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DOI: CFRP预紧力单齿接头静态及疲劳性能试验 柳锦春1,高建岗1,赵启林*2,孙建2 (1.

解放军理工大学爆炸冲击防灾减灾国家重点试验室,南京,210007;

2. 解放军理工大学野战工程学院,南京,210007) 摘要: 通过试验研究了预紧力、齿长、荷载水平对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)预紧力单齿接头(PTSTC)静态和疲劳性能的影响规律.试验结果表明:CFRP预紧力单齿接头的疲劳极限承载值可以达到静态极限承载力的80%~85%,与螺栓等传统连接方式相比,疲劳性能具有一定优势;

预紧力可以显著改善CFRP单齿接头的静态和疲劳性能;

CFRP接头静承载力随齿长增加而升高,但是在相同荷载水平下增加齿长不一定可以提高接头的疲劳寿命,尤其在低荷载水平下齿长增加反而降低了疲劳寿命;

PTSTC在加载初期疲劳裂纹快速萌生,之后扩展缓慢,在接近破坏前的几次循环中又骤然增大,预紧力可以抑制疲劳损伤的累积速率;

疲劳过程中PTSTC的刚度衰退不明显,在寿命前95%阶段仅下降1%~4%,预紧力也可以抑制刚度的衰退速率.研究成果可为复合材料连接接头抗疲劳设计提供参考依据. 关键词:碳纤维增强树脂基复合材料;

预紧力单齿接头;

疲劳;

滞回环;

损伤累积 中图分类号:TB332 文献标志码:A Experiments of carbon fiber/ epoxy composite pre-tighten single tooth connector under quasi-static and fatigue loading LIU Jinchun1, GAO Jiangang1, ZHAO Qilin*2, SUN Jian2 (1.Sate Key Laboratory of Disaster Prevention &

Mitigation of Explosion &

Impact, PLA University of Science and Technology, Nanjing 21007, China;

2. College of Corps of Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 21007, China) Abstract: The effect ofpre-tighten force, tooth length and stress level on static and fatigue properties of carbon fiber/epoxy (CFRP) composite connection technology called pre-tighten single tooth connector (PTSTC) was investigated?by?experiments. The results show that: The fatigue limit could reach to 80% ~ 85% of the static ultimate loading capacity (ULC), the fatigue performance was better than traditional connection methods such as bolt connection etc;

The pre-tighten load could significantly improve the static and fatigue properties of the connector. The results also show that the static strength increased with the tooth-length increasing, but increased the tooth-length would not necessarily improve the fatigue life of the connector under the same load level, especially, the fatigue life would reduce with the tooth-length increases under a lower load level;

The pre-tighten load could inhibit the fatigue damage accumulation rate, the fatigue crack initiated rapidly during the first few cycles, then grew slowly and propagated sharply in the last few cycles before fracture;

The pre-tighten load also could inhibit the fatigue stiffness degeneration rate, The stiffness degeneration was only 1% ~ 4% before 95% of the fatigue life. These conclusions could be used to design the composite connector for fatigue. Keywords: carbon fiber/epoxy composite (CFRP);

pre-tightened single tooth connector;

fatigue;

hysteresis loop;

damage accumulation 由于先进复合材料拥有优越的物理力学性能,已经被广泛地应用在船舶、化工、汽车和航空航天等领域[1-2].实际应用中,复合材料构件之间的连接不可避免[3].研究表明,复合材料结构60%~ 85%的失效发生在连接部位,且接头的重量要占结构总重量的20%-30%左右[4].传统的复合材料构件连接方式主要有螺栓连接、胶接、胶螺混合连接等[4-7].近期赵启林[8]等人提出一种新型复合材料连接方法―预紧力齿连接技术,经研究发现在管构件壁厚较大的情况下,该连接技术相对传统连接技术具有更高的连接效率[9],特别适合研制高承载力的桁架结构.文献[10]利用该技术设计了一座承载能力为15吨、跨度为24 m的复合材料空间桁架桥,并进行了抗弯、抗扭等试验研究,结果表明所有接头整体性能良好、结构承载力和刚度都满足设计要求,展现出其在高承载力结构上广阔的应用前景.该接头是通过接触面上的摩擦力与复合材料齿的抗剪能力共同抵抗外荷载(图1(a)),在极限状态下复合材料齿抗剪承担了大部分外荷载.通常复合材料层间抗剪强度是胶体抗剪强度的2-3倍,此外施加预紧力也进一步提高了复合材料层间抗剪强度,因此该接头能拥有较高的连接强度[9].该连接技术一经提出后,其静载下的破坏模式、机理以及承载力预测方法等均得到了研究.邓安仲等[11]通过实验发现了玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)预紧力齿连接接头的两种破坏模式,各种设计参数与承载力之间的关系,提出了该类型接头的半经验半理论设计计算方法.赵启林等[12]建立了预测单齿静态极限承载力的特征曲线法,完善了接头的设计方法.高一峰[13]则发现碳纤维复合材料(CFRP)预紧力齿连接接头存在更为复杂的破坏模式.刘鹏飞[14]则在该技术基础上针对板式构件提出了预紧力齿―螺栓混合连接的技术,证实相对单纯螺栓连接具有更高的连接效率. 但是以上研究工作都是针对静载下接头力学性能的研究.在桥梁等实际应用中,该接头不可避免的将承受交变疲劳荷载,因此对其疲劳性能的研究就显得十分必要.本文主要研究了预紧力、齿长和荷载水平对拉挤型CFRP预紧力单齿接头(PTSTC)静态和疲劳性能的影响.通过定性观察和定量分析滞回曲线的规律,初步了解了该接头裂纹扩展和疲劳损伤累积的规律,为该新型连接方式的疲劳设计提供了参考和依据. 试验 试验材料及试件设置 本试验所用单齿接头试件由CFRP齿板、金属齿板以及高强螺栓等部分组成,如图1所示.材料基本力学参数由制造商提供,见表1. 玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)和钢板的材料参数 Material parameters of CFRP and steel plate Material Type E11/GPa E22/GPa E33/GPa v12 v23 v13 G12/GPa G23/GPa G13/GPa Pultruded CFRP plate