第五章复合材料连接

1、5. 复合材料连接复合材料连接复合材料连接复合材料连接复合材料构件复合材料构件之间的连接之间的连接复合材料构件与其他复合材料构件与其他材料构件之间的连接材料构件之间的连接5.1 复合材料连接方式复合材料连接方式胶接连接胶接连接机械连接机械连接对于受力不大的薄对于受力不大的薄壁结构，尤其是复壁结构，尤其是复合材料结构，应尽合材料结构，应尽量采用胶接连接。量采用胶接连接。连接构件较厚、受连接构件较厚、受力大的结构，多采力大的结构，多采用螺栓连接或铆接用螺栓连接或铆接等机械连接。等机械连接。用螺钉、螺栓和铆钉用螺钉、螺栓和铆钉等紧固件将两种分离等紧固件将两种分离型材或零件连接成一型材或零件连接成一个

2、复杂零件或部件个复杂零件或部件借助胶粘剂在固体表借助胶粘剂在固体表面上产生的粘合力，面上产生的粘合力，将同种或不同种材料将同种或不同种材料牢固地连接在一起牢固地连接在一起钢筋的机械连接钢筋的机械连接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与机械连接的比较胶接连接胶接连接(1) 不削弱构件截面以及由不削弱构件截面以及由此引起的应力集中等；此引起的应力集中等；(2) 连接部位质量较轻；连接部位质量较轻；(3) 成本低；成本低；(4) 耐腐蚀性好；耐腐蚀性好；(5) 永久变形小。永久变形小。(1) 胶接表面必须仔细清理；胶接表面必须仔细清理；(2) 强度分散性大，胶接强度强度

3、分散性大，胶接强度受温湿环境的影响较大；受温湿环境的影响较大；(3) 胶接质量检验较困难；胶接质量检验较困难；(4) 多数情况下胶接具有不可多数情况下胶接具有不可拆卸性。拆卸性。 与金属材料构件之与金属材料构件之间的胶接连接相比间的胶接连接相比复合材料胶接连接持点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，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，易在层间而复合材料由于层间强度低，易在层间产生剥离破坏；产生剥离破坏； (2) 由于复合材料构件与金属构件之间的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，所以这两者连接热膨胀系数相差很大，所以这两者连接

4、会产生较大的内应力；会产生较大的内应力； (3) 可以采用共固化技术。可以采用共固化技术。机械连接机械连接(1)表面无须仔细清理即能表面无须仔细清理即能获得较大的连接强度；获得较大的连接强度；(2)强度分散性小，强度分散性小，(3)抗剥离能力大；抗剥离能力大；(4)易于拆卸。易于拆卸。(1)开孔需削弱构件截面，开孔需削弱构件截面，且引起应力集中等；且引起应力集中等；(2)接头质量较大；接头质量较大；(3)成本高；成本高；(4)可能有电化腐蚀问题；可能有电化腐蚀问题；(5)永久变形大。永久变形大。机械连接的优缺点正好与胶接的相反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与金属材料

5、构件之间的机械连接相比，复合材料连接特点：接相比，复合材料连接特点： (1) 由于复合材料易产生分层，故连接时应尽由于复合材料易产生分层，故连接时应尽量避免过盈配合；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。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过盈是指孔的尺寸减去相配合的轴的尺寸之差为负。尺寸之差为负。 过盈配合是指具有过过盈配合是指具有过盈盈(包括最小过盈等于零包括最小过盈等于零)的配合。的配合。 5.1.2 接头效接头效率率金属构件受拉剪的机械连接中，连接的接头效率：金属构

6、件受拉剪的机械连接中，连接的接头效率：wndwJe)(w连续构件宽度连续构件宽度n沿构件宽度发现的紧固件数沿构件宽度发现的紧固件数d紧固件孔的直径紧固件孔的直径有连接孔构件能承有连接孔构件能承受的最大载荷与无受的最大载荷与无孔构件能承受的最孔构件能承受的最大载荷之比。大载荷之比。复合材料连接设计中接头效率：复合材料连接设计中接头效率：cJePPJPJ接头能够承受的最大载荷；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无接头的完整结构能够承受的最大载荷衡量接头设衡量接头设计成功与否计成功与否的重要指标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：复合材料连接设计有质量

