复合材料连接

复合材料连接，包括复合材料构件之间和复合材料构件与其它材料构件之间的连接，在复合材料结构中对结构的安全与可靠性具有十分重要的作用。由于复合材料强度和刚度的各向异性，以及复合材料层间强度较低，延性小等特点，致使复合材料连接部位的设计与分析要比金属连接复杂。复合材料连接2023/9/2weizhou@1§5.1复合材料连接方式5.1.1胶接与机械连接的比较5.1.2接头效率复合材料连接方式主要分为两大类：胶接连接与机械连接。在设计中，采用哪种连接，需要根据具体使用条件来确定。胶接连接：受力不大的薄壁结构，尤其是复合材料结构；机械连接：连接构件较厚、受力大的结构。5.1复合材料连接方式2023/9/2weizhou@35.1.1胶接与机械连接的比较2023/9/2weizhou@4优点不削弱构件截面以及由此引起的应力集中等连接部位的质量较轻成本低耐腐蚀性好永久变形小缺点胶接表面必须仔细清理强度分散性大，且胶接强度受温湿环境的影响较大胶接质量的检验较困难多数情况下胶接具有不可拆卸性胶接5.1.1胶接与机械连接的比较2023/9/2weizhou@5优点表面无须仔细清理即可获得较大的连接强度强度分散性小抗剥离能力大易于拆卸缺点开孔须削弱构件截面，且引起应力集中等接头质量较大成本高可能有电化腐蚀问题永久变形大机械连接可见，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，复合材料连接还具有如下特点：由于复合材料易产生分层，故连接时应尽量避免过盈配合；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。复合材料连接时，应综合考虑各种使用要求，选择合适的连接方式，发挥其优点，正确处理其缺点。实践证明，连接设计好的结构，不但可以减轻质量，而且可以延长结构的使用寿命，满足各种使用要求。5.1.1胶接与机械连接的比较2023/9/2weizhou@6过盈是指在连接中孔的直径小于轴的直径，此时孔与轴的配合称为过盈配合。过盈配合也叫静配合，用于孔、轴间的紧固连接，不允许两者之间有相对运动。5.1.2接头效率2023/9/2weizhou@7在金属构件受拉剪的机械连接中，用下式表示连接的接头效率：(5-1)

式中：上式表明，接头效率是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也采用类似的接头效率作为衡量接头设计成功与否的重要指标：5.1.2接头效率2023/9/2weizhou@8(5-2)

式中：

5.1.2接头效率2023/9/2weizhou@9对于复合材料连接设计有质量要求时，往往采用如下的接头效率表达式：(5-3)

式中：

§5.2胶接连接5.2.1胶接连接接头的分析5.2.2胶接连接设计5.2胶接连接2023/9/2weizhou@11

5.2.1胶接连接接头的分析2023/9/2weizhou@12为了确保胶接连接安全可靠，避免胶接连接接头的提前破坏，必须正确分析胶接连接接头的内力与应力。以单面搭接为例来说明胶接连接接头的内力与应力分析计算。

5.2.1胶接连接接头的分析2023/9/2weizhou@135.2.1胶接连接接头的分析2023/9/2weizhou@14(5-4)根据假设1，由微元体的平衡条件可得：根据假设2和3，胶层的剪切应力-应变关系为：(5-5)5.2.1胶接连接接头的分析2023/9/2weizhou@15

(5-6)利用式(5-4)(5-5)(5-6)可得接头内力的控制方程：(5-7)式中：(5-8)5.2.1胶接连接接头的分析2023/9/2weizhou@16式(5-7)为二阶常微分方程，其一般解为：(5-9)

(5-10)

5.2.1胶接连接接头的分析2023/9/2weizhou@17由此解得：(5-11)

5.2.1胶接连接接头的分析2023/9/2weizhou@18(5-12)这时λ也可简化为：(5-13)最大剪应力发生在处：(5-14)5.2.1胶接连接接头的分析2023/9/2weizhou@19

(5-15)则无量纲的剪应力为：(5-16)而无量纲化的最大剪应力为：(5-17)由以上分析可知，接头端部的内力和剪应力最大，故破坏最容易在这里发生。5.2.1胶接连接接头的分析2023/9/2weizhou@20A胶接连接设计应考虑的主要因素设计原则①使胶层在受力方向有足够的强度②尽量减少应力集中③防止接头端部层合板发生层间拉伸破坏胶粘剂的选择①要有较好的综合力学性能②有较好的粘接强度③工艺性好，使用方便5.2.2胶接连接设计2023/9/2weizhou@21制造方法无损检测可维修性成本和质量试验①基本性能试验②设计接头的验证试验③接头的疲劳寿命试验5.2.2胶接连接设计2023/9/2weizhou@22B胶接形式的选择C胶接接头几何参数的选择5.2.2胶接连接设计2023/9/2weizhou@23§5.3机械连接5.2.1机械连接接头的分析5.2.2机械连接设计一般来说，对于受力大的结构，连接构件较厚，多采用螺栓或铆接等机械连接，机械连接的主要形式有搭接和对接两种：5.3机械连接(a)搭接(b)偏位搭接(c)变厚度搭接(d)单盖板对接(e)双盖板对接(f)变厚度盖板对接铆钉步骤：对结构部件进行内力和变形分析，确定接头的外载荷；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；紧固件的应力分析；有载孔和无载孔板的应力、应变分析；接头的破坏分析5.3.1机械连接接头的分析2023/9/2weizhou@26A机械连接设计原则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；尽量不采用过盈配合，即使在过盈配合时也应该使过盈量很小；连接接头的质量要轻。B连接形式的选择机械连接的主要形式由上图给出，单搭接(a)和单盖板(d)都会产生附加弯矩，双盖板对接(e)能够避免附加弯矩，变厚度或变宽度连接形式在多拍紧固件连接时可以减缓边缘紧固件上的