第五章復合材料連接

1、5. 復合材料連接復合材料連接復合材料連接復合材料連接復合材料構(gòu)件復合材料構(gòu)件之間的連接之間的連接復合材料構(gòu)件與其他復合材料構(gòu)件與其他材料構(gòu)件之間的連接材料構(gòu)件之間的連接5.1 復合材料連接方式復合材料連接方式膠接連接膠接連接機械連接機械連接對于受力不大的薄對于受力不大的薄壁結(jié)構(gòu)，尤其是復壁結(jié)構(gòu)，尤其是復合材料結(jié)構(gòu)，應盡合材料結(jié)構(gòu)，應盡量采用膠接連接。量采用膠接連接。連接構(gòu)件較厚、受連接構(gòu)件較厚、受力大的結(jié)構(gòu)，多采力大的結(jié)構(gòu)，多采用螺栓連接或鉚接用螺栓連接或鉚接等機械連接。等機械連接。用螺釘、螺栓和鉚釘用螺釘、螺栓和鉚釘?shù)染o固件將兩種分離等緊固件將兩種分離型材或零件連接成一型材或零件連接成一個

2、復雜零件或部件個復雜零件或部件借助膠粘劑在固體表借助膠粘劑在固體表面上產(chǎn)生的粘合力，面上產(chǎn)生的粘合力，將同種或不同種材料將同種或不同種材料牢固地連接在一起牢固地連接在一起鋼筋的機械連接鋼筋的機械連接鋼筋的機械連接鋼筋的機械連接5.1.1 膠接與機械連接的比較膠接與機械連接的比較膠接連接膠接連接(1) 不削弱構(gòu)件截面以及由不削弱構(gòu)件截面以及由此引起的應力集中等；此引起的應力集中等；(2) 連接部位質(zhì)量較輕；連接部位質(zhì)量較輕；(3) 成本低；成本低；(4) 耐腐蝕性好；耐腐蝕性好；(5) 永久變形小。永久變形小。(1) 膠接表面必須仔細清理；膠接表面必須仔細清理；(2) 強度分散性大，膠接強度強度

3、分散性大，膠接強度受溫濕環(huán)境的影響較大；受溫濕環(huán)境的影響較大；(3) 膠接質(zhì)量檢驗較困難；膠接質(zhì)量檢驗較困難；(4) 多數(shù)情況下膠接具有不可多數(shù)情況下膠接具有不可拆卸性。拆卸性。 與金屬材料構(gòu)件之與金屬材料構(gòu)件之間的膠接連接相比間的膠接連接相比復合材料膠接連接持點復合材料膠接連接持點 (1) 金屬膠接接頭易在膠層產(chǎn)生剝離破壞，金屬膠接接頭易在膠層產(chǎn)生剝離破壞，而復合材料由于層間強度低，易在層間而復合材料由于層間強度低，易在層間產(chǎn)生剝離破壞；產(chǎn)生剝離破壞； (2) 由于復合材料構(gòu)件與金屬構(gòu)件之間的由于復合材料構(gòu)件與金屬構(gòu)件之間的熱膨脹系數(shù)相差很大，所以這兩者連接熱膨脹系數(shù)相差很大，所以這兩者連接

4、會產(chǎn)生較大的內(nèi)應力；會產(chǎn)生較大的內(nèi)應力； (3) 可以采用共固化技術?？梢圆捎霉补袒夹g。機械連接機械連接(1)表面無須仔細清理即能表面無須仔細清理即能獲得較大的連接強度；獲得較大的連接強度；(2)強度分散性小，強度分散性小，(3)抗剝離能力大；抗剝離能力大；(4)易于拆卸。易于拆卸。(1)開孔需削弱構(gòu)件截面，開孔需削弱構(gòu)件截面，且引起應力集中等；且引起應力集中等；(2)接頭質(zhì)量較大；接頭質(zhì)量較大；(3)成本高；成本高；(4)可能有電化腐蝕問題；可能有電化腐蝕問題；(5)永久變形大。永久變形大。機械連接的優(yōu)缺點正好與膠接的相反機械連接的優(yōu)缺點正好與膠接的相反與金屬材料構(gòu)件之間的機械連與金屬材料

