一种复杂复合材料机械连接钉载测量试验方法与流程

本发明涉及机械装置及运输技术领域，具体涉及一种复杂复合材料机械连接钉载测量试验方法。

背景技术：

飞机结构中复合材料用量越来越高，目前已应用至机身、机翼等主承力结构。机械连接是复合材料结构的重要连接形式。钉载分配是复合材料机械连接设计和强度分析的基础。由于复合材料直至破坏前表现为脆性，复合材料机械连接的钉载分布相对于金属结构有显著差异。通过试验方法测量复合材料机械连接钉载分布对于验证复合材料连接结构设计和分析方法具有重要意义。

目前，复合材料机械连接钉载试验方法主要有应变片测量法和钉载传感器法。应变片测量法中，在机械连接被连接板表面粘贴应变片，通过不同钉排间平均应变值的差推导钉载分配比例。钉载传感器法中，采用螺栓状的传感器代替真实螺栓，通过受载时传感器输出的传感器载荷信号获得每个钉孔的挤压载荷。

对于应变片测量法，由于紧固件间被连接板的应变场变化梯度很大，而应变片只能测量离散几个点的应变值，应变均值与该截面的真实均值偏差较大，产生较大误差。另外，由于偏心作用，连接结构会产生二次弯矩，引起被连接件弯曲。被连接件外上下表面的应变是不同的，仅用外表面的应变计算整个截面的平均应变，会进一步增大误差。实践已证明该方法具有较大缺陷，应用范围受到限制。

对于钉载传感器法，传感器既是测量器又是紧固件。传感器承受载荷通过粘贴在金属杆内部的应变花输出信号表征，因此，传感器金属杆四周开了四个槽。一方面，开槽后金属杆与真实情况中螺杆与钉孔配合状态不同，测量结果不能反映实际结构中钉载分布特点；另一方面，四个槽严重削弱了传感器杆的承载能力，该方法仅能测量低载工况下载荷分配情况。此外，传感器制造难度很大，至今该技术尚未成熟，且成本昂贵。

对于钉载直接测量试验方法，试验件的所有紧固件必须相同，且被连接板厚度在连接区不能发生变化。而在飞机结构中连接结构的构型要复杂得多。对于这些结构，非接触直接测量试验方法不再适用。

另外，发明人此前提出一种复合材料机械连接钉载直接测量试验方法，通过直接测量复合材料连接变形计算连接结构的钉载分配比例。该方法用于紧固件相同、结构构型简单的机械连接时操作方便，结果可靠；但是对于构型复杂的连接结构该方法不再适用。

技术实现要素：

为了解决以上问题，本发明提出一种复杂复合材料机械连接钉载测量试验方法，用于被连接板厚度可变、螺栓直径不同等复杂构型复合材料机械连接结构的钉载分配测试。本发明采用非接触测量技术测得被连接板不同截面应变场，推算出连接结构中钉载分配比例。该试验方法不仅测量精度高、量程大，而且应用范围广，具有普遍适用性。

根据本发明的第一方面，提供一种复杂复合材料机械连接钉载测量试验方法，所述复杂复合材料机械连接是双剪连接，包括第一外侧层压板、第二外侧层压板和中间层压板，以及连接层压板的多个螺栓，两个外侧层压板可以具有相同或不同的长度，螺栓可以具有相同或不同的直径和类型，其特征在于，所述方法通过数字图像相关(digitalimagecorrelation,dic)设备为工具，测量复合材料机械连接两个外侧层压板外表面和侧面应变场，精确地计算两个外侧层压板不同截面的平均应变，从而计算两个外侧层压板传递的载荷，由此推导出钉载分布比例。

