。如Starikov等通過試驗(yàn)研究了螺栓形式對(duì)接頭極限承載力的影響［15-16］;文獻(xiàn)［17-18］報(bào)道了施加預(yù)緊力對(duì)層合板螺栓連接接頭強(qiáng)度影響的研究，結(jié)果表明：施加一定程度的預(yù)緊力有利于提高接頭的極限承載力。

本研究對(duì)象為復(fù)合材料波紋夾芯板，首先提出了適合于端部機(jī)械連接的復(fù)合材料波紋夾芯板一體成型工藝;在成型工藝確定的基礎(chǔ)上，制作出了一系列的復(fù)合材料波紋夾芯板試件;提出了利用螺栓對(duì)復(fù)合材料波紋夾芯板端部進(jìn)行連接的接頭形式，并研究了螺栓連接參數(shù)對(duì)連接效果的影響。

2 復(fù)合材料波紋夾芯板成型工藝研究

2.1 主要原材料及設(shè)備

2.1.1 主要原材料

碳纖維布、玻璃纖維布、環(huán)氧樹脂及固化劑是本試驗(yàn)制作復(fù)合材料波紋夾芯板的主要原材料，其中碳纖維布用來作為面層材料，玻璃纖維布用來作為芯層材料。成型后的碳纖維和玻璃纖維鋪層的基本材料屬性見表1。

表1 波紋夾芯板材料屬性Table 1 Material properties of composite corrugated sandwich plate

2.1.2 主要設(shè)備

制作復(fù)合材料波紋夾芯板時(shí)用到的設(shè)備主要有芯模、夾具和加溫加壓設(shè)備。芯模由槐木制作而成，主要考慮到木材的硬度不是很大，方便脫模。夾具采用鋼板制作，和加壓設(shè)備配合使用可以提供指定方向的壓力，固化設(shè)備主要有熱壓機(jī)和烘箱。熱壓機(jī)在加壓的同時(shí)可以通過壓頭提供熱量，本文所使用的熱壓機(jī)可以提供0～20 MPa的壓力及壓頭處0～400℃的溫度。烘箱可以提供可調(diào)的溫度，具有加熱溫度高、保溫效果好的特點(diǎn)，可提供的溫度范圍是0～500℃。

2.2 試件制作前的準(zhǔn)備工作

2.2.1 芯模的準(zhǔn)備

制作復(fù)合材料波紋夾芯板，首先是要準(zhǔn)備支撐纖維布的芯模，本文制作芯模選擇的材料是木材。首先將木塊通過機(jī)械加工手段制作成設(shè)計(jì)的形狀，因?yàn)榻?jīng)過機(jī)械加工的木質(zhì)芯模表面還很粗糙，邊角存在毛刺，會(huì)使加工完畢的波紋夾芯板存在初始缺陷。因此，還需要先對(duì)模具表面進(jìn)行打磨，使模具表面基本光滑，即用手撫摸表面感覺不出明顯的不平滑現(xiàn)象。因?yàn)楸疚乃O(shè)計(jì)的芯模沒有考慮拔模斜度，為了便于脫模，采取的措施是在木芯模表面包裹脫模紙。脫模紙是一種在原紙的表面涂敷了特殊功能性材料的工業(yè)用紙，一面敷有黏結(jié)劑，另一面光滑，附著在該面的油漬、污點(diǎn)和其他附著物，如漿糊、樹脂、涂料等都可簡(jiǎn)單地清除。包裹脫模紙時(shí)特別要注意盡量減少表面的褶縐。最后還需在表面涂刷脫模劑。

2.2.2 裁剪纖維布

根據(jù)構(gòu)件的尺寸計(jì)算出所需要的纖維布的尺寸。注意在計(jì)算纖維布的寬度時(shí)需要把端部需要翻折的部分計(jì)算在內(nèi)，同時(shí)長(zhǎng)度和寬度方向均留有一定的余量。

2.2.3 上、下墊板和 L形板

制作試件前還需要準(zhǔn)備上、下兩塊墊板和L形板。墊板和L形板均由鋼板制作，墊板放在上下面板處，L形板放在拐角的位置。其作用一是作為操作的平臺(tái)，便于夾芯板制作模塊的搬運(yùn);二是給拼裝的模具提供定位，使得夾芯板制作模塊在加溫、加壓時(shí)不發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)。注意墊板的厚度不能太厚，太厚放在熱壓機(jī)上熱量不容易傳遞，太薄則剛度太小，無法對(duì)模具起到約束的作用，本文在制作夾芯板時(shí)，墊板的厚度為3 mm。

