聚合物基復(fù)合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗(yàn)方法 編制說(shuō)明

1根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)2022年的“關(guān)于下達(dá)2022年第二批推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外文版計(jì)劃的通知”要求，由中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所負(fù)責(zé)制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗(yàn)方法》計(jì)劃的制定工作，計(jì)劃編號(hào)為20220454-T-609。項(xiàng)目由全國(guó)碳纖維標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC39）為技術(shù)歸口單位，并于2022年6月以增塑標(biāo)（2022）字第（22）號(hào)文下達(dá)研制計(jì)劃，該計(jì)劃的起止時(shí)間為2022年6月至2024年4月。中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所于2022年6月開(kāi)始了本標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接方式主要包括膠接、機(jī)械連接、混合連接等，其中機(jī)械連接是最重要、應(yīng)用最廣泛的連接形式。其中復(fù)合材料緊固件拉脫性能是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)連接可靠性的重要手段，同時(shí)也可以通過(guò)此性能表征層壓板連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，是非常重要的一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)。同時(shí)隨著我國(guó)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展以及復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)上的大量應(yīng)用，為確保得到合理、可信的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，規(guī)范復(fù)合材料緊固件拉脫試驗(yàn)阻抗方法、試驗(yàn)夾具、操作流程和數(shù)據(jù)處理方法，為復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)研制提供可信的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本標(biāo)準(zhǔn)由中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所負(fù)責(zé)起草，2022年6月接受?chē)?guó)家化管理委員會(huì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定任務(wù)后，標(biāo)準(zhǔn)編制單位立即展開(kāi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定工作。2022年8月，在中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所為編制單位的《纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)編制組，并召開(kāi)了標(biāo)準(zhǔn)編制組第一次會(huì)議。會(huì)議就《纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗(yàn)方法》擬執(zhí)行的方案進(jìn)行了深入的討論，逐項(xiàng)討論了收集到的國(guó)內(nèi)外關(guān)于纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗(yàn)方法以及與之相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所前期的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)與測(cè)試技術(shù)分析，共同制定了初步工作計(jì)劃、編制原則和國(guó)標(biāo)的總體方案，同時(shí)形成3項(xiàng)行動(dòng)22022年9月，中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所完善和補(bǔ)充編制原則和工作計(jì)劃。2022年9月~2023年6月期間，開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)框架討論與確定，開(kāi)展試樣、夾具、試樣設(shè)備要求的確定研究，開(kāi)展試驗(yàn)方法步驟流程的確定與討論，開(kāi)展試樣失效模式的分析與描述等研究?jī)?nèi)容。2023年10月，在進(jìn)行測(cè)試工作、數(shù)值仿真分析基礎(chǔ)上對(duì)前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，由此確立了適合纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗(yàn)方法，并完成標(biāo)準(zhǔn)和編制說(shuō)明初稿的編制。同時(shí)，中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所課題組內(nèi)部對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和編制說(shuō)明初稿進(jìn)行討2023年12月，中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定人員共同就標(biāo)準(zhǔn)中需要完善的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行討論，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和編制說(shuō)明初稿進(jìn)行討論、完善和修改。