进一步的，所述方法包括以下步骤：

步骤1，在试验件两端施加载荷，采用dic设备测量复杂复合材料机械连接第一外侧层压板和第二外侧层压板的正面和侧面的应变场；

步骤2：在复杂复合材料机械连接两个外侧层压板的不同传载部位分别选取截面，所述截面与外侧层压板表面相交形成沿外侧层压板宽度和厚度方向的线，作为应变提取线；

步骤3：针对每个截面，沿外侧层压板的应变提取线提取应变，并计算外侧层压板每个截面的平均应变；

步骤4：计算第一外侧层压板和第二外侧层压板在每个截面传递的载荷；

步骤5：计算螺栓在不同截面传递至试验件外侧层压板的载荷分配比例。

进一步的，所述步骤3具体包括：

步骤301：针对第i个截面，沿着外侧层压板表面宽度方向的应变提取线提取应变，记为

步骤302：针对第i个截面，提取外侧层压板厚度方向的应变提取线的两端的应变，外侧层压板外表面边缘处的应变记为εi^t0，外侧层压板内表面边缘的应变记为εi^t；

步骤303：计算外侧层压板第i个截面的平均应变

进一步的，步骤303中，计算外侧层压板第i个截面的平均应变具体为：

其中，n为大于2的整数，wi为层压板宽度。

进一步的，步骤4中，计算第一外侧层压板和第二外侧层压板在第i个截面传递的载荷具体为：

式中，f1i为第一外侧层压板在第i个截面内传递的载荷，为通过步骤3得到的第一外侧层压板第i个截面的平均应变；k1i为第一外侧层压板在第i个截面处的面内刚度；f2i为第二外侧层压板在第i个截面内传递的载荷，为通过步骤3得到的第二外侧层压板第i个截面的平均应变；k2i为第二外侧层压板在第i个截面处的面内刚度，n为大于2的整数。

进一步的，在步骤5中，计算第i个螺栓传递至试验件第一和第二外侧层压板的载荷具体为：

式中，为第i个螺栓传递至第一外侧层压板的载荷，f1i为通过步骤4得到的第一外侧层压板第i个截面内传递的载荷；为第i个螺栓传递至第二外侧层压板的载荷，f2i为通过步骤4得到的第二外侧层压板第i个截面内传递的载荷。

进一步的，在步骤2中，在外侧层压板上选取的截面的数量与所述外侧层压板上的螺栓数量相同。

进一步的，在步骤2中，在外侧层压板上选取的截面位于相邻螺栓之间，以及最外侧螺栓的外侧。

进一步的，所述dic设备固定于外部支架上且与安装有图片采集软件和应变分析软件的计算设备相连.

进一步的，所述dic设备安装有图片采集软件和应变计算软件。

本发明的有益效果：

本发明是一种复杂复合材料机械连接钉载测量试验方法，用于复杂构型连接钉载分配测试，为复合材料机械连接结构设计和分析方法的验证提供试验数据。该技术以数字图像匹配技术(dic)为工具，通过测量复合材料机械连接被连接板外表面和侧面应变场，计算被连接板传递的载荷，进一步推导出钉载分布情况。

此外，与现有技术相比，本发明技术方案有以下优点：

1)相比于应变片测量法，本发明提出的钉载测量试验方法由被连接板外表面沿宽度的应变分布结果计算平均应变，相对于应变片法通过几个离散点应变计算平均应变精度显著提高；此外，本发明提出的由外侧层压板沿厚度的应变结果对宽度方向平均应变进行修正，消除了偏心弯矩引起的弯曲变形影响，计算精度进一步提高，而应变片测量法无法消除该误差。

2)相比于钉载传感器法，本发明通过非接触方式对复合材料机械连接进行测量，对试验件本身无干扰，测得的结果与真实结构的钉载状态更接近，可以用于结构的试验验证；此外，本发明可以测得复合材料机械连接直至破坏的钉载分布，而钉载传感器法受到传感器量程的限制仅能进行低载测量。最后，相对于钉载传感器法，本发明成本低廉，更利于大范围应用。

3)相比于钉载直接测量方法仅能用于构型简单的复合材料机械连接结构，本发明可以用于被连接件厚度、宽度变化，或紧固件直径不同的连接结构，应用范围更广。

附图说明

图1示出根据本发明的复杂复合材料机械连接钉载测量试验方法的流程示意图；

图2示出复合材料机械连接示意图；

图3示出复合材料机械连接传载和变形示意图；

图4a示出试验件应变正面测量示意图；

图4b示出试验件应变背面测量示意图；

图4c示出试验件应变侧面测量示意图。

具体实施方式

下面参照附图来详细说明根据本发明的复杂复合材料机械连接钉载测量试验方法。

本发明涉及一种复杂复合材料机械连接钉载测量试验方法，通过采用数字图像匹配技术(dic)是测量受载状态下复合材料机械连接被连接板的应变场来计算被连接板传递载荷的变化，推导出结构中钉载分配比例。本发明用于飞机复合材料连接结构设计和强度分析。

本发明的技术原理在于：

(1)由外侧层压板正面的全场应变积分后求平均获得外侧层压板的平均应变，结合外侧层压板刚度得到被连接板不同位置传递的载荷，进一步由紧固件两边外侧层压板的载荷差得到钉载；

(2)在关键点(1)的基础上，由外侧层压板侧面的全场应变对外侧层压板平均应变进行修正，消除弯矩的影响，即层压板厚度方向应变数据的计算；

(3)在被连接板全场应变测量方面采用非接触测量方法进行测量，应变数据连续，且对试验件无干扰，试验载荷范围更大。

参照图1，根据本发明的复杂复合材料机械连接钉载测量试验方法包括以下步骤：

步骤101，在试验件两端施加载荷，采用dic设备测量试验件第一外侧层压板和第二外侧层压板的正面和侧面的应变场。该dic设备固定于外部支架上，且dic设备安装有图片采集软件和应变计算软件。