2.3 復(fù)合材料波紋夾芯板制作流程

復(fù)合材料波紋夾芯板成型工藝流程如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料波紋夾芯板成型工藝流程Fig.1 Molding process of composite corrugated sandwich plate

制作過程中需要注意以下幾點(diǎn)：1)纖維布預(yù)先都是經(jīng)過浸膠處理，使環(huán)氧樹脂和固化劑充分浸潤(rùn)纖維布;2)在鋪設(shè)完上面板纖維(圖1f)后，按照?qǐng)D2所示對(duì)連接端的端部纖維翻折;3)利用熱壓機(jī)給上、下面板提供壓力，利用特制的夾具給側(cè)面翻折纖維提供壓力，上、下面板和側(cè)面提供的壓力為4 MPa。因?yàn)闊釅簷C(jī)僅僅給上、下面板提供熱量，導(dǎo)致中間芯層部分的固化劑遲遲不能固化，大大降低了試件制作效率，因此，在熱壓機(jī)上加熱加壓2 h，待固化劑已經(jīng)基本固化，將波紋夾芯板制作模塊放入烘箱保持溫度180℃約4 h。固化完全后脫模，制作出的復(fù)合材料波紋夾芯板如圖2所示。

圖2 制作完成的試件Fig.2 A completed specimen

3 螺栓連接參數(shù)對(duì)復(fù)合材料波紋夾芯板端部連接性能的影響

基于前文提出的復(fù)合材料波紋夾芯板成型工藝，制作出了一系列的試件，研究了不同的螺栓連接參數(shù)對(duì)復(fù)合材料波紋夾芯板端部連接性能的影響。

3.1 試件描述

根據(jù)前文提出的復(fù)合材料波紋夾芯板的成型工藝，制作試驗(yàn)所需要的復(fù)合材料波紋夾芯板試件。試件外形尺寸分別為：長(zhǎng) 500 mm、寬 250 mm、高130 mm;其中面板由12層碳纖維布制作，波紋芯層由15層玻璃纖維布制作，加工完畢后，面板的厚度約2 mm，芯層的厚度約5 mm，試件橫截面尺寸如圖3所示。

圖3 試件橫截面尺寸Fig.3 Size of the cross section of the specimen

試件通過墊片和螺栓與反力墻連接，考慮采用兩種螺栓布置方式：方式1的螺栓布置在圖2中標(biāo)記有“+”符號(hào)的位置，方式2螺栓布置在圖2中標(biāo)記有“+”和“*”符號(hào)的位置。

墊片由 Q235鋼材制作，厚度6 mm。為了防止拐角處過于鋒利，在墊片和復(fù)合材料接觸的邊角打磨出直徑約為2 mm的圓角。連接螺栓采用M12高強(qiáng)螺栓，公稱直徑為12 mm，有效直徑為10.36 mm。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共 6組，編號(hào)分別是 Z-0、Z-20、Z-40、Q-0、Q-20、Q-40。其中 Z 表示螺栓按照“方式1”布置，Q表示螺栓按照“方式2”布置，“-”符號(hào)后面的數(shù)字表示對(duì)螺栓施加的預(yù)緊力大小，單位為Nm。因?yàn)閺?fù)合材料波紋夾芯板制作時(shí)存在誤差，端面厚度不完全均勻，在給螺栓施加預(yù)緊力時(shí)，首先給每個(gè)螺栓加大約50 Nm的預(yù)緊力，然后再將螺栓放松到需要的預(yù)緊力大小。

試件加載示意如圖4所示，夾芯板一端通過螺栓與反力墻連接，另一端布置加載和測(cè)量設(shè)備。圖4中的傳力墊板是厚度為20 mm的鋼板，其作用是防止荷載傳感器與試件的接觸面過小導(dǎo)致的試件局部壓潰。試驗(yàn)前測(cè)量荷載施加點(diǎn)到反力墻的距離L1和位移測(cè)量點(diǎn)到反力墻的距離L2。