根據(jù)討論的結(jié)果和建議正式形成了《纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗(yàn)方法》征求意見(jiàn)稿和標(biāo)準(zhǔn)編制說(shuō)明。本標(biāo)準(zhǔn)是在參考ASTMD7332《測(cè)量纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料緊固件拉脫阻抗的試驗(yàn)方法》、HB8662《航空用聚合物基復(fù)合材料層合板緊固件拉脫阻抗試驗(yàn)方法》并結(jié)合纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗(yàn)研究結(jié)果以及數(shù)值仿真結(jié)果而編制的。4.2.1標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)2022年的“關(guān)于下達(dá)2022年第二批國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)劃的通知”要求，由中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所負(fù)責(zé)制定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)為《纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗(yàn)方法》。4.2.2標(biāo)準(zhǔn)適用范圍本標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍為：“本規(guī)范規(guī)定了聚合物基復(fù)合材料層壓板緊固件拉脫阻抗測(cè)試方法的原理、定義、符號(hào)和說(shuō)明、試樣及其尺寸測(cè)量、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)規(guī)程、試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定和試驗(yàn)報(bào)告。本標(biāo)準(zhǔn)適用于測(cè)定聚合物基復(fù)合材料層壓板緊固件拉脫阻抗。”。4.2.3術(shù)語(yǔ)和定義術(shù)語(yǔ)和定義主要根據(jù)GB/T3961確立的術(shù)語(yǔ)和定義。3拉伸加載法(方法A)和壓縮加載法(方法B)。圖1緊固件拉脫試驗(yàn)夾具(方法A)44.2.5本標(biāo)準(zhǔn)的試樣與取樣要求《纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料層壓板緊固件拉脫阻抗試驗(yàn)方法》力學(xué)性能試樣每組不少于5個(gè)，并保證同批有5個(gè)有效試樣。該條制定是為了滿(mǎn)足適航條款CCAR25-603(a)的要求，這里的有效試樣就是指可接受破壞模式下的拉脫阻抗性能結(jié)果。之所以確定為5個(gè)，是基于目前行業(yè)內(nèi)的普遍認(rèn)同來(lái)確定的。如CMH-17G復(fù)合材料手冊(cè)中給出的一般類(lèi)型試驗(yàn)矩陣中的建議數(shù)量。當(dāng)然，為了獲得實(shí)際許用值，往往還需要多個(gè)爐批次的有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但可能根據(jù)設(shè)計(jì)方要求不同而變化。由于指定本標(biāo)準(zhǔn)希望適用于更多的民機(jī)結(jié)構(gòu)驗(yàn)證試驗(yàn)，本標(biāo)準(zhǔn)只給出了獲取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值每批次的有效試樣數(shù)量，而沒(méi)有規(guī)定必須達(dá)到獲取設(shè)計(jì)許用值的具體數(shù)量。試樣制備按GB/T1446的規(guī)定。制孔時(shí)應(yīng)欠尺寸鉆孔，然后鉸孔至最終尺寸，應(yīng)避免孔周?chē)牟牧铣霈F(xiàn)分層或其他損傷。該條制定是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定，由于機(jī)械加工中難免有金屬屑飛入加工表面，導(dǎo)致意外的孔邊損傷，而復(fù)合材料對(duì)于孔邊應(yīng)力集中較金屬更為敏感，為了減少因制造引起的數(shù)據(jù)分散性增加影響試驗(yàn)結(jié)果有效性，本標(biāo)準(zhǔn)提出了欠尺寸鉆孔和鉸孔至最終孔徑的要求。5標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試樣應(yīng)具有對(duì)稱(chēng)均衡的鋪層形式，且預(yù)浸帶層合板至少有3個(gè)方向的纖維(如圖3所示),織物層合板至少有2個(gè)方向的纖維。圖3多向?qū)雍习宓牡湫推茐哪Ｊ揭话闱闆r下，凸頭緊固件的拉脫強(qiáng)度是最高的，接著依次(按拉脫強(qiáng)度減小的順序)是6試樣最小厚度(mm)凸頭緊固件100°沉頭100°沉頭剪切頭緊固件100°沉頭剪切130°沉頭緊固件盡管釘截面積增加了1.7倍，但最終拉脫強(qiáng)度僅提高了1倍，表明較合適的。基于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)參數(shù)做如下規(guī)定(見(jiàn)表2)。7圖5緊固件拉脫試驗(yàn)載荷位移曲線(xiàn)(釘徑對(duì)比試驗(yàn))最小寬度夾具孔直徑4.2.6本標(biāo)準(zhǔn)的夾具和設(shè)備要求夾具幾何尺寸見(jiàn)圖1,其中參數(shù)L、Dg等參數(shù)參考4.2.5節(jié)及表2。有關(guān)夾具幾何尺寸的編制依據(jù)，可參見(jiàn)第4.2.5節(jié)，這里不再贅述。本試驗(yàn)中涉及的試驗(yàn)設(shè)備主要包括試驗(yàn)機(jī)、浸潤(rùn)箱(濕態(tài)試驗(yàn))以及環(huán)境試驗(yàn)箱(環(huán)境試驗(yàn))。試驗(yàn)機(jī)要求可參照GB/T1446第5章執(zhí)行。8浸潤(rùn)箱主要用于使?jié)駪B(tài)試樣在非試驗(yàn)室環(huán)境下達(dá)到吸濕平衡，要求浸潤(rùn)箱能夠控制溫度和濕度水平，能夠?qū)⒃嚇颖３衷凇?