Damage and Tensile Shearing Property Investigation of CFRP Riveted Joints with Gaskets
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摘要: 碳纤维增强树脂基复合材料（carbon fiber reinforced polymers, CFRP）在航空领域应用广泛，但极易发生铆接损伤。针对航空CFRP构件，本文通过试验研究带垫圈铆接损伤行为，评估不同宽径比和边径比下铆接构件拉伸剪切性能。结果表明：镦头径向过度膨胀和镦头轴向变形挤压共同造成CFRP孔口局部应力过大，进而引起局部铆接损伤，且镦头附近铺层挤压损伤最明显。垫圈一方面有效限制了镦头附近钉杆不均匀膨胀；另一方面通过将局部轴向挤压力向孔周表面垫圈覆盖区域分散进而降低孔周表面轴向应力水平，最终有效减小了铆接损伤程度。所有试件力–位移响应曲线特征由钛合金铆钉主导，伴随铆钉剪切失效。拉伸失效过程中，垫圈均未发生明显变形，但CFRP层板钉孔周围表层发生明显局部挤压损伤，同时拉伸过程中伴随纤维断裂声响。宽径比对试件刚度和最终失效强度均具有明显影响，但边径比影响不明显。为探究与传统铆接相比更高效的铆接方式，本文针对CFRP/CFRP复合材料铆接构件，创新性地引入了带垫圈的铆接方法，通过铆接、拉伸剪切试验验证和铆接试件微观表征，发现垫圈能够有效抑制镦头的膨胀，并分散孔周应力水平进而降低铆接损伤。铆接试件的宽径比相较于边径比对铆接试件刚度和失效强度的影响更为显著。在拉伸剪切试验中，铆接试件的失效模式均为铆钉断裂。Abstract: Carbon fiber reinforced polymer composites (CFRP) are widely used in the field of aerospace but it is prone to suffer from riveting damage. This work experimentally investigated the riveting damage behaviors of the CFRP riveted joints with gaskets and evaluated the tensile shearing properties of joints at different width-diameter ratios and edge displacement-diameter ratios. The results demonstrated that the rivet tail’s excessive expansion in the radial direction and extrusion deformation in the axial direction led to high local stress on the CFRP hole and thus riveting damage. The most critical damage occurred on the plies near the riveted head. The gasket can effectively limit the uneven expansion near the rivet tail and can reduce axial stress of the hole surface by dispersing the local axial extrusion force to the gasket coverage area around the hole, which helped reduce riveting damage. The load-displacement response curves of all specimens were dominated by rivets, accompanied by rivet shearing failure. During tensile shearing testing, the gasket was un-deformed but local extrusion damage occurred at the local region near the hole of CFRP along with fiber tensile fracture noise. The width to diameter ratio exhibited an obvious influence on the specimen stiffness and failure strength, while the edge displacement to diameter ratio had little influence on them. In order to explore a more efficient riveting method compared to traditional riveting, this paper focused on CFRP/CFRP composite riveted structures and introduced a novel riveting method with gaskets. Through riveting and tensile-shear tests and microscopic observation of the riveted specimens, it was found that gaskets could reduce riveting damage by suppressing the expansion of the rivet head and dispersing stress around the hole. The width-to-diameter ratio of the riveted specimens had a more significant influence on their stiffness and failure strength compared to the edge-to-diameter ratio. In the tensile-shear tests, all the failure modes of the riveted specimens were rivet fracture.
