碳纤维增强复合材料接头研究进展
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第 31 卷 第 3 期 第230期06 年 6 月
高科技纤维与应用
鞠苏, 曾竟成, 江H大i志-Te,c等h ：Fib碳er纤&维A增pp强lic复at合ion材料接头研究进展
Vol.31 No.3 Jun. 2-02096 -
碳纤维增强复合材料接头研究进展
鞠 苏，曾竟成，江大志，肖加余
（国防科技大学 航天与材料工程学院，长沙 410073）
复合材料接头的研制是一个复杂且综合性很 强的技术问题，要考虑以承载能力为主要指标的 设计要求、结构形式、材料的品种和性能、疲劳 寿命、试验及测试、制造工艺等一系列问题。围 绕复合材料接头研制而开展其设计、试验和工艺 技术及方法研究具有重要的理论和实际意义，现 已成为复合材料及应用研究的一个重要方向和前 沿[5]。
方法，指出了接头设计和试验中存在的问题和今后的研究方向。研究表明，碳纤维增强复合材料接头一般优先选择增强型
层压式结构形式，三维编织呈厚度方向增强结构以及关于接头疲劳的研究是今后研究和发展的方向。
关键词: 碳纤维增强复合材料；接头；设计；成型；强度；研究；进展
中图分类号: V258
文献标识码: A
文章编号: 1007-9815（2006）03-0029-07
摘 要: 本文综合叙述了碳纤维增强复合材料接头的设计、成型工艺、强度分析、试验方法及其研究进展，重点介绍了碳
纤维增强复合材料耳片接头的尺寸设计、铺层设计和承载设计，以模压法和三维编织法为例介绍了耳片接头的工艺流程，
对用于接头强度分析的有限元法、解析法及其相关的强度理论进行了叙述，探讨了复合材料接头拉伸、弯曲和剪切的试验
410073 China)
Abstract: The design, the manufacturing craft, the strength analysis, the method of experiment and the research progress of the carbon fiber reinforced composite joints were presented in this paper. The design of size, ply-up and loaded performance for the lug connector were introduced particularly. The flow of craft was also introduced by the example of moulding-press craft and three dimensions weave process. The finite element technology, analytic method and strength theory used in strength analysis of composite joint were presented in this paper. The method of tension, bend and shear experiment were discussed. The problem in the design and experiment of the composite joint were indicated. The research indicated that three dimensions weaving strengthened through the thickness direction and the fatigue of composite joint should be researched and developed. Key words: carbon fiber reinforced composite; joint; design; molding; strength; research; progress
本文以具有典型代表性的碳纤维增强耳片式 复合材料接头为例，介绍了复合材料接头的设 计、制造工艺、性能测试、力学分析方法及最新
研究进展，并指出了目前复合材料接头研制中存 在的问题和今后的发展方向。
1 碳纤维增强复合材料接头设计
1.1 接头设计理论 复合材料接头设计的基本要求是通过确定接
头的基本参数以保证其承载能力和可靠性。其设 计流程如图 1 所示。设计参数主要有 3 部分：一 是承载要求及环境使用要求；二是接头以及相融 合部分的结构参数及物理性能；三是工艺参数， 如材料的选取、铺层方式、成型温度、损伤、残 余应力等[4]。
