高清可复制 HB 8622-2021 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

　　ICS 49.025.99 V 15

　　HB 8622-2021

　　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

　　Test method for fastener pull-through resistance of aviation polymer matrix

　　composite laminates

　　2021-04-19 发布 2021-07-01 实施

　　前 言

　　标准按照 GB/T 1. 1 给出的规则起草。

　　本标准由中国航空综合技术研究所归口。

　　本标准起草单位：中国飞机强度研究所、中国特种飞行器研究所、中国航空综合技术研究所。本标准主要起草人：李 磊、沈 薇、孙 浩、任三元、乔永乐、樊 亮、杨胜春。

　　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

　　1 范围

　　本标准规定了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的方法原理、试验设备、试样、试验条件、试验步骤、计算和试验报告。

　　本标准适用于纤维增强聚合物基复合材料多向层合板紧固件拉脱阻抗性能的测定，复合材料形式限于连续纤维或非连续纤维(预浸带和/或织物，或二者兼而有之)增强的复合材料，织物紧固件结构可参照使用。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 1446 纤维增强塑料性能试验方法总则

　　GB/T 3961 纤维增强塑料术语

　　3 术语和定义

　　GB/T 3961 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　初始亚临界破坏载荷 initial sub-critical failure force

　　在达到破坏载荷前，载荷-位移数据观察到的不连续时对应的载荷。亚临界破坏通过在达到破坏载荷之前作用载荷较小的降落(少于 10%)，或是柔度变化(斜率变化大于 10%)表征。

　　3.2

　　失效载荷 failure force

　　通过载荷-位移曲线观察到的，在载荷第一次明显下降(大于 10%)以前的第一个峰值载荷。

　　4 方法原理

　　本标准有两种试验方法，以下简称为方法 A 和方法 B。

　　方法 A，对中心安装一个紧固件的试样，放置于夹具中，在试验机上施加压缩载荷 P，载荷通过夹具将压缩载荷传递至试样的层合板上，从而对紧固件施加拉脱载荷，见图 1。

　　方法 B，对中心安装一个紧固件的试样，放置于夹具中，在试验机上施加拉伸载荷 P，载荷通过夹具和试样的层合板将拉伸载荷传递至紧固件上，从而实现对紧固件的拉脱载荷，见图 2。

　　说明：

　　1——下端夹具;2——试样下层合板;3——试样上层合板;4——上端夹具;5——紧固件。

　　图 1 方法 A 的方法原理示意图

　　说明：

　　1——底板;2——试样;3——夹具槽形件;4——销钉;5——U 形件;6——紧固件。

　　图 2 方法 B 的方法原理示意图

　　5 试验设备

　　5.1 总则

　　试验设备主要包括：试验机、环境箱、浸润箱、扭矩扳手和试验夹具。试验设备均需检定/校准合格，并在有效期内使用。

　　5.2 试验机

　　试验机应符合 GB/T 1446 规定。

　　5.3 环境箱

　　环境箱与浸润箱应符合 GB/T 1446 中的规定，环境箱与浸润箱温度控制在所规定温度的±3℃范围内，浸润箱湿度控制在所规定湿度的±5%RH 范围内。

　　5.4 扭矩扳手

　　扭矩扳手的精度为 4 级。

　　5.5 试验夹具

　　方法 A 的试验夹具示意图见图 3，方法 B 的试验夹具示意图见图 4。

　　单位为毫米

　　图 3 紧固件拉脱试验夹具(方法 A)

　　单位为毫米

　　图 4 紧固件拉脱试验夹具(方法 B)

　　6 试样

　　6.1 试样形状与尺寸

　　方法 A 和方法 B 层合板最小厚度要求见表 1。

　　表 1 复合材料拉脱试样层合板最小厚度(方法 A 和方法 B)

　　6.1.1 方法 A

　　方法 A 试样的几何尺寸与公差要求见图 5，试样装配图见图 6。

　　6.1.2 方法 B

　　方法 B 试样的几何尺寸与公差要求见图 7，试样层合板宽度和夹具孔要求见表 2。

　　a) 上层合板 b) 下层合板注 1：试样形位公差，线性度±5mm，角度±0.5˚。

　　注 2：试样厚度最小值参考表 1，允许沉头的最大深度等于试验板厚度的 70%。

　　注 3：紧固件与孔的间隙公差为+75/-0μm。

　　图 5 试样零件图(方法 A)

