第五章复合材料连接

5.复合材料连接复合材料连接复合材料构件之间的连接复合材料构件与其他材料构件之间的连接5.1复合材料连接方式胶接连接机械连接对于受力不大的薄壁结构，尤其是复合材料结构，应尽量采用胶接连接。连接构件较厚、受力大的结构，多采用螺栓连接或铆接等机械连接。用螺钉、螺栓和铆钉等紧固件将两种分离型材或零件连接成一个复杂零件或部件借助胶粘剂在固体表面上产生的粘合力，将同种或不同种材料牢固地连接在一起钢筋的机械连接钢筋的机械连接5.1.1胶接与机械连接的比较胶接连接(1)不削弱构件截面以及由此引起的应力集中等；(2)连接部位质量较轻；(3)成本低；(4)耐腐蚀性好；(5)永久变形小。(1)胶接表面必须仔细清理；(2)强度分散性大，胶接强度受温湿环境的影响较大；(3)胶接质量检验较困难；(4)多数情况下胶接具有不可拆卸性。与金属材料构件之间的胶接连接相比复合材料胶接连接持点(1)金属胶接接头易在胶层产生剥离破坏，而复合材料由于层间强度低，易在层间产生剥离破坏；(2)由于复合材料构件与金属构件之间的热膨胀系数相差很大，所以这两者连接会产生较大的内应力；(3)可以采用共固化技术。机械连接(1)表面无须仔细清理即能获得较大的连接强度；(2)强度分散性小，(3)抗剥离能力大；(4)易于拆卸。(1)开孔需削弱构件截面，且引起应力集中等；(2)接头质量较大；(3)成本高；(4)可能有电化腐蚀问题；(5)永久变形大。机械连接的优缺点正好与胶接的相反与金属材料构件之间的机械连接相比，复合材料连接特点：(1)由于复合材料易产生分层，故连接时应尽量避免过盈配合；(2)象胶接一样，复合材料构件与金属构件之间机械连接同样会产生较大的内应力。过盈是指孔的尺寸减去相配合的轴的尺寸之差为负。过盈配合是指具有过盈(包括最小过盈等于零)的配合。5.1.2接头效率金属构件受拉剪的机械连接中，连接的接头效率：wndwJe)(w—连续构件宽度n—沿构件宽度发现的紧固件数d—紧固件孔的直径有连接孔构件能承受的最大载荷与无孔构件能承受的最大载荷之比。复合材料连接设计中接头效率：cJePPJPJ——接头能够承受的最大载荷；Pc——无接头的完整结构能够承受的最大载荷衡量接头设计成功与否的重要指标复合材料连接设计有质量要求时，接头效率表达式：JccJWPeWWPPJJJJP—接头承载效率Jw—接头质量效率Wc—无接头完整结构的质量WJ—接头质量一般Je小于1，其越接近1，说明接头设计得越好，即表示结构因连接造成的结构承载能力损失和质量增加减少。5.2胶接连接胶接连接的形式：单面搭接双面搭接斜面搭接阶梯形搭接斜面搭接单面斜接双面斜接阶梯形搭接单面阶梯形搭接双面阶梯形搭接5.2.1胶接连接接头的分析单面搭接接头的受力情况仅讨论不考虑载荷偏心影响的弹性内力E1和E2分别为搭接板1与2沿x方向的等效拉压弹性模量；t1和t2分别为搭接板1与板2厚度；η为胶层厚度；G为胶层剪切模量；P为搭接板单位宽度承受的载荷。由拉伸试验确定的一种材料特性，物体变形难易程度的表征。定义：“在弹性范围内材料的应力与对应的应变的比率，可以表示成单位面积的力，用N/m2或MPa表示。材料在比例极限以内剪切应力与剪切应变之比为了分析上的方便，特作如下假设：（1）忽略载荷偏心引起弯矩的影响（2）胶层仅承受剪切应力，忽略其正应力（3）胶层所受的剪应力与两搭接板的相对位移成正比依据假设(1)，微元体上不出现弯矩，由微元体平衡条件可得：T1，T2—分别为搭接板1与板2的单位宽度的纵向内力0021dxdTdxdT（5－4）胶层弹性剪切应力受到外力作用而变形时其内部材料的颗粒之间因相对位置改变而产生的相互作用力依据假设(2)和(3)，胶层弹性剪切应力—应变关系设ε1、ε2分别为搭接板1与2的线应变，则按虎克定律可知2212222211111tETPtETdxdutETdxdu(5-6))(12uuGG(5-5)（2）胶层仅承受剪切应力，忽略其正应力（3）胶层所受的剪应力与两搭接板的相对位移成正比力学弹性理论中的一条基本定律，表述为：固体材料受力之后，材料中的应力与应变(单位变形量)之间成线性关系。