提高主承力接头承载能力是接头结构形式设 计的基本原则。复合材料层压结构是由一层层单 向布或织物铺叠而成，在某种程度上不受结构厚 度和形状限制，材料浪费少，制造周期短。现行 国内外飞机所采用的复合材料主承力接头一般都 是层压式结构，并与主结构融为一体，由于层压 式结构无论在理论研究，还是在制造成型工艺上 都相对成熟，层压式结构是主承力接头首先要考 虑的结构形式。
复合材料接头按材料和成型工艺可分为 4 类：一是短纤维模塑接头，短纤维模塑成型时同 时形成接头，可以成型复杂的接头形式，但传递 的集中载荷不大；二是长纤维缠绕接头，长纤维 缠绕在连接螺栓衬套上，形成可以承受很大拉伸 载荷的接头，复合材料桨叶接头为典型代表；三 是层压板接头，层压板连接部位，局部采用铺层 加强，固化成型后机械加工制孔，形成层合板接 头，接头与层合板结构融为一体，可以承受较大 的 拉 伸 、 压 缩 及 剪 切 载 荷 ； 四 是 预 成 型 件 /RTM 结构件接头，这种接头与结构融为一体共同设
对主承力接头的损伤容限分析及设计，也是 复合材料接头一种新的设计方法。作为主承力结 构，进行损伤容限分析是必需的和重要的。保证 复合材料构件满足损伤容限要求可采用两种不同 的方法[12]：一是采用损伤增长概念，即如果发生 重大的损伤/缺陷增长，应该在服务中预期的重复 载荷下，在初始可探性和为剩余强度所确立的损 伤范围内，评价每种缺陷/损伤的增长特性，必须 确定缺陷/损伤增长的统计变异性及有效循环数， 以证实检查间隔。然而，对复合材料结构的损伤 扩展尚无满意的准确预测方法，主要还是依靠试 验作为基础。二是采用无损伤增长概念，即适当 控制设计应变，以使得在结构使用寿命内，当出 现内在的和离散源损伤时，在预期的服务谱下， 这些缺陷和损伤应不增长。这一概念基于复合材 料结构在一定的载荷水平下存在着损伤不扩展或 扩展非常缓慢的特性。该方法目前被广泛采用， 通常是通过限定结构元件的设计许用值（应变 值）的办法来实现的。而且，对于常用的复合材 料体系，采用“损伤无扩展”设计概念在多数情 况下可以覆盖疲劳问题。德国人在设计 A320 复 合材料垂直安定面时，依据多年的复合材料研 究、试验和使用经验，采用无损伤增长概念，经 全尺寸静力/疲劳试验验证是非常成功的，复合材 料主承力接头损伤容限分析宜采用该方法。研究 内容包括设计许用值的确定、结构形式、选材等 因素的综合考虑等[4]。 1.2 耳片接头设计
随着 3 维编织复合材料的出现，层压复合材 料层间抗拉强度脆弱的致命弱点得到克服。国内 外对 3 维编织工艺，刚度、强度预计，实验等开 展了研究[9～11]。与 3 维复合材料相对应，现在发 展较快的是准 3 维（或 2.5 维）复合材料，即在 复合材料厚度方向有纤维增强。这种复合材料与
3 维结构相比工艺技术难度较小，成本较低且适 于批量生产，同时具有 3 维增强复合材料的耐冲 击、抗分层等优点。总之，3 维编织或厚度方向 增强结构是复合材料主承力接头需重点研究的结 构形式。
Study Progress in Carbon Fiber Reforced Composite Joint
JU Su; JIANG Da-zhi; ZENG Jing-cheng; XIAO Jia-yu
(College of Astronautics and Material Engineering, National University of Defense Technology, Changsha
复合材料接头的主要破坏形式有单一型和组 合型两类。单一型破坏模式有拉伸破坏、劈裂破 坏、剪切破坏、拉脱破坏、挤压破坏等。组合型 破坏模式为两种以上单一型破坏同时发生的情 况，如拉伸－剪切、挤压－拉伸、挤压－剪切、 挤压－拉伸－剪切等。文献[7]对层压式复合材料接 头进行了研究，提出通过特殊局部缠绕成型、补 加成型、应用特种加强件、在加厚端头中嵌入高 强度薄片（金属薄箔、硼膜片等），可以大大提 高复合材料接头的强度。文献[4]为提高飞机翼面外 伸接头抗拉能力，采用了以下 3 种增强型层压式 接头形式：① 混杂环绕接头：在垂直耳片平面内 采用混杂环绕铺层，靠近孔边用低模量纤维，远 离孔边用高模量纤维，以缓解应力集中，提高抗 拉能力；② 预应力环绕接头：U 形环绕件固化成 型后，施加载荷使 U 形件头部内层产生压缩应 力，外层产生拉伸应力，而后采取一定措施保持 这种预应力状态与蒙皮二次固化，以降低接头承 载时孔边应力峰值，提高抗拉能力；③ 钛箔增强 接头：在接头头部铺层中插入一定数量钛箔，以 提高抗拉能力。文献[8]中提到将 SMA（形状记忆 合金丝）丝埋入复合材料多钉接头钉孔周围，利 用形状记忆合金丝的热－力耦合特性，通过加热 SMA 丝使之产生回复力，达到多钉钉载分配均匀 化，从而提高连接效率。
收稿日期: 2006-04-28 作者简介: 鞠苏（1982-），男，湖北黄石人，硕士研究生，主修聚合物基复合材料研究专业，(电话)013574124460(
电子信箱)jusujusu@126.com。