　　单位为毫米

　　注 1：形位公差，线性度±5mm，角度±0.5˚。

　　注 2：紧固件与孔的间隙公差为+75/-0μm。

　　图 6 试样装配图(方法 A)

　　单位为毫米

　　注 1：试样形位公差，线性度是±5mm，角度是±0.5˚。

　　注 2：推荐的最小宽度值 L 见表 2。

　　注 3：试样厚度最小值参考表 1，允许沉头的最大深度等于试验板厚度的 70%。

　　注 4：紧固件与紧固件安装孔的间隙公差为+75/-0μm。

　　图 7 试样几何尺寸图(方法 B)

　　表 2 拉脱试验(方法 B)推荐的试样最小宽度、夹具尺寸

　　6.2 铺层形式

　　试样应具有对称均衡的铺层形式，预浸带层合板至少有三个方向的纤维，织物层合板至少有两个方向的纤维。

　　6.3 紧固件

　　对于两种试验方法，如果采用沉头紧固件，一般沉头深度/厚度比值范围为 0～0.70，推荐采用 0.35。紧固件与其对应紧固件孔的间隙公差为+75/-0μm。

　　6.4 试样制备

　　试样制备按 GB/T 1446 要求进行。从大试板上切割试样时， 应注意避免由于不正确的机械加工方法而产生切口、沟槽、粗糙或不平的表面或分层。试样边缘的平直度和平行度应在规定的公差范围内。应当欠尺寸钻孔，然后铰到最终尺寸。

　　6.5 试样数量

　　每组有效试样不少于 5 个。

　　7 试验条件

　　7.1 试验环境条件

　　7.1.1 实验室标准环境条件

　　实验室标准环境条件应满足 GB/T 1446 的要求。

　　7.1.2 非实验室标准环境条件

　　7.1.2.1 高温试验环境条件

　　高温试验环境条件要求如下：

　　a) 应先将环境箱和试验夹具预热到规定的试验温度，然后将试样加热到规定的试验温度;

　　b) 试样工作段应设置直接接触的温度传感器，随时校验温度;

　　c) 由温度传感器测得的试样表面温度应在规定试验温度的±3℃范围内;

　　d) 对于干态试样，应在试样达到规定试验温度后，保温 5min～10min 开始试验;对于湿态试样，应在试样达到规定试验温度后，保温 2min～3min 开始试验。

　　7.1.2.2 低温(低于零度)试验环境条件

　　低温试验环境条件要求如下：

　　a) 应先将环境箱和试验夹具冷却到规定的试验温度，然后将试样冷却到规定的试验温度;

　　b) 试样工作段应设置直接接触的温度传感器，随时校验温度;

　　c) 试样达到规定试验温度后，保温 5min～10min 开始试验;

　　d) 由温度传感器测得的试样表面温度应在规定试验温度的±3℃范围内。

　　7.2 试样状态调节

　　7.2.1 干态试样状态调节

　　试验前，试样在实验室标准环境条件下至少放置 24h。

　　7.2.2 湿态试样状态调节

　　试验前，应将试样放置在浸润箱中吸湿，并在规定的温度和湿度条件下使试样达到所要求的吸湿状态。推荐的温度和湿度条件如下：

　　a) 温度：70℃±3℃;

　　b) 相对湿度：85%RH±5%RH。

　　调节结束后，可以直接开始力学性能试验，或者将试样连同潮湿纸巾放入密封袋内保存，试样在密封袋内的储存时间应不超过 14d。

　　8 试验步骤

　　8.1 试验前准备

　　试验前准备要求如下：

　　a) 按 GB/T 1446 检查试样外观;

　　b) 按 7.2 的规定对试样进行状态调节;

　　c) 在试样状态调节后，测量试样孔径、厚度，对于方法 B 还要测量夹具孔孔径，对于沉头连接件还要测量沉头深度。

　　8.2 试样安装

　　8.2.1 紧固件(方法 A 和方法 B)