圖4 加載示意Fig.4 Loading diagram

3.3 試驗(yàn)分析及結(jié)論

根據(jù)圖4所示的加載示意分別對(duì)6組試件進(jìn)行性能試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.3.1 螺栓布置方式對(duì)連接性能的影響

試件Z-40和試件Q-40的位移-荷載曲線如圖5所示，可以看出：對(duì)于采用多螺栓連接的復(fù)合材料波紋夾芯板，在荷載施加的初始階段，端部位移隨著荷載的增加而變大;當(dāng)荷載施加到一定程度(試件 Z-40 為 59.4 kN，試件 Q-40 為 87.7 kN)時(shí)，承載力會(huì)出現(xiàn)輕微的下降，繼續(xù)加載承載力又會(huì)再次上升，總體表現(xiàn)為承載力的“波動(dòng)”現(xiàn)象，這種“波動(dòng)”現(xiàn)象以試件Z-40較為明顯;而試件Q-40的“波動(dòng)”現(xiàn)象持續(xù)的“時(shí)間”更長(zhǎng);另外，兩組試驗(yàn)的極限承載力也有比較大的差異，試件 Z-40為62.5 kN，試件 Q-40 為 91.2 kN，破壞均是發(fā)生在螺栓連接處，夾芯板沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

分析出現(xiàn)承載力“波動(dòng)”的原因如下：對(duì)于螺栓連接處的翻折纖維，該部分纖維受力分為兩個(gè)部分，一是螺栓的壓緊力P，二是面板對(duì)該部分纖維的拉力f。

假設(shè)螺栓的個(gè)數(shù)為n，第i個(gè)螺栓對(duì)面板的作用力為Fi(i=1，2，…，n)。理想狀態(tài)下，根據(jù)力的平衡條件，f和Fi應(yīng)該滿足公式(1)所示條件：

但實(shí)際情況是，由于板厚不均勻和邊界效應(yīng)等因素，每個(gè)螺栓的力并不完全相等，螺栓連接處的纖維所受力自然也不相等，在荷載增加時(shí)，墊片根部纖維絲(包括面板和翻折)所受剪力和拉力逐漸增加，受力最大處的纖維首先達(dá)到強(qiáng)度極限值，發(fā)生斷裂。該處纖維在破壞前所承受的荷載會(huì)被重新分配到其他位置的纖維處，同時(shí)造成緊繃的受拉面板出現(xiàn)力的釋放，所以出現(xiàn)承載力的下降，隨著荷載的繼續(xù)增加，剩余的螺栓連接位置纖維再次繃緊并破壞，如此反復(fù)，待所有螺栓位置的纖維絲均破壞時(shí)，試件失去承載力。螺栓按照方式2布置時(shí)，螺栓數(shù)量多，拉力的釋放和重新分配在更多的螺栓間進(jìn)行，“波動(dòng)”現(xiàn)象持續(xù)的“時(shí)間”更長(zhǎng);相同的f條件下，螺栓處纖維平均受力變小，在夾芯板試件沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞的前提下，能夠承受更大的荷載。

圖5 試件Z-40和試件Q-40位移-荷載曲線對(duì)比Fig.5 Displacement-load curves of Z-40 and Q-40

圖6 不同螺栓布置和預(yù)緊力時(shí)波紋板位移-荷載對(duì)比曲線Fig.6 Influence of bolt arrangement and preload on structural load-displacement curve

3.3.2 螺栓預(yù)緊力對(duì)連接性能的影響

圖6為螺栓按照方式1和方式2布置時(shí)，分別對(duì)螺栓施加0，20，40 N·m的預(yù)緊力時(shí)波紋板的位移-荷載對(duì)比曲線，可以看出：在承載力進(jìn)入“波動(dòng)”狀態(tài)之前，隨著荷載的增加，波紋板撓度基本呈線性關(guān)系增加;相同螺栓布置形式、相同荷載時(shí)，增加預(yù)緊力，波紋板端部位移明顯減小。從不同螺栓布置形式的位移-荷載曲線對(duì)比中也可以看出：施加相同的預(yù)緊力時(shí)，布置更多的螺栓有利于控制試件的端部位移。