Hale Waihona Puke Baidu
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高科技纤维与应用
第 31 卷
撑杆采用复合材料，接头与撑杆融为一体；MBB BO-105 直升机复合材料旋翼根部接头采用混杂复 合材料；德国空客 A-310、A-320 飞机垂直安定面 根部采用复合材料壁板外伸型接头，并与旋翼大 梁融为一体；美国 A-7 飞机减速板铰链臂采用复 合材料，并与大梁融为一体，作动筒支撑接头为 独立接头，与蒙皮胶结在一起，机械连接在减速 板梁上；荷兰福克公司的 F28 飞机减速板铰链臂 用碳纤维复合材料制造并与梁融为一体，飞行试 验件于 1978 年 10 月进入航线。在国内，复合材 料接头研究起步于 1990 年代，主要有 K8 飞机减 速板接头和运七飞机方向舵悬挂接头[4]。这些接头 都属于层压式接头，并与主结构融为一体。
接头承载能力等设计要求
确定接头结构形式
接头细节设计、确定材料、铺 层、几何尺寸等
确定 外部 作用 参数
不符合要求
强度和工艺性分析、测试
符合 要求 制得产品
图 1 接头设计流程图
第3期
鞠苏, 曾竟成, 江大志, 等：碳纤维增强复合材料接头研究进展
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计，整体成型，工艺简单，减重效果明显，连接 可靠，是目前研究开发的方向[6]。
前言
先进复合材料因其高比强度、高比刚度、良 好的抗疲劳性、材料铺层的可设计性等优异特 性，在航空航天飞行器的结构中得到日益广泛地 应用[1]。在结构设计中，复合材料结构部件的发展 方向是力求实现结构的整体性，不用或者少用连 接，就可以明显减轻结构的质量和提高结构的效 率。但是，由于当前技术水平的限制（例如热压 罐尺寸、模具尺寸、材料和加工设备的限制等） 以及结构设计、工艺、检验、运输和维修方面的 需要，必须安排一定数量的设计和工艺分离面、
维护口盖和多种外挂接口等。因此，在复合材料 结构设计中，接头设计是必不可少的关键环节[2]。
在航空领域，最初复合材料是用在一些次要 受力构件上，如飞机垂尾、方向舵、升降舵、口 盖等。随着科学技术的发展，以及对飞机性能要 求的提高，复合材料的应用逐渐增加，并且由次 要受力构件转到主要受力构件，如机身、机翼甚 至接头等。复合材料接头容易与主结构融为一 体，实现整体结构，从而省掉大量的机械连接， 进一步减轻结构质量，提高结构寿命。这使其很 具有吸引力[3]。1970～1980 年代初，复合材料接 头在国外进入使用阶段，如 F-15 飞机起落架后支
高科技纤维与应用
鞠苏, 曾竟成, 江H大i志-Te,c等h ：Fib碳er纤&维A增pp强lic复at合ion材料接头研究进展
Vol.31 No.3 Jun. 2-02096 -
碳纤维增强复合材料接头研究进展
鞠 苏，曾竟成，江大志，肖加余
（国防科技大学 航天与材料工程学院，长沙 410073）
复合材料接头的研制是一个复杂且综合性很 强的技术问题，要考虑以承载能力为主要指标的 设计要求、结构形式、材料的品种和性能、疲劳 寿命、试验及测试、制造工艺等一系列问题。围 绕复合材料接头研制而开展其设计、试验和工艺 技术及方法研究具有重要的理论和实际意义，现 已成为复合材料及应用研究的一个重要方向和前 沿[5]。
方法，指出了接头设计和试验中存在的问题和今后的研究方向。研究表明，碳纤维增强复合材料接头一般优先选择增强型
层压式结构形式，三维编织呈厚度方向增强结构以及关于接头疲劳的研究是今后研究和发展的方向。
关键词: 碳纤维增强复合材料；接头；设计；成型；强度；研究；进展
中图分类号: V258
文献标识码: A
文章编号: 1007-9815（2006）03-0029-07
摘 要: 本文综合叙述了碳纤维增强复合材料接头的设计、成型工艺、强度分析、试验方法及其研究进展，重点介绍了碳
纤维增强复合材料耳片接头的尺寸设计、铺层设计和承载设计，以模压法和三维编织法为例介绍了耳片接头的工艺流程，
对用于接头强度分析的有限元法、解析法及其相关的强度理论进行了叙述，探讨了复合材料接头拉伸、弯曲和剪切的试验
410073 China)