　　采用经过标定的扭矩扳手将紧固件拧紧到所需的值，并记录和报告实际的力矩值。

　　8.2.2 方法 A

　　把已装配好的试样放入试验夹具内，夹具的圆柱形支持杆分别穿过试样上的孔。将试样/夹具组合件对中放置于试验机的压缩平台上。

　　8.2.3 方法 B

　　将试样与 U 形件通过紧固件连接，再将 U 形件穿过试验夹具的槽型件开口，通过销钉与夹持于试验机夹头内的连接件连接。

　　8.3 加载

　　8.3.1 方法 A

　　具体要求如下：

　　a) 预加载：在正式加载前，向已安装好的试样/夹具组合件推荐施加 125N 压缩载荷，以保证所有受载表面接触。压缩载荷降低至 45N，所有仪器重新调零和平衡。

　　b) 正式加载：按 0.50mm/min 的加载速率施加压缩载荷，连续记录载荷-位移数据。当试样达到

　　最大载荷并从最大载荷下降 30%时，或者继续加载直到试样完全破坏，停止试验。在发生初始破坏时，记录此时的载荷、位移， 试验结束后记录试样的最大载荷、失效载荷、破坏载荷及相对应的位移和破坏模式。

　　8.3.2 方法 B

　　具体要求如下：

　　a) 按 0.50mm/min 的加载速率通过 U 形件对试样施加拉伸载荷，连续记录载荷-位移数据;

　　b) 当试样达到最大载荷并从最大载荷下降 30%时，或者继续加载直到试样完全破断，停止试验;

　　c) 在发生初始破坏时，记录此时的载荷、位移， 试验结束后记录试样的最大载荷、失效载荷、破坏载荷及相对应的位移和破坏模式。

　　8.4 破坏模式

　　按表 3 给出试样破坏模式，代码的第一个字母描述失效形式，第二个字母描述失效区域，最后一个字母描述破坏位置。图 8 列举了常见的紧固件拉脱试验破坏模式。

　　表 3 破坏模式代码

　　图 8 紧固件拉脱试验一般破坏模式

　　9 计算

　　9.1 加载杆间距-紧固孔直径比(方法 A)

　　加载杆间距-紧固孔直径比 kCAD 按公式(1)计算，结果保留 3 位有效数字：

　　kCAD ………………………………………………(1)

　　式中：

　　DA ——加载杆间距，为固定值 69mm;

　　D ——紧固孔直径，单位为毫米(mm)。

　　9.2 夹具孔直径-紧固孔直径比(方法 B)

　　夹具孔直径-紧固孔直径比 kCBD 按公式(2)计算，结果保留 3 位有效数字：

　　kCBD ………………………………………………(2)

　　式中：

　　DB ——夹具孔直径，单位为毫米(mm);

　　D ——紧固孔直径，单位为毫米(mm)。

　　9.3 紧固孔直径-厚度比

　　紧固孔直径-厚度比 kDh 按公式(3)计算，结果保留 3 位有效数字：

　　D

　　h

　　式中：

　　D ——紧固孔直径，单位为毫米(mm);

　　h ——试样厚度，单位为毫米(mm)。

　　9.4 沉头深度-厚度比

　　沉头深度厚度比 kcsk 按公式(4)计算，结果保留 3 位有效数字：

　　kcsk ………………………………………………(4)

　　式中：

　　dcsk ——试样的沉头深度，单位为毫米(mm);

　　h ——试样厚度，单位为毫米(mm)。

　　9.5 载荷-位移曲线

　　根据载荷位移 P-δ 曲线，计算试样的初始亚临界失效载荷、初始亚临界失效位移、失效载荷、破坏载荷以及试样破断时的位移(可选)，如图 9 所示。

　　9.6 统计

　　对于每一组试验，按 GB/T 1446 计算算术平均值、标准差和离散系数(百分数)。

　　图 9 典型拉脱试验 P-δ 曲线示意图

　　10 试验报告

　　试验报告内容包括：

　　a) 试验项目名称、执行标准和方法。

　　b) 试样来源及制备情况，材料(包括复合材料、紧固件等)品种及规格。

　　c) 试样铺层形式、编号、形状和尺寸、外观质量及数量。

　　d) 试验温度、相对湿度、试样状态调节参数和结果。

　　e) 试验设备及仪器的型号、规格及计量情况。

　　f) 试验人员、试验时间和地点。

　　g) 试验数据，包括：

　　1) 加载杆间距-紧固孔直径比(方法 A);

　　2) 夹具孔直径-紧固孔直径比(方法 B);

　　3) 紧固孔直径-厚度比;

　　4) 沉头深度-厚度比;

　　5) 紧固件拧紧力矩(可选);

　　6) 载荷-位移曲线;

　　7) 初始亚临界失效载荷;

　　8) 初始亚临界失效位移;

　　9) 失效载荷;

　　10) 最大载荷;

　　11) 试样完全破坏时的位移(可选);

　　12) 破坏模式需拍照记录。

　　h) 试验过程中任何与本标准的不同之处，试验时出现的异常情况。