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碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）以其优越的机械性能在航空结构、复合材料结构修复等领域广泛应用[1–3]。复合材料机械连接结构在飞机结构中大量存在[4–5]，但由于各向异性，机械结构最大连接效率明显低于金属结构[6]，易导致复合材料结构连接失效。因此，优化其机械连接方法及工艺对于保障飞机服役可靠性具有重要意义。
航空复合材料结构机械连接方法主要包括螺接和铆接[7–9]。螺接承载能力强，易于拆卸维修[10]，但质量大、成本高。铆接虽然极易引起复合材料连接孔挤压损伤，但在恰当的铆接方法和工艺参数下损伤可以降低甚至避免[11–12]，且铆接工艺简单、经济成本低，其技术和经济优势突出。铆接方法上，电磁铆接通过高应变率一次成型铆钉，钉杆膨胀均匀，可降低复合材料铆接损伤[13–15]。而在合理的工艺参数下，压铆对斜面复合材料铆接后也未出现分层，且压铆接头强度优于锤铆[16]。与传统铆接方法相比，铆接/搅拌摩擦复合连接方法将接头失效前的拉伸位移提高了212%[17]。此外，常温下自冲铆接钉头附近易出现损伤，但采用温热自冲铆接可有效避免CFRP表面宏观裂纹损伤，并减小分层损伤面积[18]，且接头机械性能与钉头形状密切相关[19–20]。除了板材热软化以外，在复合材料铆接过程中对铆钉引入脉冲电流实现铆钉软化，提高了铆接成型效果[21]。连接形式上，胶螺混合连接较纯铆接方法或者纯胶接方法均展现出更优越的承载和抗冲击性能[22–23]。铆接参数上，钉孔间隙过小易导致严重的孔周铆接损伤，间隙过大易导致连接松动[24]；铆接孔位过于密集使得结构重量增加、结构强度降低[25]；适当的铆接预紧力不仅能够使得铆接构件之间产生良好的接触从而提高接头强度和刚度，还有助于减小接头中应力的分布，降低疲劳裂纹的形成和扩展的风险，从而提高接头的寿命[26]。尽管当前针对复合材料构件连接问题的研究已经十分广泛，但所提出的方法存在成本高、质量大和装配繁琐等弊端。综上，铆接虽然已经广泛研究，但铆接损伤问题仍然没有得到完全有效解决，铆接损伤机理、高效的无损铆接方法等均有待进一步研究。
鉴于此，本文针对CFRP/CFRP构件铆接工艺方法优化问题，创新性地提出带垫圈铆接的方法，利用垫圈限制镦头膨胀，分散孔周应力水平，并开展CFRP/CFRP带垫圈铆接损伤及剪切性能试验研究，分析不同铆钉外伸量下带垫圈铆接损伤行为特征，评估不同宽径比、边径比下铆接构件静拉伸剪切性能，为航空复合材料结构装配提供技术指导。
1. 铆接方法及试验
1.1 带垫圈铆接方法
铆接过程中，钉杆膨胀不均匀是造成复合材料孔壁挤压损伤的主要原因。为此，本文采用了一种带垫圈的CFRP构件铆接方法，利用合适的垫圈限制铆钉镦头过度，进而降低CFRP孔壁挤压损伤。图1为铆接方法示意。如图1所示：首先，固定CFRP构件，并将铆钉放入铆接孔内，用顶铁顶持铆钉钉头；随后，将垫圈套在铆钉镦头端，启动铆接装置，铆钉镦粗变形，垫圈限制镦头端钉杆膨胀，单次铆接完成。
图 1 带垫圈铆接方法示意Fig. 1 Schematic of the riveting method using gaskets
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1.2 试验
1.2.1 铆接工艺试验
试验由铆接试验和拉伸剪切试验两部分组成。铆接试件参数及试验过程如图2所示。铆接试件由CFRP层板、铆钉和垫圈构成（图2（a））。其中，CFRP层板选择高性能T800 CFRP，层板的铺层序列为[+45/–45/0/+45/90/–45/+45/90/–45]s，共18层，单层铺层名义厚度0.188 mm，层板名义总厚度3.384 mm。单层T800 CFRP铺层材料属性见表1。每个试件由两块层板叠加而成，单块层板长90 mm，宽30 mm。为避免铆接边距和孔距对铆接损伤的影响，同时满足民用飞机复合材料铆接的需要，参照民用飞机复合材料制件铆接要求（GB/T 38825—2020）[27]，每个试件等间距对称打4个铆接孔，钉孔直径4.1 mm，钉孔间距20 mm（5倍铆钉直径）。铆钉为直径d=4 mm的平头纯钛铆钉，材料弹性模量107.8 GPa，抗拉强度539 MPa，泊松比0.25。为了解外伸量对铆接损伤影响，选择3组长度分别为12.0、12.4和12.8 mm的铆钉进行铆接，分别对应钉杆外伸量1.31d、1.41d和1.51d，铆钉外伸量和对应的压铆位移见表2。垫圈内径4.05 mm，外径8 mm，厚度1 mm，材料为304不锈钢。铆接过程如图2（b）所示。首先，将铆接试件固定在夹具上，将常规平铆模固定在104N级电子万能试验机上，对铆钉进行挤压成型，每组钉杆长度进行4次重复铆接。为对比分析，选择钉杆长12.0 mm的铆钉，在不使用垫圈的情况下直接铆接成型。铆接完成后，沿试件宽度方向铆钉对称面解剖试件，通过光学显微镜（型号Nikon-MA100）观察内部铆接损伤情况。
图 2 铆接试件参数及试验过程Fig. 2 Riveting specimens’ parameters and test process下载:
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表 1 T800碳纤维增强树脂基复合材料单层铺层材料属性Table 1 Single ply material properties of the T800 CFRPE1/GPa E2/GPa G12/GPa G21/GPa v12 v21 1 800 8.73 4.49 4.49 0.34 0.34 注：E1和E2分别为沿复合材料纤维方向和垂直于纤维方向的杨氏模量，G12和G21分别为材料x和y方向上的剪切模量，v12和v21分别为材料沿x和y方向拉伸或压缩的泊松比。 表 2 铆接钉杆长度与压铆位移Table 2 Nail rod length and pressing displacement of rivets铆接序号 钉杆长度/mm 压铆位移/mm 是否带垫圈 铆接1 12.0 3.78 是 铆接2 12.4 4.12 是 铆接3 12.8 4.40 是 铆接4 12.0 3.78 否 1.2.2 静拉伸剪切试验
图3为拉伸剪切试验示意图，其中，w为试件宽度，e为试件钉孔中心到试件宽边的最小距离。如图3（a）所示，静拉伸剪切试件均采用单钉单搭铆接试件，所有试件CFRP层板材料与铆接试验相同，试件单块层板长度均为l=90 mm，孔径均为4.1 mm。根据铆接试验结果，所有试件均采用铆接试验中钉杆长度为12.0 mm的铆钉进行铆接，垫圈与铆接试验使用的垫圈相同。为研究不同试件几何参数对接头拉伸剪切性能的影响，剪切试验分为4组。拉伸剪切试验试样参数见表3（D为铆接孔直径）。拉伸测试过程见图3（b），在与铆接试验相同的电子万能试验机上进行，试件通过垫板由上下夹头夹持，上下夹持区域长度均为30 mm。为了保证试验的可靠性，每组设置3次重复测试，分别为试件1、试件2、试件3。
图 3 拉伸剪切试验Fig. 3 Tensile shearing tests下载:
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表 3 拉伸剪切试验组试样参数Table 3 Parameters of tensile shearing testing groups测试序号 钉杆长度/mm 宽径比w·D–1 边径比e·D–1 拉伸1 12.0 3.0 4 拉伸2 12.0 4.0 4 拉伸3 12.0 7.5 3 拉伸4 12.0 7.5 4 2. 试验结果与讨论
2.1 铆接损伤分析
2.1.1 表面铆接损伤
试件铆接成型情况如图4所示，①～④为各组铆接的铆钉编号。由图4（a）～（c）可知：带垫圈情况下，钉杆长度为12.0 mm时，铆接后的镦头相较于其他组成型一致性较好，镦头周围未发现明显CFRP层板表面损伤；对于较长铆钉钉杆（12.4 和12.8 mm），由于钉杆较长，铆接过程中易发生失稳，镦头出现了明显的偏心，进而引起CFRP层板孔周表层严重挤压损伤。此外，对比图4（a）和4（d）可知，相同铆钉钉杆长度下，无垫圈铆接铆钉成型偏心明显，铆接偏心造成镦头周围CFRP层板局部严重挤压损伤。可以推测：垫圈的存在减小了铆钉实际外伸量，同时限制了铆接过程中钉杆偏斜，进而抑制了失稳的发生；此外，垫圈还限制了镦头在钉孔孔口附近过度膨胀引起孔口表面挤压损伤。
图 4 不同钉杆外伸量下铆接后的试件Fig. 4 Specimens after riveting corresponding to different rivet nail rod lengths下载:
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2.1.2 内部铆接损伤
铆接接头内部微观典型结构如图5所示。由图5可知，所有试件铆钉钉头附近和铆钉中段镦粗变形量较小且较均匀，在试验所选铆接参数下，膨胀后的钉杆均与孔壁形成干涉配合，且未发生明显损伤，但镦头附近钉杆变形量大且不均匀，引起CFRP孔壁严重挤压损伤。其中，在带垫圈情况下，钉铆镦头附近成型呈现出自由膨胀区Ⅰ、垫圈限制膨胀区Ⅱ和孔内钉杆膨胀区Ⅲ的特征。可以推测：铆接过程中，起初镦头自由镦粗膨胀，随后镦头附近钉杆与垫圈内环接触，垫圈限制镦头接触部分钉杆膨胀，但镦头继续镦粗变大，形成自由膨胀区Ⅰ；随着镦头进一步挤压变形，镦头附近被限制的钉杆继续膨胀，进而挤压垫圈内孔塑性变形，形成限制膨胀区Ⅱ；同时，镦头材料沿钉杆方向向下流动迫使垫圈内孔下凹，在截面上表现为垫圈内孔向下翘曲，垫圈下方附近钉杆进一步膨胀变粗形成孔内钉杆膨胀区Ⅲ。钉杆外伸量越大，垫圈内孔下凹越明显。
图 5 试件铆接后典型内部损伤Fig. 5 Typical internal damages of specimens after riveting下载:
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铆接损伤涉及接触带来的应力集中问题。进一步对比图5（a）～（d）发现：一方面，垫圈确实有效限制了镦头附近钉杆不均匀膨胀，显著减少了因为镦头附近钉杆径向过度膨胀，进而与CFRP孔壁过度接触并因局部应力过大产生挤压损伤；另一方面，镦头沿钉杆方向的挤压变形产生巨大的局部轴向挤压力，垫圈有效增大了镦头与CFRP表面的实际接触面积，并将局部轴向挤压力向孔周表面垫圈覆盖区域分散，进而降低了孔周表面轴向应力水平，最终减小镦头附近CFRP孔口轴向挤压破坏程度。但在镦头成型过程中，首先与垫圈内环接触并过度接触，垫圈内环受轴向局部挤压力最严重，造成垫圈内孔局部下凹，进而导致CFRP孔口附近表面铺层应力过高并产生挤压损伤。同时，钉杆外伸量越大，表层挤压损伤越明显。而在无垫圈铆接过程中，钉杆首先整体镦粗变形，随后孔壁与钉杆接触并限制钉杆径向胀大，钉杆末端未受孔壁限制，进而镦粗形成镦头，镦头附近CFRP层板同时承受局部高水平孔周径向挤压应力和钉杆方向挤压应力，在合应力作用下层板形成类球面形挤压损伤凹坑。定量来看，带垫圈铆接仅首层发生轻微损伤，最大损伤区域外径略大于孔原始直径，而不带垫圈铆接损伤却发生在镦头附近前3层铺层，且局部铆接损伤区域最大外径大于镦头直径。因此，可以看出垫圈在径向和轴向均对CFRP铆接损伤具有明显抑制作用，但为了实现无损铆接，需要进一步对垫圈材料、几何参数等进行优化。
2.2 拉伸剪切性能
2.2.1 不同宽径比
宽径比分别为3.0和4.0的试件及其拉伸剪切力–位移响应曲线如图6所示。试件最终失效模式如图7所示。试件力–位移响应曲线特征与钛合金铆钉拉伸力–位移响应曲线相似，呈现出明显的阶段性，即：弹性阶段Ⅰ、塑性阶段Ⅱ和失效阶段Ⅲ。结合图7可知，在本文试验条件下，由于CFRP层板强度较高，所有试件失效模式均为铆钉失效。因此，试件力–位移响应特征由铆钉主导。由于宽度更大，单位拉伸位移下试件可承载能力更强，宽径比为4.0的试件较宽径比为3.0的试件表现出更好的刚度；但由于铆钉主导试件拉伸失效过程，二者屈服载荷和失效载荷差异不明显。
图 6 不同宽径比试件及其拉伸剪切力–位移响应Fig. 6 Specimens with different width to diameter ratios and their load–displacement responses下载:
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图 7 不同宽径比下试件拉伸剪切失效模式Fig. 7 Final failure modes of specimens corresponding to different width to diameter ratios下载:
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由图7还可知，在本文试验条件下，不同宽径比试件均以铆钉剪切失效为最终失效模式，垫圈未发生明显变形。对于CFRP层板，尽管均未发生明显破坏，但在试件上下层板剪切破坏面上，铆钉附件区域均发生了明显挤压损伤。同时，拉伸过程中，在铆钉最终剪切破坏之前，能听到明显的CFRP层板纤维断裂声。由此可见，尽管试件最终为铆钉剪切失效，但加载过程中CFRP层板亦由于局部应力过大发生了局部损伤。
2.2.2 不同边径比
不同边径比的试件及其拉伸剪切力–位移响应曲线如图8所示。同样，试件力–位移相应过程由铆钉主导，不同边径比的力–位移响应曲线特征相似，亦呈现出明显的弹性阶段Ⅰ、塑性阶段Ⅱ和失效阶段Ⅲ。但由于铆钉主导最终失效，不同边径比下试件屈服载荷和失效载荷均未发现明显差异。
图 8 不同边径比试件及其拉伸剪切力–位移响应Fig. 8 Specimens with different edge displacement to diameter ratios and their load–displacement responses下载:
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不同边径比下试件最终失效模式如图9所示。由图9可知，不同边径比下试件失效模式均为铆钉剪切失效，其失效特征与不同宽径比条件下相同。综合来看，宽径比和边径比的改变主要反映CFRP层板连接几何特征的变化，进而引起CFRP连接件承载过程、承载极限和失效模式的不同。但本文试验条件下，CFRP层板承载能力远大于铆钉承载能力，试件拉伸力–位移响应、最终失效模式均由铆钉失效过程主导。为此，本文试验条件下，由于宽径比和边径比仅选择了常用的比例值，两者的改变并未展现出对试件拉伸剪切性能的明显影响。结合图6（a）～（c）和图8（b）可知，当宽径比提高到7.5时，由于试件宽度大幅增加，拉伸过程中二次弯矩影响减弱等原因，试件屈服载荷和失效载荷亦明显提高。虽然宽径比为7.5时，试件失效模式没有改变，但拉伸剪切屈服载荷和失效载荷均较低宽径比下明显提高。由此可以推测，即使在铆钉承载极限不变的情况下，宽径比亦可能通过改变试件承载形式和承载分配过程提高构件连接强度。
图 9 不同边径比下试件拉伸剪切失效模式Fig. 9 Final failure modes of specimens corresponding to different edge displacement to diameter ratios下载:
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3. 结 论
1）CFRP铆接损伤主要由镦头径向过度膨胀和镦头材料轴向变形挤压造成，铆接损伤以挤压损伤为主；垫圈一方面有效限制了镦头附近钉杆不均匀膨胀，另一方面通过将局部轴向挤压力向孔周表面垫圈覆盖区域分散进而降低孔周表面轴向应力水平，最终有效减小铆接损伤程度；而无垫圈铆接损伤则发生在镦头附近层板孔周多个铺层，损伤范围和程度均更大。