5、構(gòu)件之間的機械連接相比，復合材料連接特點：接相比，復合材料連接特點： (1) 由于復合材料易產(chǎn)生分層，故連接時應盡由于復合材料易產(chǎn)生分層，故連接時應盡量避免過盈配合；量避免過盈配合；(2) 象膠接一樣，復合材料構(gòu)件與金屬構(gòu)件之象膠接一樣，復合材料構(gòu)件與金屬構(gòu)件之間機械連接同樣會產(chǎn)生較大的內(nèi)應力。間機械連接同樣會產(chǎn)生較大的內(nèi)應力。過盈是指孔的尺寸減去相配合的軸的過盈是指孔的尺寸減去相配合的軸的尺寸之差為負。尺寸之差為負。 過盈配合是指具有過過盈配合是指具有過盈盈(包括最小過盈等于零包括最小過盈等于零)的配合。的配合。 5.1.2 接頭效接頭效率率金屬構(gòu)件受拉剪的機械連接中，連接的接頭效率：金屬構(gòu)

6、件受拉剪的機械連接中，連接的接頭效率：wndwJe)(w連續(xù)構(gòu)件寬度連續(xù)構(gòu)件寬度n沿構(gòu)件寬度發(fā)現(xiàn)的緊固件數(shù)沿構(gòu)件寬度發(fā)現(xiàn)的緊固件數(shù)d緊固件孔的直徑緊固件孔的直徑有連接孔構(gòu)件能承有連接孔構(gòu)件能承受的最大載荷與無受的最大載荷與無孔構(gòu)件能承受的最孔構(gòu)件能承受的最大載荷之比。大載荷之比。復合材料連接設計中接頭效率：復合材料連接設計中接頭效率：cJePPJPJ接頭能夠承受的最大載荷；接頭能夠承受的最大載荷；Pc無接頭的完整結(jié)構(gòu)能夠承受的最大載荷無接頭的完整結(jié)構(gòu)能夠承受的最大載荷衡量接頭設衡量接頭設計成功與否計成功與否的重要指標的重要指標復合材料連接設計有質(zhì)量要求時，接頭效率表達式：復合材料連接設計有質(zhì)量

7、要求時，接頭效率表達式：JccJWPeWWPPJJJJP接頭承載效率接頭承載效率 Jw接頭質(zhì)量效率接頭質(zhì)量效率Wc無接頭完整結(jié)構(gòu)的質(zhì)量無接頭完整結(jié)構(gòu)的質(zhì)量 WJ接頭質(zhì)量接頭質(zhì)量 一般一般Je小于小于1，其越接近，其越接近1，說明接頭設，說明接頭設計得越好，即表示結(jié)構(gòu)因連接造成的結(jié)構(gòu)承計得越好，即表示結(jié)構(gòu)因連接造成的結(jié)構(gòu)承載能力損失和質(zhì)量增加減少。載能力損失和質(zhì)量增加減少。5.2 膠接連接膠接連接膠接連接的形式：膠接連接的形式：單面搭接單面搭接雙面搭接雙面搭接斜面搭接斜面搭接階梯形搭接階梯形搭接斜面搭接斜面搭接單面斜接單面斜接雙面斜接雙面斜接階梯形搭接階梯形搭接單面單面階梯階梯形搭接形搭接雙面雙

8、面階梯階梯形搭接形搭接 5.2.1 膠接連接接頭的分析膠接連接接頭的分析單面搭接接頭的受力情況單面搭接接頭的受力情況僅討論不考慮載荷偏僅討論不考慮載荷偏心影響的彈性內(nèi)力心影響的彈性內(nèi)力E1和和E2分別為搭接板分別為搭接板1與與2沿沿x方向的等效拉壓彈性模量方向的等效拉壓彈性模量；t1和和t2分別為搭接板分別為搭接板1與板與板2厚度；厚度； 為膠層厚度；為膠層厚度；G為為膠層剪切模量；膠層剪切模量；P為搭接板單位寬度承受的載荷。為搭接板單位寬度承受的載荷。由拉伸試驗確定的一種材料特由拉伸試驗確定的一種材料特性，物體變形難易程度的表征。性，物體變形難易程度的表征。定義：定義：“在彈性范圍內(nèi)材料的在