Abstract: The design, the manufacturing craft, the strength analysis, the method of experiment and the research progress of the carbon fiber reinforced composite joints were presented in this paper. The design of size, ply-up and loaded performance for the lug connector were introduced particularly. The flow of craft was also introduced by the example of moulding-press craft and three dimensions weave process. The finite element technology, analytic method and strength theory used in strength analysis of composite joint were presented in this paper. The method of tension, bend and shear experiment were discussed. The problem in the design and experiment of the composite joint were indicated. The research indicated that three dimensions weaving strengthened through the thickness direction and the fatigue of composite joint should be researched and developed. Key words: carbon fiber reinforced composite; joint; design; molding; strength; research; progress
本文以具有典型代表性的碳纤维增强耳片式 复合材料接头为例，介绍了复合材料接头的设 计、制造工艺、性能测试、力学分析方法及最新
研究进展，并指出了目前复合材料接头研制中存 在的问题和今后的发展方向。
1 碳纤维增强复合材料接头设计
1.1 接头设计理论 复合材料接头设计的基本要求是通过确定接
头的基本参数以保证其承载能力和可靠性。其设 计流程如图 1 所示。设计参数主要有 3 部分：一 是承载要求及环境使用要求；二是接头以及相融 合部分的结构参数及物理性能；三是工艺参数， 如材料的选取、铺层方式、成型温度、损伤、残 余应力等[4]。
提高主承力接头承载能力是接头结构形式设 计的基本原则。复合材料层压结构是由一层层单 向布或织物铺叠而成，在某种程度上不受结构厚 度和形状限制，材料浪费少，制造周期短。现行 国内外飞机所采用的复合材料主承力接头一般都 是层压式结构，并与主结构融为一体，由于层压 式结构无论在理论研究，还是在制造成型工艺上 都相对成熟，层压式结构是主承力接头首先要考 虑的结构形式。
复合材料接头按材料和成型工艺可分为 4 类：一是短纤维模塑接头，短纤维模塑成型时同 时形成接头，可以成型复杂的接头形式，但传递 的集中载荷不大；二是长纤维缠绕接头，长纤维 缠绕在连接螺栓衬套上，形成可以承受很大拉伸 载荷的接头，复合材料桨叶接头为典型代表；三 是层压板接头，层压板连接部位，局部采用铺层 加强，固化成型后机械加工制孔，形成层合板接 头，接头与层合板结构融为一体，可以承受较大 的 拉 伸 、 压 缩 及 剪 切 载 荷 ； 四 是 预 成 型 件 /RTM 结构件接头，这种接头与结构融为一体共同设
对主承力接头的损伤容限分析及设计，也是 复合材料接头一种新的设计方法。作为主承力结 构，进行损伤容限分析是必需的和重要的。保证 复合材料构件满足损伤容限要求可采用两种不同 的方法[12]：一是采用损伤增长概念，即如果发生 重大的损伤/缺陷增长，应该在服务中预期的重复 载荷下，在初始可探性和为剩余强度所确立的损 伤范围内，评价每种缺陷/损伤的增长特性，必须 确定缺陷/损伤增长的统计变异性及有效循环数， 以证实检查间隔。然而，对复合材料结构的损伤 扩展尚无满意的准确预测方法，主要还是依靠试 验作为基础。二是采用无损伤增长概念，即适当 控制设计应变，以使得在结构使用寿命内，当出 现内在的和离散源损伤时，在预期的服务谱下， 这些缺陷和损伤应不增长。这一概念基于复合材 料结构在一定的载荷水平下存在着损伤不扩展或 扩展非常缓慢的特性。该方法目前被广泛采用， 通常是通过限定结构元件的设计许用值（应变 值）的办法来实现的。而且，对于常用的复合材 料体系，采用“损伤无扩展”设计概念在多数情 况下可以覆盖疲劳问题。德国人在设计 A320 复 合材料垂直安定面时，依据多年的复合材料研 究、试验和使用经验，采用无损伤增长概念，经 全尺寸静力/疲劳试验验证是非常成功的，复合材 料主承力接头损伤容限分析宜采用该方法。研究 内容包括设计许用值的确定、结构形式、选材等 因素的综合考虑等[4]。 1.2 耳片接头设计
