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120 8.8 8.8 0.33 0.3 0.33 5.3 4.6 5.3 Q345 steel

210 210

210 0.3 0.3 0.3

113 113

113 Note: E11, E22, E33―Elastic modulus of

3 orthogonal directions;

G12,G23,G13―Shear elasticity of corresponding direction;

v12,v23,v13―Poisson'

s ratio of corresponding direction. CFRP齿板采用T700碳纤维及DER-321环氧树脂拉挤成型,纤维走向以0度为主,齿长L分别取8 mm、16 mm、30 mm,几何尺寸如图1(b)所示;

金属齿板选用Q345钢,宽度大于复合材料板宽,以便在不伤害复合材料板的情况下使用螺栓对其施加预紧力,如图1(c)所示;

选用12.9级M6的高强螺栓施加预紧力,其抗拉强度700MPa,屈服强度450MPa. 试件设置及拟施加的荷载水平见表2,所有试件齿深均为1 mm,试件设置目的主要在于研究齿长、预紧力及荷载水平对接头疲劳寿命的影响规律.其中等效均布预应力对应的单个螺栓拧紧力矩计算公式为[5]: (1) 式中:M为拧紧力矩(N・m);

q为等效均布预应力(MPa);

d为螺栓直径(m);

A为齿面与钢盖板相互接触的面积(m2). 准静态拉伸试验 准静态拉伸试验在北京富力通达科技有限公司生产的型号为FTS10吨的疲劳试验机上进行,采用分级加载方式,加载速率0.5mm/s,试验机自动采集并保存载荷-位移数据.试验系统如图2所示. 疲劳试验 使用北京富力通达科技有限公司生产的型号为FTS10吨的液压伺服疲劳设备进行试验,力控制模式,加载频率为4Hz,正弦波型,最大载荷与最小载荷比为0.1,即拉-拉疲劳.通过直径为10 mm的普通螺栓将自主设计的夹具与试验机紧密连接,如图2所示.试件几何尺寸如图1(b)所示,整体装配效果如图1(c)所示. 本文使用106次循环不发生破坏作为接头的条件疲劳极限寿命[7].疲劳试验荷载水平拟取静态极限承载能力(Ultimate loading capacity,简称ULC)的80%、83%、85%、87%、89%,由于载荷施加存在一定误差,所以荷载水平的最终取值由实际加载值确定. 试件设置及加载情况 Specimen designand loading condition Tooth-length/mm Tooth-depth/mm Tightening torque /Pre-stress/ (N・m/MPa) Load level/%

8 1 6/25 80,83,85,87,89 11/45 16/65

16 7/25 13/45 19/65

30 10/25 17/45 25/65 y x (b) CFRP tooth plate (a) Schematic diagram of the FRP pre-tightened single tooth connector (c) Assembly-integral connector CFRP tooth plate Steel tooth plate Steel mate M6 high-strength bolts M10 ordinary bolts L

14 16

16 11

28 8

28 13

9 1

2 图1 CFRP预紧力单齿板接头几何构造 Fig.1 Geometric configuration of CFRP pre-tightened single tooth connector Supporting platform Data capture system CCD camera Zoom lens Hydraulic servo fatigue loading system Specimen 图2 疲劳加载及数据采集系统 Fig.2 Fatigue loading and data capture system 试验结果分析 准静态拉伸试验结果 图3为CFRP预紧力单齿接头静态极限承载力与预紧力和齿长的关系,从图3(a)可以看出,当预紧力从25 MPa增加至65 MPa时,试件的抗拉极限承载力逐渐增大,这是因为复合材料层间剪切强度以及复合材料与钢板之间摩擦力随着预紧力的增大而增大的缘故;

从图3(b)可以看出随着复合材料齿长的增加,不仅复合材料齿剪切面的抗剪能力得到提高,而且在相同的径向压应力下,径向压力变大,界面摩擦阻力随之增加,故单齿的静态极限承载力也会逐渐增大. (a)Different pre-stress (b) Different tooth-length 图3预紧力、齿长与CFRP单齿接头静态极限承载力的关系 Fig.3 Pre-stress and tooth-length as a function of the ULC for CFRP single tooth connector 疲劳试验结果分析 图4(a)给出了相同预紧力(45MPa)下,三种不同齿长试件的疲劳寿命与荷载水平之间的关系,其中齿长为8 mm、荷载水平为83%和齿长为16 mm、荷载水平为80%的试件寿命均超过100万次,且未发生破坏,最后人为终止了实验.从图4(a)中可以发现,三种齿长的试件其疲劳寿命都随着荷载水平的减小而增加,但是齿长30mm试件的疲劳寿命增加速率明显低于齿长8mm与16mm的试件.在荷载水平低于85%时,30mm试件的疲劳寿命开始显著低于小齿长试件的疲劳寿命,如荷载水平为80%情况下,齿长16mm试件的疲劳寿命大于100万次,而齿长30mm试件疲劳寿命仅为几万次,可见虽然增加齿长可以提高接头的静载承载力,但其疲劳性能有可能劣化.因此齿长的设计应综合考虑疲劳性能和静态性能. (........