9、彈性范圍內(nèi)材料的應力與對應的應變的比率，可應力與對應的應變的比率，可以表示成單位面積的力，用以表示成單位面積的力，用N/m2或或MPa表示表示。材料在比例極限以內(nèi)剪切材料在比例極限以內(nèi)剪切應力與剪切應變之比應力與剪切應變之比 為了分析上的方便，特作如下為了分析上的方便，特作如下假設：假設：（1）忽略載荷偏心引起彎矩的影響）忽略載荷偏心引起彎矩的影響（2）膠層僅承受剪切應力，忽略其正應力）膠層僅承受剪切應力，忽略其正應力（3）膠層所受的剪應力與兩搭接板的相對位移成正比）膠層所受的剪應力與兩搭接板的相對位移成正比依據(jù)假設依據(jù)假設(1)，微元體上不出現(xiàn)彎矩，微元體上不出現(xiàn)彎矩，由微元體平衡條件可得：

10、由微元體平衡條件可得：T1， T2分別為搭接板分別為搭接板1與與板板2的單位寬度的縱向內(nèi)力的單位寬度的縱向內(nèi)力0021dxdTdxdT（54）膠層彈性剪切應力膠層彈性剪切應力受到外力作用而變形受到外力作用而變形時其內(nèi)部材料的顆粒時其內(nèi)部材料的顆粒之間因相對位置改變之間因相對位置改變而產(chǎn)生的相互作用力而產(chǎn)生的相互作用力依據(jù)假設依據(jù)假設(2)和和(3)，膠層彈性剪切應力，膠層彈性剪切應力應變關系應變關系設設1、2分別為搭接板分別為搭接板1與與2的線應變，則按虎克定律可知的線應變，則按虎克定律可知2212222211111tETPtETdxdutETdxdu(5-6)(12uuGG(5-5)（2）膠

11、層僅承受剪切應力，忽略其正應力）膠層僅承受剪切應力，忽略其正應力（3）膠層所受的剪應力與兩搭接板的相對位移成正比）膠層所受的剪應力與兩搭接板的相對位移成正比力學彈性理論中的一條基本定律，表述力學彈性理論中的一條基本定律，表述為：固體材料受力之后，材料中的應力為：固體材料受力之后，材料中的應力與應變與應變(單位變形量單位變形量)之間成線性關系。之間成線性關系。利用式（利用式（54）（）（55）（）（56）可得接頭內(nèi)力的控制方程：）可得接頭內(nèi)力的控制方程：02212212tEGPTdxTd)11(22112tEtEG(5-7)(5-8)0021dxdTdxdT(54)(12uuGG(5-5)0)(

12、121uuGdxdT0)(12212dxdudxduGdxTd2212222211111tETPtETdxdutETdxdu(5-6)0)(211221212tETTETPGdxTd0)(211221212tETTETPGdxTd0)(21122122212tETTETGTEGPdxTd)11(22112tEtEG02212212tEGPTdxTd(5-7)式式(5-7)為二階常微分方程，其一般解為為二階常微分方程，其一般解為2211111)()(tEtEtPExBchxAshT(5-9)02212212tEGPTdxTd(5-7)這里積分常數(shù)這里積分常數(shù)A、B由如下邊界條件確定：由如下邊界條

13、件確定：由此解得由此解得 0 2121lxlxTPT2)()()2)()(22)()()(22)()(2112)()()(22)()(2111221122112211112211222112211112211221lchxshtEtEtEtElshxchPtEtEtElchxchtEtEtEtElshxshPTtEtEtElchxchtEtEtEtElshxshPT(5-11)(5-10)當兩搭接板的厚度和沿當兩搭接板的厚度和沿x方向的等效彈性模量相同時，即方向的等效彈性模量相同時，即則式則式(511)可簡化為：可簡化為：tttEEE2121 ,2)()(22)()(122)()(1221ls