7、要求时，接头效率表达式：JccJWPeWWPPJJJJP接头承载效率接头承载效率 Jw接头质量效率接头质量效率Wc无接头完整结构的质量无接头完整结构的质量 WJ接头质量接头质量 一般一般Je小于小于1，其越接近，其越接近1，说明接头设，说明接头设计得越好，即表示结构因连接造成的结构承计得越好，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。载能力损失和质量增加减少。5.2 胶接连接胶接连接胶接连接的形式：胶接连接的形式：单面搭接单面搭接双面搭接双面搭接斜面搭接斜面搭接阶梯形搭接阶梯形搭接斜面搭接斜面搭接单面斜接单面斜接双面斜接双面斜接阶梯形搭接阶梯形搭接单面单面阶梯阶梯形搭接形搭接双面双

8、面阶梯阶梯形搭接形搭接 5.2.1 胶接连接接头的分析胶接连接接头的分析单面搭接接头的受力情况单面搭接接头的受力情况仅讨论不考虑载荷偏仅讨论不考虑载荷偏心影响的弹性内力心影响的弹性内力E1和和E2分别为搭接板分别为搭接板1与与2沿沿x方向的等效拉压弹性模量方向的等效拉压弹性模量；t1和和t2分别为搭接板分别为搭接板1与板与板2厚度；厚度； 为胶层厚度；为胶层厚度；G为为胶层剪切模量；胶层剪切模量；P为搭接板单位宽度承受的载荷。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。性，物体变形难易程度的表征。定义：定义：“在弹性范围内材料的在

9、弹性范围内材料的应力与对应的应变的比率，可应力与对应的应变的比率，可以表示成单位面积的力，用以表示成单位面积的力，用N/m2或或MPa表示表示。材料在比例极限以内剪切材料在比例极限以内剪切应力与剪切应变之比应力与剪切应变之比 为了分析上的方便，特作如下为了分析上的方便，特作如下假设：假设：（1）忽略载荷偏心引起弯矩的影响）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）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）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依据假设(1)，微元体上不出现弯矩，微元体上不出现弯矩，由微元体平衡条件可得：

10、由微元体平衡条件可得：T1， T2分别为搭接板分别为搭接板1与与板板2的单位宽度的纵向内力的单位宽度的纵向内力0021dxdTdxdT（54）胶层弹性剪切应力胶层弹性剪切应力受到外力作用而变形受到外力作用而变形时其内部材料的颗粒时其内部材料的颗粒之间因相对位置改变之间因相对位置改变而产生的相互作用力而产生的相互作用力依据假设依据假设(2)和和(3)，胶层弹性剪切应力，胶层弹性剪切应力应变关系应变关系设设1、2分别为搭接板分别为搭接板1与与2的线应变，则按虎克定律可知的线应变，则按虎克定律可知2212222211111tETPtETdxdutETdxdu(5-6)(12uuGG(5-5)（2）胶

11、层仅承受剪切应力，忽略其正应力）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）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，材料中的应力为：固体材料受力之后，材料中的应力与应变与应变(单位变形量单位变形量)之间成线性关系。之间成线性关系。利用式（利用式（54）（）（55）（）（56）可得接头内力的控制方程：）可得接头内力的控制方程：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)为二阶常微分方程，其一般解为为二阶常微分方程，其一般解为2211111)()(tEtEtPExBchxAshT(5-9)02212212tEGPTdxTd(5-7)这里积分常数这里积分常数A、B由如下边界条件确定：由如下边界条

13、件确定：由此解得由此解得 0 2121lxlxTPT2)()()2)()(22)()()(22)()(2112)()()(22)()(2111221122112211112211222112211112211221lchxshtEtEtEtElshxchPtEtEtElchxchtEtEtEtElshxshPTtEtEtElchxchtEtEtEtElshxshPT(5-11)(5-10)当两搭接板的厚度和沿当两搭接板的厚度和沿x方向的等效弹性模量相同时，即方向的等效弹性模量相同时，即则式则式(511)可简化为：可简化为：tttEEE2121 ,2)()(22)()(122)()(1221ls