步骤102：在试验件两个外侧层压板上分别选取截面，所述截面与外侧层压板表面相交形成沿外侧层压板宽度和厚度方向的线，作为应变提取线。该截面位于相邻螺栓之间，以及最外侧螺栓的外侧。使得，所选取的截面的数量与外侧层压板上的螺栓数量相同。

步骤103：针对每个截面，沿着外侧层压板表面宽度方向的应变提取线提取应变。针对第i个截面，沿着外侧层压板表面宽度方向的应变提取线提取应变记为

步骤104：针对每个截面，提取外侧层压板厚度方向的应变提取线的两端的应变。针对第i个截面，提取外侧层压板厚度方向的应变提取线的两端的应变，外侧层压板外表面边缘处的应变记为εi^t0，外侧层压板内表面边缘的应变记为εi^t。

步骤105：计算外侧层压板每个截面的平均应变。外侧层压板第i个截面的平均应变

其中，n为大于2的整数，wi为层压板宽度。

步骤106：计算第一外侧层压板和第二外侧层压板在每个截面传递的载荷。

第一外侧层压板和第二外侧层压板在第i个截面传递的载荷为：

式中，f1i为第一外侧层压板在第i个截面内传递的载荷，为由步骤5得到的第一外侧层压板第i个截面的平均应变；k1i为第一外侧层压板在第i个截面处的面内刚度；f2i为第二外侧层压板在第i个截面内传递的载荷，为由步骤5得到的第二外侧层压板第i个截面的平均应变；k2i为第二外侧层压板在第i个截面处的面内刚度，n为大于2的整数。

步骤107：计算螺栓在不同截面传递至试验件外侧层压板的载荷分配比例。

实施例1

下面以典型混搭连接结构为例对本技术方案进行详细阐述，但并不作为对本发明做任何限制的依据。

典型复合材料混搭机械连接结构如图2所示，三块复合材料板通过螺栓连接在一起。载荷在复合材料板之间的传递路径如图3所示，载荷通过各个螺栓逐渐从中间复合材料板传递到外侧两块复合材料板。螺栓传递至第一外侧层压板的载荷依次标记为f1、f2和f3，螺栓传递至第二外侧层压板的载荷依次记为f4和f5。第一外侧层压板内传递的载荷依次记为fu1、fu2和fu3，第二外侧层压板内传递的载荷依次记为fb1和fb2。

本发明提出复合材料机械连接钉载间接测量试验方法，试验示意图如图4所示。试验过程中，使用dic设备同时测量复合材料机械连接试验件正面、背面和侧面的应变场，提取第一外侧层压板(上板)外表面和侧面截面1～3的应变结果，提取第二外侧层压板(下板)外表面和侧面截面4和5的应变结果。截面1～5的位置如图4所示，并无精确位置要求，只要在图示位置附近即可。

试验件中外侧层压板在螺栓挤压载荷作用下，应变沿着板宽并非均匀分布。外侧层压板不仅承受面内载荷作用，而且受到偏心弯矩作用。外侧层压板存在一定程度弯曲变形。在弯矩水平较低的情况下，外侧层压板弯曲变形满足直法线假设。

通过dic设备可以直接测得外侧层压板外表面和侧面的应变在各截面的分布情况。外侧层压板各截面的平均应变可以计算为

式中，为沿着外侧层压板表面宽度方向的应变提取线提取的应变，wi为层压板宽度，εi^t0为外侧层压板外表面边缘处的应变，εi^t为外侧层压板内表面边缘的应变。

进一步，可以得到第一外侧层压板和第二外侧层压板各截面传递的载荷：

式中，fui为第一外侧层压板在第i个截面内传递的载荷，为由公式1得到的第一外侧层压板第i个截面的平均应变；kui为第一外侧层压板在第i个截面处的面内刚度；fbi为第二外侧层压板在第i个截面内传递的载荷，为由公式1得到的第二外侧层压板第i个截面的平均应变；kbi为第二外侧层压板在第i个截面处的面内刚度，n为大于2的整数。

由螺栓传递至上、下板的载荷与板内传递载荷存在以下关系：

由此，各螺栓传递至上、下板的钉载的分配比例由下式给出

本发明提出的复合材料机械连接钉载间测量试验方法，通过非接触变形测量技术测得螺栓间被连接板外表面和侧面的应变分布计算被连接板内传递的载荷，间接获得连接结构的钉载分配。该发明由被连接板沿宽度的应变分布计算表面平均应变，并通过侧面应变结果消除偏心弯矩引起弯曲变形的影响，试验精度得到提高；同时，该发明可以用于构型复杂的复合材料机械连接，适用范围广。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。