14、hxchPlshxshPTlshxshPT(5-12) 簡化簡化 2EtG(5-13)2lx由式由式(5-12)可知，最大剪應力發(fā)生在可知，最大剪應力發(fā)生在(5-14)11(22112tEtEGEtG22 )2(2 maxlcthP2)()(22)()(122)()(1221lshxchPlshxshPTlshxshPT(5-12) 122llavlPdxl如果引入平均剪應力如果引入平均剪應力av(5-15)2)()(2lshxchP則無量綱的剪應力為：則無量綱的剪應力為：)2()(2lshxchlav(5-16)則無量綱的最大剪應力，即應力集中系數(shù)為：則無量綱的最大剪應力，即應力集中系數(shù)為：

15、)2cth(2maxllav(5-17) 122llavlPdxl )2(2 maxlcthPl/2l/2l/2l/2接頭端部的內(nèi)力和剪應力接頭端部的內(nèi)力和剪應力最大，故破壞首先在這里最大，故破壞首先在這里發(fā)生；另外，剪應力分布發(fā)生；另外，剪應力分布隨隨G/值的減小趨于均勻。值的減小趨于均勻。無量綱的剪應力：無量綱的剪應力：)2()(2lshxchlav(5-16) 2EtG(5-13)搭接長度一定條件下，為了提高搭接接搭接長度一定條件下，為了提高搭接接頭抗剪切破壞的強度，應使粘接劑的剪頭抗剪切破壞的強度，應使粘接劑的剪切彈性模量切彈性模量G低些，膠層厚度大些。低些，膠層厚度大些。單面搭接接頭

16、的基本破壞模式單面搭接接頭的基本破壞模式1-拉伸；拉伸；2-剝離；剝離；3-膠層剪切膠層剪切5.2.2 膠接連接設計膠接連接設計(1) 設計原則設計原則(2) 膠接劑的選擇膠接劑的選擇(1) 設計原則設計原則在任何載荷作用下，對于各種形式的破壞，都在任何載荷作用下，對于各種形式的破壞，都不應使膠接面成為最薄弱的環(huán)節(jié)，且使膠接接不應使膠接面成為最薄弱的環(huán)節(jié)，且使膠接接頭強度要高于膠接構(gòu)件的強度，至少為同量級。頭強度要高于膠接構(gòu)件的強度，至少為同量級。膠接連接設計時要考慮的條件膠接連接設計時要考慮的條件 使膠層在受力方向有足夠的強度；使膠層在受力方向有足夠的強度； 盡量減小應力集中；盡量減小應力集

17、中； 防止接頭端部層合板發(fā)生層間拉伸破壞。防止接頭端部層合板發(fā)生層間拉伸破壞。(2) 膠接劑的選擇膠接劑的選擇 要有較好的綜合力學性能要有較好的綜合力學性能(剪切強度、剪切強度、剝離強度與濕熱老化性能等剝離強度與濕熱老化性能等)； 適用于復合材料之間及復合材料與其他適用于復合材料之間及復合材料與其他材料之間的膠接，有較好的粘接強度；材料之間的膠接，有較好的粘接強度； 工藝性好，使用方便。工藝性好，使用方便。原則原則脆性和韌性膠粘劑剪應力脆性和韌性膠粘劑剪應力-應變特性比較應變特性比較脆性膠粘劑脆性膠粘劑韌性膠粘劑韌性膠粘劑宜在中溫下使用，斷裂宜在中溫下使用，斷裂應變較大，因而使膠層應變較大，因

18、而使膠層的應力集中較小，可承的應力集中較小，可承受較高的疲勞極限應力，受較高的疲勞極限應力，壽命較長。壽命較長。宜在高溫下使用，宜在高溫下使用，在拐點附近即斷裂，在拐點附近即斷裂，疲勞壽命短。疲勞壽命短。(3) 制造方法制造方法 設計人員應該了解膠接連接的成型和加工設計人員應該了解膠接連接的成型和加工過程。設計時盡量減少成型模具和工裝，減過程。設計時盡量減少成型模具和工裝，減少制造成本，保證膠接質(zhì)量。膠接時盡量采少制造成本，保證膠接質(zhì)量。膠接時盡量采用共固化方法。模具的選材和設計，應考慮用共固化方法。模具的選材和設計，應考慮到與固化溫度和固化升溫速率的匹配關系。到與固化溫度和固化升溫速率的匹配

