《JMP》复合材料层合板孔边纤维波动对开孔拉伸强度的影响

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螺栓连接是连接层合复合材料常用的方法，但钻孔过程容易导致应力集中和损伤。该研究提出了一种替代方案，即在真空辅助树脂传递模塑 (VARTM) 工艺中嵌入插头，以减少钻孔带来的问题。将圆柱形黄铜插头嵌入干织物中，并在制造完成后取出，以评估其对开孔拉伸和承载强度的影响。结果表明，与钻孔样品相比，具有不同铺层配置的非钻孔样品的开孔拉伸载荷显著提高，最高可达 54.8%，而承载载荷值则基本相同。为了揭示非钻孔样品强度提升的机理，研究人员开发了一种包含孔周围纤维波纹的 3D 逐步损伤模型，并通过数字图像相关技术进行了验证。显微 CT 图像显示，非钻孔样品中孔周围的纤维连续性得到改善，这与观察到的强度提升相符。扫描电子显微镜 (SEM) 图像进一步阐明了承载测试期间的失效机理。失效机理包括线性区域的初始纤维弯曲（特别是钻孔样品），随后是孔周围的纤维压碎和断裂。最后，剪切破坏了纤维的积累。研究表明，非钻孔方法在提高复合材料连接强度和耐久性方面具有巨大潜力。

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一、引言

纤维增强复合材料以其轻质高强的特性在航空航天、汽车等领域广泛应用。然而，层合复合材料的连接一直是一个难题，尤其是要保持其强度和刚度时。目前，螺栓连接是连接层合复合材料的主要方法，因其方便安装、拆卸，并具有可靠性、耐久性和承载能力。然而，钻孔过程可能导致孔附近损伤，降低承载能力。因此，研究如何提高复合材料螺栓连接的强度至关重要。

近日，《Journal of Manufacturing Processes》期刊发表了一篇由土耳其Tekirdag Namik Kemal大学机械工程系Kenan Cinar教授完成的有关复合材料层合板孔边纤维波动对开孔拉伸强度的影响的研究成果。该研究通过使用真空辅助树脂传递成型（vacuumassisted resin transfer molding；VARTM）嵌入的插入件来避免钻孔过程，从而显著提高了复合材料层合板的开孔拉伸强度。论文标题为“Enhancement of laminate open-hole tensile strength by considering fiber waviness around holes”。

二、内容简介

该研究旨在评估使用真空辅助树脂传递成型（VARTM）嵌入的插入件来减轻钻孔相关问题的替代方法。将圆柱形黄铜插入件嵌入干织物中，并在制造后从层压板中取出，以评估它们对开孔拉伸和承载强度的影响。

研究采用非织造 [0/45/−45/90] 四轴向 E-玻璃织物和环氧树脂系统制造样品，并通过两种不同的方法在板上创建孔：钻孔和预成型。对样品进行开孔拉伸试验和承载试验，以评估其强度。

此外，使用 CT 成像分析纤维分布和取向，并使用扫描电子显微镜（SEM）图像分析承载行为的各个阶段的失效机制。为了深入理解非钻孔样品强度提升的机理，开发了包含孔边纤维波动的三维渐进损伤模型，并使用数字图像相关技术进行了验证，从而揭示了纤维波动对强度的影响。

该研究采用真空辅助树脂传递模塑（VARTM）技术在干织物中嵌入金属垫片，并分析了非钻孔方法对复合材料开孔拉伸强度和承载强度的影响。结果表明，与钻孔样品相比，非钻孔样品的开孔拉伸载荷显著提高，高达 54.8%，而承载载荷值相似。CT 成像揭示了非钻孔样品孔周围的纤维连续性得到改善，强度得到提高。

扫描电子显微镜（SEM）图像阐明了承载测试期间的失效机制，包括纤维弯曲、压碎和断裂。此外，开发的三维渐进损伤模型准确预测了孔周围的应变分布，并解释了纤维波动对强度的影响，与实验数据吻合良好。该研究为提高复合材料连接强度和耐久性提供了新的思路。

三、 小结

该研究结果表明，使用真空辅助树脂传递成型（VARTM）嵌入的插入件来减轻钻孔相关问题是提高复合材料层合板开孔拉伸强度的一种有效方法。非钻孔方法可以显著提高开孔拉伸载荷，同时保持相似的承载载荷值。该研究还开发了包含孔边纤维波动的三维渐进损伤模型，并使用数字图像相关技术进行了验证。该模型可以用于预测开孔拉伸强度，并优化层合复合材料的连接设计。

原始文献：

Cinar, K. (2024). Enhancement of laminate open-hole tensile strength by considering fiber waviness around holes. Journal of Manufacturing Processes, 131, 766–780.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.09.079

责任编辑：复小可
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