随着 3 维编织复合材料的出现，层压复合材 料层间抗拉强度脆弱的致命弱点得到克服。国内 外对 3 维编织工艺，刚度、强度预计，实验等开 展了研究[9～11]。与 3 维复合材料相对应，现在发 展较快的是准 3 维（或 2.5 维）复合材料，即在 复合材料厚度方向有纤维增强。这种复合材料与
3 维结构相比工艺技术难度较小，成本较低且适 于批量生产，同时具有 3 维增强复合材料的耐冲 击、抗分层等优点。总之，3 维编织或厚度方向 增强结构是复合材料主承力接头需重点研究的结 构形式。
Study Progress in Carbon Fiber Reforced Composite Joint
JU Su; JIANG Da-zhi; ZENG Jing-cheng; XIAO Jia-yu
(College of Astronautics and Material Engineering, National University of Defense Technology, Changsha
复合材料接头的主要破坏形式有单一型和组 合型两类。单一型破坏模式有拉伸破坏、劈裂破 坏、剪切破坏、拉脱破坏、挤压破坏等。组合型 破坏模式为两种以上单一型破坏同时发生的情 况，如拉伸－剪切、挤压－拉伸、挤压－剪切、 挤压－拉伸－剪切等。文献[7]对层压式复合材料接 头进行了研究，提出通过特殊局部缠绕成型、补 加成型、应用特种加强件、在加厚端头中嵌入高 强度薄片（金属薄箔、硼膜片等），可以大大提 高复合材料接头的强度。文献[4]为提高飞机翼面外 伸接头抗拉能力，采用了以下 3 种增强型层压式 接头形式：① 混杂环绕接头：在垂直耳片平面内 采用混杂环绕铺层，靠近孔边用低模量纤维，远 离孔边用高模量纤维，以缓解应力集中，提高抗 拉能力；② 预应力环绕接头：U 形环绕件固化成 型后，施加载荷使 U 形件头部内层产生压缩应 力，外层产生拉伸应力，而后采取一定措施保持 这种预应力状态与蒙皮二次固化，以降低接头承 载时孔边应力峰值，提高抗拉能力；③ 钛箔增强 接头：在接头头部铺层中插入一定数量钛箔，以 提高抗拉能力。文献[8]中提到将 SMA（形状记忆 合金丝）丝埋入复合材料多钉接头钉孔周围，利 用形状记忆合金丝的热－力耦合特性，通过加热 SMA 丝使之产生回复力，达到多钉钉载分配均匀 化，从而提高连接效率。
收稿日期: 2006-04-28 作者简介: 鞠苏（1982-），男，湖北黄石人，硕士研究生，主修聚合物基复合材料研究专业，(电话)013574124460(
电子信箱)jusujusu@126.com。
Hale Waihona Puke Baidu
- 30 -
高科技纤维与应用
第 31 卷
撑杆采用复合材料，接头与撑杆融为一体；MBB BO-105 直升机复合材料旋翼根部接头采用混杂复 合材料；德国空客 A-310、A-320 飞机垂直安定面 根部采用复合材料壁板外伸型接头，并与旋翼大 梁融为一体；美国 A-7 飞机减速板铰链臂采用复 合材料，并与大梁融为一体，作动筒支撑接头为 独立接头，与蒙皮胶结在一起，机械连接在减速 板梁上；荷兰福克公司的 F28 飞机减速板铰链臂 用碳纤维复合材料制造并与梁融为一体，飞行试 验件于 1978 年 10 月进入航线。在国内，复合材 料接头研究起步于 1990 年代，主要有 K8 飞机减 速板接头和运七飞机方向舵悬挂接头[4]。这些接头 都属于层压式接头，并与主结构融为一体。
接头承载能力等设计要求
确定接头结构形式
接头细节设计、确定材料、铺 层、几何尺寸等
确定 外部 作用 参数
不符合要求
强度和工艺性分析、测试
符合 要求 制得产品
图 1 接头设计流程图
第3期
鞠苏, 曾竟成, 江大志, 等：碳纤维增强复合材料接头研究进展
- 31 -
计，整体成型，工艺简单，减重效果明显，连接 可靠，是目前研究开发的方向[6]。
前言
先进复合材料因其高比强度、高比刚度、良 好的抗疲劳性、材料铺层的可设计性等优异特 性，在航空航天飞行器的结构中得到日益广泛地 应用[1]。在结构设计中，复合材料结构部件的发展 方向是力求实现结构的整体性，不用或者少用连 接，就可以明显减轻结构的质量和提高结构的效 率。但是，由于当前技术水平的限制（例如热压 罐尺寸、模具尺寸、材料和加工设备的限制等） 以及结构设计、工艺、检验、运输和维修方面的 需要，必须安排一定数量的设计和工艺分离面、
维护口盖和多种外挂接口等。因此，在复合材料 结构设计中，接头设计是必不可少的关键环节[2]。
在航空领域，最初复合材料是用在一些次要 受力构件上，如飞机垂尾、方向舵、升降舵、口 盖等。随着科学技术的发展，以及对飞机性能要 求的提高，复合材料的应用逐渐增加，并且由次 要受力构件转到主要受力构件，如机身、机翼甚 至接头等。复合材料接头容易与主结构融为一 体，实现整体结构，从而省掉大量的机械连接， 进一步减轻结构质量，提高结构寿命。这使其很 具有吸引力[3]。1970～1980 年代初，复合材料接 头在国外进入使用阶段，如 F-15 飞机起落架后支