14、hxchPlshxshPTlshxshPT(5-12) 简化简化 2EtG(5-13)2lx由式由式(5-12)可知，最大剪应力发生在可知，最大剪应力发生在(5-14)11(22112tEtEGEtG22 )2(2 maxlcthP2)()(22)()(122)()(1221lshxchPlshxshPTlshxshPT(5-12) 122llavlPdxl如果引入平均剪应力如果引入平均剪应力av(5-15)2)()(2lshxchP则无量纲的剪应力为：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：则无量纲的最大剪应力，即应力集中系数为：

15、)2cth(2maxllav(5-17) 122llavlPdxl )2(2 maxlcthPl/2l/2l/2l/2接头端部的内力和剪应力接头端部的内力和剪应力最大，故破坏首先在这里最大，故破坏首先在这里发生；另外，剪应力分布发生；另外，剪应力分布随随G/值的减小趋于均匀。值的减小趋于均匀。无量纲的剪应力：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，应使粘接剂的剪头抗剪切破坏的强度，应使粘接剂的剪切弹性模量切弹性模量G低些，胶层厚度大些。低些，胶层厚度大些。单面搭接接头

16、的基本破坏模式单面搭接接头的基本破坏模式1-拉伸；拉伸；2-剥离；剥离；3-胶层剪切胶层剪切5.2.2 胶接连接设计胶接连接设计(1) 设计原则设计原则(2) 胶接剂的选择胶接剂的选择(1) 设计原则设计原则在任何载荷作用下，对于各种形式的破坏，都在任何载荷作用下，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。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胶接连接设计时要考虑的条件 使胶层在受力方向有足够的强度；使胶层在受力方向有足够的强度； 尽量减小应力集中；尽量减小应力集

17、中； 防止接头端部层合板发生层间拉伸破坏。防止接头端部层合板发生层间拉伸破坏。(2) 胶接剂的选择胶接剂的选择 要有较好的综合力学性能要有较好的综合力学性能(剪切强度、剪切强度、剥离强度与湿热老化性能等剥离强度与湿热老化性能等)； 适用于复合材料之间及复合材料与其他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；材料之间的胶接，有较好的粘接强度； 工艺性好，使用方便。工艺性好，使用方便。原则原则脆性和韧性胶粘剂剪应力脆性和韧性胶粘剂剪应力-应变特性比较应变特性比较脆性胶粘剂脆性胶粘剂韧性胶粘剂韧性胶粘剂宜在中温下使用，断裂宜在中温下使用，断裂应变较大，因而使胶层应变较大，因

18、而使胶层的应力集中较小，可承的应力集中较小，可承受较高的疲劳极限应力，受较高的疲劳极限应力，寿命较长。寿命较长。宜在高温下使用，宜在高温下使用，在拐点附近即断裂，在拐点附近即断裂，疲劳寿命短。疲劳寿命短。(3) 制造方法制造方法 设计人员应该了解胶接连接的成型和加工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。到与固化温度和固化升温速率的匹配

19、关系。(4) 无损检测无损检测在结构连接设计时，要考虑到能够对主要在结构连接设计时，要考虑到能够对主要胶接部位作无损检测。无损检测方法：超声胶接部位作无损检测。无损检测方法：超声波检验、波检验、x射线检验、全息照相和声发射等。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。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，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。胶区附近的胶接区。(5) 可维修性可维修性最简单的维修方法是在脱胶区使用紧固

20、件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。连接，或者增加盖板后再螺栓连接或铆接。(6) 成本和质量成本和质量(7) 试验试验 基本性能试验基本性能试验 包括复合材料层合板的基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。本性能试验与胶层剥离试验、剪切试验。 设计接头的验证试验设计接头的验证试验 验证接头强度是否验证接头强度是否达到设计要求。达到设计要求。 接头的疲劳寿命试验接头的疲劳寿命试验 当胶接构件较薄时，宜采用当胶接构件较薄时，宜采用简单的单面搭接或双面搭接形式。简单的单面搭接或双面搭接形式。 当胶接构件较厚时，由于偏当胶接构件较厚时，由于偏

21、心载荷产生的偏心力矩较大，宜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。采用阶梯形搭接或斜面搭接形式。强度角度考虑强度角度考虑单面单面阶梯阶梯形搭接形搭接双面双面阶梯阶梯形搭接形搭接将搭接部分沿全长分成几段，胶接构件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。的厚度象台阶一样相应地也分成几层。每层厚度差在每层厚度差在1mm以下，可避免剥离破以下，可避免剥离破坏，并能传递较大载荷。坏，并能传递较大载荷。5.3 机械连接机械连接搭接搭接适合于受力大、连接适合于受力大、连接构件较厚的结构件构件较厚的结构件对接对接搭接搭接偏位搭接偏位搭接变厚度搭接变厚度搭接单盖板