19、關系。(4) 無損檢測無損檢測在結(jié)構(gòu)連接設計時，要考慮到能夠?qū)χ饕诮Y(jié)構(gòu)連接設計時，要考慮到能夠?qū)χ饕z接部位作無損檢測。無損檢測方法：超聲膠接部位作無損檢測。無損檢測方法：超聲波檢驗、波檢驗、x射線檢驗、全息照相和聲發(fā)射等。射線檢驗、全息照相和聲發(fā)射等。 結(jié)構(gòu)連接設計時，要考慮膠接結(jié)構(gòu)的可維修性。結(jié)構(gòu)連接設計時，要考慮膠接結(jié)構(gòu)的可維修性。對不影響膠接強度和能夠滿足壽命要求的脫膠，對不影響膠接強度和能夠滿足壽命要求的脫膠，盡量不返修，或者采用適當?shù)姆椒ǎ粨p傷脫盡量不返修，或者采用適當?shù)姆椒ǎ粨p傷脫膠區(qū)附近的膠接區(qū)。膠區(qū)附近的膠接區(qū)。(5) 可維修性可維修性最簡單的維修方法是在脫膠區(qū)使用緊固

20、件最簡單的維修方法是在脫膠區(qū)使用緊固件連接，或者增加蓋板后再螺栓連接或鉚接。連接，或者增加蓋板后再螺栓連接或鉚接。(6) 成本和質(zhì)量成本和質(zhì)量(7) 試驗試驗 基本性能試驗基本性能試驗 包括復合材料層合板的基包括復合材料層合板的基本性能試驗與膠層剝離試驗、剪切試驗。本性能試驗與膠層剝離試驗、剪切試驗。 設計接頭的驗證試驗設計接頭的驗證試驗 驗證接頭強度是否驗證接頭強度是否達到設計要求。達到設計要求。 接頭的疲勞壽命試驗接頭的疲勞壽命試驗 當膠接構(gòu)件較薄時，宜采用當膠接構(gòu)件較薄時，宜采用簡單的單面搭接或雙面搭接形式。簡單的單面搭接或雙面搭接形式。 當膠接構(gòu)件較厚時，由于偏當膠接構(gòu)件較厚時，由于偏

21、心載荷產(chǎn)生的偏心力矩較大，宜心載荷產(chǎn)生的偏心力矩較大，宜采用階梯形搭接或斜面搭接形式。采用階梯形搭接或斜面搭接形式。強度角度考慮強度角度考慮單面單面階梯階梯形搭接形搭接雙面雙面階梯階梯形搭接形搭接將搭接部分沿全長分成幾段，膠接構(gòu)件將搭接部分沿全長分成幾段，膠接構(gòu)件的厚度象臺階一樣相應地也分成幾層。的厚度象臺階一樣相應地也分成幾層。每層厚度差在每層厚度差在1mm以下，可避免剝離破以下，可避免剝離破壞，并能傳遞較大載荷。壞，并能傳遞較大載荷。5.3 機械連接機械連接搭接搭接適合于受力大、連接適合于受力大、連接構(gòu)件較厚的結(jié)構(gòu)件構(gòu)件較厚的結(jié)構(gòu)件對接對接搭接搭接偏位搭接偏位搭接變厚度搭接變厚度搭接單蓋板

22、對接單蓋板對接雙蓋板對接雙蓋板對接變厚度蓋板對接變厚度蓋板對接對接對接機械連接接頭的應力分析步驟機械連接接頭的應力分析步驟：(1) 對結(jié)構(gòu)部件進行內(nèi)力和變形分析，確定接對結(jié)構(gòu)部件進行內(nèi)力和變形分析，確定接頭的外載荷；頭的外載荷；(2) 對接頭內(nèi)力和變形進行分析，給出各緊固對接頭內(nèi)力和變形進行分析，給出各緊固件載荷和作用于每個緊固件孔的旁路載荷；件載荷和作用于每個緊固件孔的旁路載荷；(3) 緊固件的應力分析；緊固件的應力分析；(4) 有載孔或無載孔板的應力、應變分析；有載孔或無載孔板的應力、應變分析；(5) 接頭的破壞分析。接頭的破壞分析。緊固件的破壞分析緊固件的破壞分析連接板的破壞分析連接板的