利用式（5－4）（5－5）（5－6）可得接头内力的控制方程：02212212tEGPTdxTd)11(22112tEtEG(5-7)(5-8)0021dxdTdxdT(5－4))(12uuGG(5-5)0)(121uuGdxdT0)(12212dxdudxduGdxTd2212222211111tETPtETdxdutETdxdu(5-6)0)(211221212tETTETPGdxTd0)(211221212tETTETPGdxTd0)(21122122212tETTETGTEGPdxTd)11(22112tEtEG02212212tEGPTdxTd(5-7)式(5-7)为二阶常微分方程，其一般解为2211111)()(tEtEtPExBchxAshT(5-9)02212212tEGPTdxTd(5-7)这里积分常数A、B由如下边界条件确定：由此解得02121lxlxTPT2)()()2)()(22)()()(22)()(2112)()()(22)()(2111221122112211112211222112211112211221lchxshtEtEtEtElshxchPtEtEtElchxchtEtEtEtElshxshPTtEtEtElchxchtEtEtEtElshxshPT(5-11)(5-10)当两搭接板的厚度和沿x方向的等效弹性模量相同时，即则式(5－11)可简化为：tttEEE2121,2)()(22)()(122)()(1221lshxchPlshxshPTlshxshPT(5-12)λ简化2EtG(5-13)2lx由式(5-12)可知，最大剪应力发生在(5-14))11(22112tEtEGEtG22)2(2maxlcthP2)()(22)()(122)()(1221lshxchPlshxshPTlshxshPT(5-12)122llavlPdxl如果引入平均剪应力τav(5-15)2)()(2lshxchP则无量纲的剪应力为：)2()(2lshxchlav(5-16)则无量纲的最大剪应力，即应力集中系数为：)2cth(2maxllav(5-17)122llavlPdxl)2(2maxlcthPl/2l/2l/2l/2接头端部的内力和剪应力最大，故破坏首先在这里发生；另外，剪应力分布随G/η值的减小趋于均匀。无量纲的剪应力：)2()(2lshxchlav(5-16)2EtG(5-13)搭接长度一定条件下，为了提高搭接接头抗剪切破坏的强度，应使粘接剂的剪切弹性模量G低些，胶层厚度大些。单面搭接接头的基本破坏模式1-拉伸；2-剥离；3-胶层剪切5.2.2胶接连接设计(1)设计原则(2)胶接剂的选择(1)设计原则在任何载荷作用下，对于各种形式的破坏，都不应使胶接面成为最薄弱的环节，且使胶接接头强度要高于胶接构件的强度，至少为同量级。胶接连接设计时要考虑的条件①使胶层在受力方向有足够的强度；②尽量减小应力集中；③防止接头端部层合板发生层间拉伸破坏。(2)胶接剂的选择①要有较好的综合力学性能(剪切强度、剥离强度与湿热老化性能等)；②适用于复合材料之间及复合材料与其他材料之间的胶接，有较好的粘接强度；③工艺性好，使用方便。原则脆性和韧性胶粘剂剪应力-应变特性比较τγ脆性胶粘剂韧性胶粘剂宜在中温下使用，断裂应变较大，因而使胶层的应力集中较小，可承受较高的疲劳极限应力，寿命较长。