22、对接单盖板对接双盖板对接双盖板对接变厚度盖板对接变厚度盖板对接对接对接机械连接接头的应力分析步骤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，确定接对结构部件进行内力和变形分析，确定接头的外载荷；头的外载荷；(2) 对接头内力和变形进行分析，给出各紧固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；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；紧固件的应力分析；(4) 有载孔或无载孔板的应力、应变分析；有载孔或无载孔板的应力、应变分析；(5) 接头的破坏分析。接头的破坏分析。紧固件的破坏分析紧固件的破坏分析连接板的破坏分析连接板的

23、破坏分析剪切剪切破坏破坏挤压挤压破坏破坏拉伸拉伸破坏破坏破坏形式破坏形式(1) 紧固件的破坏分析紧固件的破坏分析 铆钉连接铆钉连接剪切破坏剪切破坏挤压破坏挤压破坏拉伸破坏拉伸破坏破坏形式破坏形式kdPbs42一个铆钉受一个铆钉受剪面的数目剪面的数目铆钉的直径铆钉的直径铆钉的剪切铆钉的剪切破坏应力破坏应力BBdtPminbTdP42挤压破坏挤压破坏拉伸破坏拉伸破坏连接板与铆钉连连接板与铆钉连接的最小厚度接的最小厚度铆钉材料在挤压方向铆钉材料在挤压方向的等效挤压破坏应力的等效挤压破坏应力铆钉的拉伸铆钉的拉伸破坏应力破坏应力bsdP42BBBdtKPbTdP421拉伸破坏 螺钉连接螺钉连接剪切破坏挤

24、压破坏d1螺纹内径b螺钉材料的拉伸破坏应力d 螺钉直径b 螺钉的破坏剪应力t 连接板的厚度KB 挤压系数B螺钉材料在挤压方向的等效挤压破坏压力(2)连接板的破坏分析连接板的破坏分析剪切破坏剪切破坏挤压破坏挤压破坏由于复合材料层合板的由于复合材料层合板的各向异性，延性差，层各向异性，延性差，层间强度低等特性，使复间强度低等特性，使复合材料连接扳的破坏形合材料连接扳的破坏形式较为复杂。式较为复杂。拉伸破坏拉伸破坏拉伸破坏拉伸破坏当连接板宽度当连接板宽度w与孔直与孔直径径d之比较小时，连接之比较小时，连接板有可能被拉断。板有可能被拉断。破坏载荷破坏载荷bTtdP垂直于拉伸载荷方向的垂直于拉伸载荷方向

25、的同一截面有同一截面有n n个孔时个孔时bTtndP连接板有孔连接板有孔处的厚度处的厚度连接板的拉连接板的拉伸破坏应力伸破坏应力剪切破坏剪切破坏当连接板端距当连接板端距e与孔直径与孔直径d之比较小时，连接板有之比较小时，连接板有可能发生剪切拉脱破坏。可能发生剪切拉脱破坏。bsetP2破坏载荷破坏载荷连接板有孔连接板有孔处的厚度处的厚度连接板的拉连接板的拉伸破坏应力伸破坏应力BBdtP挤压破坏挤压破坏当当w/d、e/d均较大时，均较大时，往往连接板孔边被挤压往往连接板孔边被挤压而发生分层破坏。而发生分层破坏。BBndtP破坏载荷破坏载荷连接板的等效连接板的等效挤压破坏应力挤压破坏应力同一截面有同

26、一截面有n n个孔时个孔时5.3.2 机械连接设计机械连接设计A 机械连接设计原则机械连接设计原则B 机械连接形式的选择机械连接形式的选择C 紧固件的选择紧固件的选择D 连接板设计连接板设计E 设计参数的确定设计参数的确定F 许用应力与安全系数的确定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；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；尽量不采用过盈配合；(3) 连接接头的质量要轻。连接接头的质量要轻。A 机械连接设计原则机械连接设计原则 在任何载荷作用下，对于各种形式的破坏，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