23、破壞分析剪切剪切破壞破壞擠壓擠壓破壞破壞拉伸拉伸破壞破壞破壞形式破壞形式(1) 緊固件的破壞分析緊固件的破壞分析 鉚釘連接鉚釘連接剪切破壞剪切破壞擠壓破壞擠壓破壞拉伸破壞拉伸破壞破壞形式破壞形式kdPbs42一個鉚釘受一個鉚釘受剪面的數(shù)目剪面的數(shù)目鉚釘?shù)闹睆姐T釘?shù)闹睆姐T釘?shù)募羟秀T釘?shù)募羟衅茐膽ζ茐膽BdtPminbTdP42擠壓破壞擠壓破壞拉伸破壞拉伸破壞連接板與鉚釘連連接板與鉚釘連接的最小厚度接的最小厚度鉚釘材料在擠壓方向鉚釘材料在擠壓方向的等效擠壓破壞應力的等效擠壓破壞應力鉚釘?shù)睦煦T釘?shù)睦炱茐膽ζ茐膽sdP42BBBdtKPbTdP421拉伸破壞 螺釘連接螺釘連接剪切破壞擠

24、壓破壞d1螺紋內(nèi)徑b螺釘材料的拉伸破壞應力d 螺釘直徑b 螺釘?shù)钠茐募魬 連接板的厚度KB 擠壓系數(shù)B螺釘材料在擠壓方向的等效擠壓破壞壓力(2)連接板的破壞分析連接板的破壞分析剪切破壞剪切破壞擠壓破壞擠壓破壞由于復合材料層合板的由于復合材料層合板的各向異性，延性差，層各向異性，延性差，層間強度低等特性，使復間強度低等特性，使復合材料連接扳的破壞形合材料連接扳的破壞形式較為復雜。式較為復雜。拉伸破壞拉伸破壞拉伸破壞拉伸破壞當連接板寬度當連接板寬度w與孔直與孔直徑徑d之比較小時，連接之比較小時，連接板有可能被拉斷。板有可能被拉斷。破壞載荷破壞載荷bTtdP垂直于拉伸載荷方向的垂直于拉伸載荷方向

25、的同一截面有同一截面有n n個孔時個孔時bTtndP連接板有孔連接板有孔處的厚度處的厚度連接板的拉連接板的拉伸破壞應力伸破壞應力剪切破壞剪切破壞當連接板端距當連接板端距e與孔直徑與孔直徑d之比較小時，連接板有之比較小時，連接板有可能發(fā)生剪切拉脫破壞。可能發(fā)生剪切拉脫破壞。bsetP2破壞載荷破壞載荷連接板有孔連接板有孔處的厚度處的厚度連接板的拉連接板的拉伸破壞應力伸破壞應力BBdtP擠壓破壞擠壓破壞當當w/d、e/d均較大時，均較大時，往往連接板孔邊被擠壓往往連接板孔邊被擠壓而發(fā)生分層破壞。而發(fā)生分層破壞。BBndtP破壞載荷破壞載荷連接板的等效連接板的等效擠壓破壞應力擠壓破壞應力同一截面有同

26、一截面有n n個孔時個孔時5.3.2 機械連接設計機械連接設計A 機械連接設計原則機械連接設計原則B 機械連接形式的選擇機械連接形式的選擇C 緊固件的選擇緊固件的選擇D 連接板設計連接板設計E 設計參數(shù)的確定設計參數(shù)的確定F 許用應力與安全系數(shù)的確定許用應力與安全系數(shù)的確定(1) 在適當選擇邊距和端距的條件下，主在適當選擇邊距和端距的條件下，主要應滿足擠壓強度和拉脫強度的要求；要應滿足擠壓強度和拉脫強度的要求；(2) 盡量不采用過盈配合；盡量不采用過盈配合；(3) 連接接頭的質(zhì)量要輕。連接接頭的質(zhì)量要輕。A 機械連接設計原則機械連接設計原則 在任何載荷作用下，對于各種形式的破壞，在任何載荷作用下，對于各種形式的破壞，都不應使連接板發(fā)生拉伸或剪切拉脫破壞，而應都不應使連接板發(fā)生拉伸或剪切拉脫破壞，而應使接頭產(chǎn)生擠壓破壞，且使機械連接接頭強度耍