試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于復(fù)合材料波紋夾芯板，在本文提出的螺栓連接方式下，增加螺栓預(yù)緊力，能夠有效控制試件的端部位移;相同預(yù)緊力情況下，增加螺栓數(shù)量也會(huì)起到控制試件端部位移的效果，分析其機(jī)理如下。

對(duì)于預(yù)緊力螺栓，在承受外加拉力之前，螺桿中已經(jīng)有了一定的預(yù)拉力P。而在被連接板疊之間則有預(yù)壓力C，P與C相互平衡。當(dāng)對(duì)螺栓施加外拉力Nt后，螺栓桿在板疊間壓力未消除前被拉長(zhǎng)，此時(shí)螺栓桿拉力增量為ΔP;而壓緊的板疊則放松，其間壓力減小 ΔC［19］。

下面分析預(yù)緊力螺栓連接對(duì)懸臂板撓度的影響。懸臂板在承受均布荷載作用時(shí)的變形可以分為兩部分，一是端部受拉板疊伸長(zhǎng)Δb引起結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)位移 S1，二是夾芯板結(jié)構(gòu)本身的變形S2，如圖7所示。

圖7 懸臂板變形示意Fig.7 Schematic diagram of the deformation of the cantilever plate

因此，懸臂板的位移S可以表示為：

在相同外荷載作用下，有預(yù)緊力時(shí)夾芯板本身的變形S2Y和無預(yù)緊力時(shí)結(jié)構(gòu)的本身變形S2W是相等的。

但是預(yù)緊力的大小會(huì)對(duì)懸臂板的偏轉(zhuǎn)位移S1產(chǎn)生影響。從圖7可以看出偏轉(zhuǎn)位移S1是由于夾芯板端部連接處板疊伸長(zhǎng)量Δb導(dǎo)致的。圖8所示為螺栓連接處板疊受力-受形示意。實(shí)際應(yīng)用中參與預(yù)緊力施加的鋼制墊片和反力墻都不完全是剛體，也就是說在二者夾緊纖維鋪層時(shí)都會(huì)存在一定的彈性變形，預(yù)緊力的存在導(dǎo)致反力墻和墊片之間存在預(yù)壓力C的區(qū)域如圖中Ae所示，預(yù)緊力越大，板疊之間存在預(yù)壓力的區(qū)域Ae的面積會(huì)越大。墊片和反力墻之間存在預(yù)壓力C的區(qū)域變形協(xié)調(diào)，在外力Fi的作用下板疊伸長(zhǎng)量Δb如式(3)所示。

式中：b為反力墻和墊片在 Fi方向的板疊厚度;Ee為板疊的等效彈性模量。

預(yù)緊力通過影響Ae的大小影響Δb的變化。沒有預(yù)緊力時(shí)，螺栓伸長(zhǎng)量大，偏轉(zhuǎn)位移大;預(yù)緊力增大，協(xié)調(diào)變形區(qū)域的面積增大，螺栓伸長(zhǎng)量小，相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)位移變小。當(dāng)連接螺栓的數(shù)量增多時(shí)，F(xiàn)i(i=1，2，…，n)相同，平均分配到每個(gè)螺栓上的作用力 Fi會(huì)減小，Δb變小，從而使板的變形得到控制。

圖8 板疊受力-變形示意Fig.8 Force-deformation diagram of plate stack

4 結(jié)束語

本文首先對(duì)復(fù)合材料波紋夾芯板的成型工藝進(jìn)行了研究，其次對(duì)復(fù)合材料波紋夾芯板的螺栓連接方式進(jìn)行了對(duì)比研究，得出以下結(jié)論：研究出了一種適合于復(fù)合材料波紋夾芯板端部連接的成型工藝，并通過相應(yīng)的試驗(yàn)證明了這種成型方法對(duì)端部機(jī)械連接具有很好的適用性。對(duì)采用螺栓連接的復(fù)合材料波紋板的連接參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用多螺栓連接的復(fù)合材料波紋板的破壞過程具有明顯的“波動(dòng)”階段;在復(fù)合材料波紋夾芯板不發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞的前提下，通過對(duì)連接螺栓適當(dāng)施加預(yù)緊力可以明顯地提高復(fù)合材料的極限承載力和連接剛度;適當(dāng)增加連接螺栓的數(shù)量也可以達(dá)到增加連接剛度和提高極限承載力的目的。