聚合物基复合材料层压板紧固件拉脱阻抗试验方法 编制说明

1根据国家标准化管理委员会2022年的“关于下达2022年第二批推荐性国家标准计划及相关标准外文版计划的通知”要求，由中国飞机强度研究所负责制定国家标准《纤维增强聚合物基复合材料层压板紧固件拉脱阻抗试验方法》计划的制定工作，计划编号为20220454-T-609。项目由全国碳纤维标准化技术委员会（SAC/TC39）为技术归口单位，并于2022年6月以增塑标（2022）字第（22）号文下达研制计划，该计划的起止时间为2022年6月至2024年4月。中国飞机强度研究所于2022年6月开始了本标准的制定工作。复合材料结构连接方式主要包括胶接、机械连接、混合连接等，其中机械连接是最重要、应用最广泛的连接形式。其中复合材料紧固件拉脱性能是评价结构连接可靠性的重要手段，同时也可以通过此性能表征层压板连接结构设计的合理性，是非常重要的一个设计参数。同时随着我国复合材料产业的大力发展以及复合材料在结构上的大量应用，为确保得到合理、可信的试验数据，规范复合材料紧固件拉脱试验阻抗方法、试验夹具、操作流程和数据处理方法，为复合材料及其结构研制提供可信的试验数据。本标准由中国飞机强度研究所负责起草，2022年6月接受国家化管理委员会国家标准制定任务后，标准编制单位立即展开相关标准制定工作。2022年8月，在中国飞机强度研究所为编制单位的《纤维增强聚合物基复合材料层压板紧固件拉脱阻抗试验方法》标准编制组，并召开了标准编制组第一次会议。会议就《纤维增强聚合物基复合材料层压板紧固件拉脱阻抗试验方法》拟执行的方案进行了深入的讨论，逐项讨论了收集到的国内外关于纤维增强聚合物基复合材料层压板紧固件拉脱阻抗试验方法以及与之相关的标准，并结合中国飞机强度研究所前期的大量试验数据与测试技术分析，共同制定了初步工作计划、编制原则和国标的总体方案，同时形成3项行动22022年9月，中国飞机强度研究所完善和补充编制原则和工作计划。2022年9月~2023年6月期间，开展标准框架讨论与确定，开展试样、夹具、试样设备要求的确定研究，开展试验方法步骤流程的确定与讨论，开展试样失效模式的分析与描述等研究内容。2023年10月，在进行测试工作、数值仿真分析基础上对前期试验数据进行系统分析，由此确立了适合纤维增强聚合物基复合材料层压板紧固件拉脱阻抗试验方法，并完成标准和编制说明初稿的编制。同时，中国飞机强度研究所课题组内部对标准和编制说明初稿进行讨2023年12月，中国飞机强度研究所相关标准制定人员共同就标准中需要完善的技术问题进行讨论，并对标准和编制说明初稿进行讨论、完善和修改。根据讨论的结果和建议正式形成了《纤维增强聚合物基复合材料层压板紧固件拉脱阻抗试验方法》征求意见稿和标准编制说明。本标准是在参考ASTMD7332《测量纤维增强聚合物基复合材料紧固件拉脱阻抗的试验方法》、HB8662《航空用聚合物基复合材料层合板紧固件拉脱阻抗试验方法》并结合纤维增强聚合物基复合材料层压板紧固件拉脱阻抗试验研究结果以及数值仿真结果而编制的。4.2.1标准名称根据国家标准化管理委员会2022年的“关于下达2022年第二批国家标准制修订计划的通知”要求，由中国飞机强度研究所负责制定的国家标准名称为《纤维增强聚合物基复合材料层压板紧固件拉脱阻抗试验方法》。4.2.2标准适用范围本标准的适用范围为：“本规范规定了聚合物基复合材料层压板紧固件拉脱阻抗测试方法的原理、定义、符号和说明、试样及其尺寸测量、试验设备、试验规程、试验结果的评定和试验报告。本标准适用于测定聚合物基复合材料层压板紧固件拉脱阻抗。”。4.2.3术语和定义术语和定义主要根据GB/T3961确立的术语和定义。3拉伸加载法(方法A)和压缩加载法(方法B)。图1紧固件拉脱试验夹具(方法A)44.2.5本标准的试样与取样要求《纤维增强聚合物基复合材料层压板紧固件拉脱阻抗试验方法》力学性能试样每组不少于5个，并保证同批有5个有效试样。该条制定是为了满足适航条款CCAR25-603(a)的要求，这里的有效试样就是指可接受破坏模式下的拉脱阻抗性能结果。之所以确定为5个，是基于目前行业内的普遍认同来确定的。如CMH-17G复合材料手册中给出的一般类型试验矩阵中的建议数量。当然，为了获得实际许用值，往往还需要多个炉批次的有效试验数据，但可能根据设计方要求不同而变化。由于指定本标准希望适用于更多的民机结构验证试验，本标准只给出了获取结构设计值每批次的有效试样数量，而没有规定必须达到获取设计许用值的具体数量。试样制备按GB/T1446的规定。