℃溫度和±3%相對(duì)濕度以?xún)?nèi)。環(huán)境試驗(yàn)箱，要求環(huán)境箱能夠使試樣和夾具在試驗(yàn)期間能夠達(dá)到所要求的試驗(yàn)溫度，并保持在所要求溫度的±3℃以?xún)?nèi)。4.2.7試驗(yàn)步驟試驗(yàn)步驟主要包括試驗(yàn)前準(zhǔn)備（包括試樣檢查、狀態(tài)調(diào)節(jié)等）、試樣/夾具安裝、數(shù)據(jù)采集和失效模式記錄幾個(gè)部分。其中試樣檢查和試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)可參考GB/T1446-2005中4.2節(jié)的規(guī)定。下面根據(jù)本試驗(yàn)特點(diǎn)，對(duì)試驗(yàn)步驟中需要注意的事項(xiàng)進(jìn)行說(shuō)明，也是編寫(xiě)本試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的參考依據(jù)。4.2.7.1試驗(yàn)前準(zhǔn)備-幾何尺寸測(cè)量本試驗(yàn)主要用于研究緊固件/層壓板結(jié)構(gòu)的拉脫性能，根據(jù)前面的分析可知，采用不同的緊固件、緊固孔直徑、層合板厚度、夾具孔孔徑以及沉頭深度（采用沉頭緊固件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果均會(huì)造成影響。本標(biāo)準(zhǔn)主要用于緊固件/層合板結(jié)構(gòu)的篩選、比較等工作，這些幾何尺寸的實(shí)測(cè)值直接關(guān)系到本試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否有效，因此試驗(yàn)前應(yīng)當(dāng)測(cè)量試樣緊固孔孔徑、試驗(yàn)板厚度，夾具孔孔徑，對(duì)于沉頭連接件還要測(cè)量沉頭深度。4.2.7.2安裝對(duì)中性要求本試驗(yàn)位于試驗(yàn)機(jī)夾頭之間的構(gòu)件較多，因此對(duì)試驗(yàn)安裝對(duì)中問(wèn)題提出了較高的要求，在試驗(yàn)前，應(yīng)當(dāng)檢查耳叉與層合板中心孔是否對(duì)中。4.2.7.3緊固件擰緊力矩要求采用不同的擰緊力矩可能改變緊固件/層合板的拉脫性能和破壞模式，應(yīng)當(dāng)采用一個(gè)經(jīng)過(guò)標(biāo)定的扭矩扳手安裝緊固件，并記錄該擰緊力矩。4.2.7.4加載與卸載要求復(fù)合材料在發(fā)生局部損傷后，通常會(huì)發(fā)生損傷擴(kuò)展，這種損傷擴(kuò)展有時(shí)會(huì)暫時(shí)性增加結(jié)構(gòu)的承載能力，然而這種不可逆損傷對(duì)結(jié)構(gòu)的最終承載能力是致命。由于分層擴(kuò)展具有一定的速率，當(dāng)試驗(yàn)加載速率較快時(shí)，可能在達(dá)到破壞載荷時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部并未完全擴(kuò)展到位，從而獲得了偏高的強(qiáng)度結(jié)果。飛機(jī)結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中，有時(shí)承受突發(fā)載荷是偶然性的，當(dāng)這種偶然載荷僅造成了復(fù)合材料內(nèi)部損傷而未達(dá)到破壞載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)能夠繼續(xù)承載，但此時(shí)損傷正9螺紋、螺母、螺桿等任意部位，較全面地描述了破壞模式。因此，本標(biāo)準(zhǔn)采用了與ASTM標(biāo)準(zhǔn)相同的失效模式描述方法，見(jiàn)表3。為了便于工程應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)模式及其三段式代碼對(duì)照表，如圖8所示。失效形式失效區(qū)域分層DAB緊固件拉伸F緊固件盲頭BD層合板彎曲L緊固件鎖環(huán)CFP緊固件凸緣FHX緊固件頭H左L其它OL中M多個(gè)區(qū)域M右R緊固件桿S凸緣剪切或螺紋脫扣STT各種V各種V未知U未知U圖8緊固件拉脫試驗(yàn)典型失效模式表6所示為國(guó)內(nèi)某材料拉脫阻抗性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從表中可以看出，對(duì)拉脫強(qiáng)度影響較大，其中不同幾何尺寸下低溫環(huán)境對(duì)拉脫性能影響可能是增強(qiáng)或減弱，135℃濕態(tài)則削弱了拉脫性能，嚴(yán)重時(shí)削弱了22.5%的極限強(qiáng)度。根據(jù)有關(guān)適航條款，特別了與環(huán)境試驗(yàn)和狀態(tài)調(diào)節(jié)有關(guān)的試驗(yàn)步驟，具體見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)草案§6.3§6.4和§8。表4國(guó)內(nèi)某材料拉脫阻抗性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)0?/±45?/90?鋪層比例(%)緊固件直徑Φ(mm)試樣幾何尺寸長(zhǎng)×寬×厚(mm×mm×mm)力學(xué)性能室溫干態(tài)-55°C干態(tài)濕態(tài)40/50/10Pi(kN)59.472.1 δi(mm)4.575.79 Pb(kN)70.972.654.9Pmax(kN)76.882.159.640/50/10Pi(kN)53.7 δi(mm)4.39——Pb(kN)52.451.543.6Pmax(kN)60.958.259.240/50/10896×96×10Pb(kN)48.1 31.8Pmax(kN)51.952.353.2本標(biāo)準(zhǔn)中所含內(nèi)容沒(méi)有以任何形式發(fā)表，也未申請(qǐng)過(guò)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。同時(shí)也未侵犯第三方的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和其他權(quán)利。國(guó)內(nèi)外相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有ASTMD7332《測(cè)量纖維增強(qiáng)