2）由于本文研究中CFRP层板承载能力远大于铆钉承载能力，所有试件力–位移响应曲线特征由钛合金铆钉主导，与钛合金铆钉拉伸失效力–位移响应曲线相似，呈现出明显弹性阶段、塑性阶段和失效阶段。
3）所有试件最终失效模式均为铆钉剪切失效，垫圈均未发生明显变形。CFRP层板虽未发生严重破坏，但由于铆钉对孔壁造成的局部高水平压应力，钉孔周围表层亦出现明显局部挤压损伤，拉伸过程中亦伴随纤维断裂声响。
4）宽径比为4.0的试件较宽径比为3.0的试件表现出更好的刚度，但屈服载荷和失效载荷差异不明显；而当宽径比提高到7.5时，试件屈服载荷和失效载荷均明显提高；边径比对试件力–位移响应影响不明显。
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图 1 带垫圈铆接方法示意
Fig. 1 Schematic of the riveting method using gaskets
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图 2 铆接试件参数及试验过程
Fig. 2 Riveting specimens’ parameters and test process
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图 3 拉伸剪切试验
Fig. 3 Tensile shearing tests
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图 4 不同钉杆外伸量下铆接后的试件
Fig. 4 Specimens after riveting corresponding to different rivet nail rod lengths
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图 5 试件铆接后典型内部损伤
Fig. 5 Typical internal damages of specimens after riveting
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图 6 不同宽径比试件及其拉伸剪切力–位移响应
Fig. 6 Specimens with different width to diameter ratios and their load–displacement responses
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图 7 不同宽径比下试件拉伸剪切失效模式
Fig. 7 Final failure modes of specimens corresponding to different width to diameter ratios
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图 8 不同边径比试件及其拉伸剪切力–位移响应
Fig. 8 Specimens with different edge displacement to diameter ratios and their load–displacement responses
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图 9 不同边径比下试件拉伸剪切失效模式
Fig. 9 Final failure modes of specimens corresponding to different edge displacement to diameter ratios
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表 1 T800碳纤维增强树脂基复合材料单层铺层材料属性
Table 1 Single ply material properties of the T800 CFRP
E1/GPa E2/GPa G12/GPa G21/GPa v12 v21 1 800 8.73 4.49 4.49 0.34 0.34 注：E1和E2分别为沿复合材料纤维方向和垂直于纤维方向的杨氏模量，G12和G21分别为材料x和y方向上的剪切模量，v12和v21分别为材料沿x和y方向拉伸或压缩的泊松比。 表 2 铆接钉杆长度与压铆位移
Table 2 Nail rod length and pressing displacement of rivets
铆接序号 钉杆长度/mm 压铆位移/mm 是否带垫圈 铆接1 12.0 3.78 是 铆接2 12.4 4.12 是 铆接3 12.8 4.40 是 铆接4 12.0 3.78 否 表 3 拉伸剪切试验组试样参数
Table 3 Parameters of tensile shearing testing groups
测试序号 钉杆长度/mm 宽径比w·D–1 边径比e·D–1 拉伸1 12.0 3.0 4 拉伸2 12.0 4.0 4 拉伸3 12.0 7.5 3 拉伸4 12.0 7.5 4 -
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