制孔时应欠尺寸钻孔，然后铰孔至最终尺寸，应避免孔周围的材料出现分层或其他损伤。该条制定是根据实际生产经验确定，由于机械加工中难免有金属屑飞入加工表面，导致意外的孔边损伤，而复合材料对于孔边应力集中较金属更为敏感，为了减少因制造引起的数据分散性增加影响试验结果有效性，本标准提出了欠尺寸钻孔和铰孔至最终孔径的要求。5标准规定试样应具有对称均衡的铺层形式，且预浸带层合板至少有3个方向的纤维(如图3所示),织物层合板至少有2个方向的纤维。图3多向层合板的典型破坏模式一般情况下，凸头紧固件的拉脱强度是最高的，接着依次(按拉脱强度减小的顺序)是6试样最小厚度(mm)凸头紧固件100°沉头100°沉头剪切头紧固件100°沉头剪切130°沉头紧固件尽管钉截面积增加了1.7倍，但最终拉脱强度仅提高了1倍，表明较合适的。基于实际经验，对本标准试验方法的设计参数做如下规定(见表2)。7图5紧固件拉脱试验载荷位移曲线(钉径对比试验)最小宽度夹具孔直径4.2.6本标准的夹具和设备要求夹具几何尺寸见图1,其中参数L、Dg等参数参考4.2.5节及表2。有关夹具几何尺寸的编制依据，可参见第4.2.5节，这里不再赘述。本试验中涉及的试验设备主要包括试验机、浸润箱(湿态试验)以及环境试验箱(环境试验)。试验机要求可参照GB/T1446第5章执行。8浸润箱主要用于使湿态试样在非试验室环境下达到吸湿平衡，要求浸润箱能够控制温度和湿度水平，能够将试样保持在±3℃温度和±3%相对湿度以内。环境试验箱，要求环境箱能够使试样和夹具在试验期间能够达到所要求的试验温度，并保持在所要求温度的±3℃以内。4.2.7试验步骤试验步骤主要包括试验前准备（包括试样检查、状态调节等）、试样/夹具安装、数据采集和失效模式记录几个部分。其中试样检查和试样状态调节可参考GB/T1446-2005中4.2节的规定。下面根据本试验特点，对试验步骤中需要注意的事项进行说明，也是编写本试验标准的参考依据。4.2.7.1试验前准备-几何尺寸测量本试验主要用于研究紧固件/层压板结构的拉脱性能，根据前面的分析可知，采用不同的紧固件、紧固孔直径、层合板厚度、夹具孔孔径以及沉头深度（采用沉头紧固件对试验结果均会造成影响。本标准主要用于紧固件/层合板结构的筛选、比较等工作，这些几何尺寸的实测值直接关系到本试验数据是否有效，因此试验前应当测量试样紧固孔孔径、试验板厚度，夹具孔孔径，对于沉头连接件还要测量沉头深度。4.2.7.2安装对中性要求本试验位于试验机夹头之间的构件较多，因此对试验安装对中问题提出了较高的要求，在试验前，应当检查耳叉与层合板中心孔是否对中。4.2.7.3紧固件拧紧力矩要求采用不同的拧紧力矩可能改变紧固件/层合板的拉脱性能和破坏模式，应当采用一个经过标定的扭矩扳手安装紧固件，并记录该拧紧力矩。4.2.7.4加载与卸载要求复合材料在发生局部损伤后，通常会发生损伤扩展，这种损伤扩展有时会暂时性增加结构的承载能力，然而这种不可逆损伤对结构的最终承载能力是致命。由于分层扩展具有一定的速率，当试验加载速率较快时，可能在达到破坏载荷时结构内部并未完全扩展到位，从而获得了偏高的强度结果。飞机结构在服役过程中，有时承受突发载荷是偶然性的，当这种偶然载荷仅造成了复合材料内部损伤而未达到破坏载荷时，结构能够继续承载，但此时损伤正9螺纹、螺母、螺杆等任意部位，较全面地描述了破坏模式。因此，本标准采用了与ASTM标准相同的失效模式描述方法，见表3。为了便于工程应用，标准模式及其三段式代码对照表，如图8所示。失效形式失效区域分层DAB紧固件拉伸F紧固件盲头BD层合板弯曲L紧固件锁环CFP紧固件凸缘FHX紧固件头H左L其它OL中M多个区域M右R紧固件杆S凸缘剪切或螺纹脱扣STT各种V各种V未知U未知U图8紧固件拉脱试验典型失效模式表6所示为国内某材料拉脱阻抗性能试验数据。从表中可以看出，对拉脱强度影响较大，其中不同几何尺寸下低温环境对拉脱性能影响可能是增强或减弱，135℃湿态则削弱了拉脱性能，严重时削弱了22.5%的极限强度。根据有关适航条款，特别了与环境试验和状态调节有关的试验步骤，具体见标准草案§6.3§6.4和§8。表4国内某材料拉脱阻抗性能试验数据0˚/±45˚/90˚铺层比例(%)紧固件直径Φ(mm)试样几何尺寸长×宽×厚(mm×mm×mm)力学性能室温干态-55°C干态湿态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本标准中所含内容没有以任何形式发表，也未申请过知识产权。同时也未侵犯第三方的知识产权和其他权利。国内外相关测试标准有ASTMD7332《测量纤维增强