宜在高温下使用，在拐点附近即断裂，疲劳寿命短。(3)制造方法设计人员应该了解胶接连接的成型和加工过程。设计时尽量减少成型模具和工装，减少制造成本，保证胶接质量。胶接时尽量采用共固化方法。模具的选材和设计，应考虑到与固化温度和固化升温速率的匹配关系。(4)无损检测在结构连接设计时，要考虑到能够对主要胶接部位作无损检测。无损检测方法：超声波检验、x射线检验、全息照相和声发射等。结构连接设计时，要考虑胶接结构的可维修性。对不影响胶接强度和能够满足寿命要求的脱胶，尽量不返修，或者采用适当的方法，不损伤脱胶区附近的胶接区。(5)可维修性最简单的维修方法是在脱胶区使用紧固件连接，或者增加盖板后再螺栓连接或铆接。(6)成本和质量(7)试验①基本性能试验包括复合材料层合板的基本性能试验与胶层剥离试验、剪切试验。②设计接头的验证试验验证接头强度是否达到设计要求。③接头的疲劳寿命试验当胶接构件较薄时，宜采用简单的单面搭接或双面搭接形式。当胶接构件较厚时，由于偏心载荷产生的偏心力矩较大，宜采用阶梯形搭接或斜面搭接形式。强度角度考虑单面阶梯形搭接双面阶梯形搭接将搭接部分沿全长分成几段，胶接构件的厚度象台阶一样相应地也分成几层。每层厚度差在1mm以下，可避免剥离破坏，并能传递较大载荷。5.3机械连接搭接适合于受力大、连接构件较厚的结构件对接搭接偏位搭接变厚度搭接单盖板对接双盖板对接变厚度盖板对接对接机械连接接头的应力分析步骤：(1)对结构部件进行内力和变形分析，确定接头的外载荷；(2)对接头内力和变形进行分析，给出各紧固件载荷和作用于每个紧固件孔的旁路载荷；(3)紧固件的应力分析；(4)有载孔或无载孔板的应力、应变分析；(5)接头的破坏分析。紧固件的破坏分析连接板的破坏分析剪切破坏挤压破坏拉伸破坏破坏形式(1)紧固件的破坏分析①铆钉连接剪切破坏挤压破坏拉伸破坏破坏形式kdPbs42一个铆钉受剪面的数目铆钉的直径铆钉的剪切破坏应力BBdtPminbTdP42挤压破坏拉伸破坏连接板与铆钉连接的最小厚度铆钉材料在挤压方向的等效挤压破坏应力铆钉的拉伸破坏应力bsdP42BBBdtKPbTdP421拉伸破坏②螺钉连接剪切破坏挤压破坏d1—螺纹内径σb—螺钉材料的拉伸破坏应力d—螺钉直径τb—螺钉的破坏剪应力t—连接板的厚度KB—挤压系数σB—螺钉材料在挤压方向的等效挤压破坏压力(2)连接板的破坏分析剪切破坏挤压破坏由于复合材料层合板的各向异性，延性差，层间强度低等特性，使复合材料连接扳的破坏形式较为复杂。拉伸破坏拉伸破坏当连接板宽度w与孔直径d之比较小时，连接板有可能被拉断。破坏载荷bTtdP垂直于拉伸载荷方向的同一截面有n个孔时bTtndP连接板有孔处的厚度连接板的拉伸破坏应力剪切破坏当连接板端距e与孔直径d之比较小时，连接板有可能发生剪切拉脱破坏。bsetP2破坏载荷连接板有孔处的厚度连接板的拉伸破坏应力BBdtP挤压破坏当w/d、e/d均较大时，往往连接板孔边被挤压而发生分层破坏。BBndtP破坏载荷连接板的等效挤压破坏应力同一截面有n个孔时5.3.2机械连接设计A机械连接设计原则B机械连接形式的选择C紧固件的选择D连接板设计E设计参数的确定F许用应力与安全系数的确定(1)在适当选择边距和端距的条件下，主要应满足挤压强度和拉脱强度的要求；(2)尽量不采用过盈配合；(3)连接接头的质量要轻。A机械连接设计原则在任何载荷作用下，对于各种形式的破坏，都不应使连接板发生拉伸或剪切拉脱破坏，而应使接头产生挤压破坏，且使机械连接接头强度耍高于连接构件的强度，至少为同量级。B机械连接形式的选择单搭接和单盖板对接都会产生附加弯距；双盖板对接能够避