船用复合材料层合板螺栓孔处疲劳寿命实验研究.pdf

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1、51卷第2期（总第190期）中国造船Vol.51No.2(SerialNo.190)2010年6月SHIPBUILDINGOFCHINAJune.2010文章编号：1000-4882(2010)02-0078-07船用复合材料层合板螺栓孔处疲劳寿命实验研究姚熊亮，曾令玉，杨文山，张阿漫(哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001)摘要复合材料层合板结构由于其优异的力学性能在舰船上得到广泛使用。此种结构一般采用螺栓连接，其连接处的疲劳特性往往决定了结构的使用寿命。针对舰船桅杆上的复合材料雷达罩，阐述如何将结构疲劳实验

2、简化为部件疲劳实验的具体方法和过程。设计了试验件和相应的夹具，开展了复合材料层合板螺栓连接结构的部件疲劳实验。分析表明：弹簧垫圈的预紧作用可延长复合材料层合板螺栓孔处的疲劳寿命；可采用结构静强度覆盖结构疲劳并辅以部件疲劳实验的方法来评估复合材料层合板结构的疲劳性能。关键词：船舶、舰船工程；复合材料层合板；弹簧垫圈；螺栓连接；疲劳实验中图分类号：U661.7文献标识码：A0引言复合材料的比刚度和比强度高，抗腐蚀性好，且具有铺层可设计性。由于这些优点被它广泛应用于航空、航天、建筑等领域中。在船舶领域，复合材料层合板更是因其良好的

3、透波性在桅杆雷达罩、导流罩和上层建筑中得到了较好的应用。由于工艺水平的限制和使用维修等方面的需要，复合材料层合板和舰船钢质部分之间一般采用螺栓连接，螺栓连接的疲劳特性往往决定了复合材料结构的使用寿[1~3]命，统计显示，在飞机的各种故障中，75％~80％与机体连接处的疲劳破坏有关，我国某艇玻璃钢桅杆曾出现过螺栓连接处疲劳破坏的实例，因此，研究复合材料层合板螺栓连接的疲劳特性以提高其使用寿命具有重要意义。我国舰船采用复合材料层合板结构起步较晚，其连接结构的疲劳性能既没有相应规范，亦没有相关的资料可以借鉴。复合材料层合板螺栓连接

4、结构力学性能极其复杂，目前，即使大量采用此种结构的航空航天领域也没有形成相应的疲劳预报方法，对这种连接结构疲劳性能的预测仍然以实验方法为[4,5]主。衡量实际结构的疲劳性能常须开展全尺寸结构的疲劳实验。然而，全尺寸结构疲劳实验费用昂贵，且疲劳实验机等客观条件的限制大大增加了实验开展的难度。因此，对结构进行简化，采用部件[6~8]疲劳实验来衡量实际结构的疲劳性能自然成为一种良好的替代方法。本文以舰船桅杆上的复合材料雷达罩为例，详细阐述了将结构疲劳实验简化为部件疲劳实验的具体方法和过程，并开展了复合材料层合板螺栓连接结构的部件疲

5、劳实验。疲劳性能的实验研究为复合材料在舰船上的应用提供了参考。收稿日期：2009-05-18；修改稿收稿日期：2010-03-10基金项目：海军武器装备预先研究资助项目（401030101）；国防科技合作资助项目（2007DFR80340）；船舶工业国防科技预研基金资助（07J1.1.6）51卷第2期(总第190期)姚熊亮，等：船用复合材料层合板螺栓孔处疲劳寿命实验研究791部件疲劳实验件设计[9,10]在设计部件疲劳试件时，应使试件尽可能简单而又能真实的反映实际结构的形式和受力特点。试验件的设计实质上是对原结构进行合理的简

6、化。舰船桅杆上的复合材料雷达罩为封闭式筒状结构，其具体连接形式和受力特点如图1所示。从图1可知，复合材料雷达罩的折边通过螺栓与底部的钢质法兰相连，其主要载荷为风载荷。当复合材料雷达罩遭受风载荷时，螺栓结构会受到剪力的作用，此外，雷达罩在风载作用下的变形亦会对螺栓施加拉力，但此拉力相对于螺栓的预紧力F来说是小量。螺栓连接结构的受力形式为：螺栓受剪力作用，层合板孔壁受到螺栓的挤压作用。因此，复合材料雷达罩螺栓连接结构的疲劳问题可简化为带孔复合材料层合板在螺栓承受剪力作用时的疲劳问题。雷达罩（复合材料层合板）雷达罩（复合材料层合板

7、）螺栓法兰（钢）F桅杆（钢）F法兰（钢）（a）雷达罩整体结构及受力（b）雷达罩局部结构及受力图1复合材料雷达罩结构形式及载荷基于以上分析，确定复合材料雷达罩螺栓连接结构部件疲劳实验的试件为带孔复合材料层合板。为使试件最大限度地和实际连接件相同，试件材料选为实际结构中的材料，试件的厚度、开孔大小、端距和边距均和复合材料层合板实际连接件相同。试验件的具体尺寸如图2所示，其中板厚H为20mm，开孔直径D为21mm，试件端距ED/2=.5、边距WD/2=.5。试件材料参数为E=12GPa、E=10GPa、12E=6.6GPa、ν=0

8、.14、ν=0.25、ν=0.25、G=2.5GPa、G=1.5GPa、G=1.5GPa，其中3121323121323标号1代表纵向、标号2代表横向、标号3代表法向。图2试件结构形式及尺寸2疲劳载荷设计2.1载荷简化原理在疲劳实验机可实现的前提下，疲劳载荷设计应尽可能合理地反映实际结构的